?電子天平不準了-稱重傳感器主要單項誤差分析

時間：2022-8-14閱讀：76

本文分析了對計量性能影響較大的非線性、滯后、蠕變等單項誤差和零點溫度、靈敏度溫度誤差，分析了組裝電子衡器需要的允許誤差與誤差包絡線。通過建立稱重傳感器溫度特性的數學模型和溫度視應變數學擬合公式，分析電阻應變計熱輸出、靈敏系數 K 對稱重傳感器溫度性能及其非線性誤差的影響。
1. 非線性誤差
稱重傳感器最重要的機械部分是彈性元件，其功能是對作用載荷的反作用，同時把載荷的作用集中于一個獨立的、是均勻的應變場內，以便粘貼電阻應變計。理想彈性元件的特點應當是載荷 P 和應變 ε 成較嚴格的線性關系，實現此目標的困難在于結構設計與計算上和一些經濟上的限制。稱重傳感器承受的載荷 P 與彈性元件應變 ε 的轉換關系是非線性的，引起非線性的因素很多，諸如彈性元件材料的非線性；彈性元件與引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊之間不穩定的摩擦力；局部應力集中干擾應變區，以及彈性元件在載荷作用下幾何尺寸改變和受力點、受力臂變化等。前者可以通過正確選擇彈性元件材料，合理選用熱處理工藝，以及對引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊采用無摩擦設計，避免彈性元件應變區以外有應力點和應力集中等加以解決；后者為彈性元件面積效應和泊松比效應影響，彈性元件受載后幾何尺寸改變或受力點、受力臂變化引起可逆的有規律的非線性誤差，必須通過線性補償加以解決。
2. 滯后誤差
滯后誤差通常定義為：對同一外載荷值，稱重傳感器進程（輸入量增大）與回程（輸入量減小.輸出測量值之差。也就是說，對應同一大小的輸入信號，稱重傳感器正、反行程的輸出信號的大小卻不相等，這就是滯后誤差。大多數稱重傳感器的滯后誤差回線通常為雪茄形，回線的寬度由加荷循環的幅度決定。測量滯后時，總是存在蠕變和蠕變恢復所產生的某些影響，因此要求滯后試驗應在很短的時間內完成。稱重傳感器滯后誤差與彈性元件的結構和熱處理工藝、電阻應變計基底和應變膠粘劑層的厚度有較大關系，歸納起來影響滯后誤差的主要因素.
3. 重復性誤差
重復性誤差是指在相同的負荷和相同的環境下，對同一被測量進行連續多次試驗所得輸出讀數之間的差值。各條特性曲線越靠近，重復性就越好。重復性的好壞與許多隨機因素有關，如環境溫度、大氣壓力變化等。
4.蠕變誤差
應變式稱重傳感器的原理和制造工藝決定了其傳感元件電阻應變計是用環氧樹脂等應變膠粘劑粘貼在彈性元件上，盡管為了提高應變膠粘劑的剪切強度，膠粘劑層已經非常薄了，但是彈性元件受載后還會產生蠕變和滯后誤差。大量試驗和測試結果表明稱重傳感器的蠕變和滯后誤差的大小和方向是不可預測的，彈性元件金屬材料表現為正蠕變，即在某一種負荷作用下產生的變形有隨著時間增大的趨勢；而應變膠粘劑的膠層有使電阻應變計敏感柵的變形隨著時間減小的趨勢，這種應力松弛產生的是負蠕變。稱重傳感器的蠕變誤差，基本上就是這兩種蠕變效應的疊加。概括起來，稱重傳感器的蠕變誤差就是若干個依賴于時間效應的綜合。對于稱重傳感器的誤差包絡線，國際法制計量組織（OIML）R60 國際建議和 GB ／ T7551—2008《稱重傳感器》國家標準的定義為：“誤差包絡線以一條直線為基準，此直線是以 20 ℃時載荷試驗中的兩個輸出確定的，一個是最小載荷輸出，另一個是遞增加載時取得的量程的 75% 載荷時稱重傳感器的輸出"。求 75% 載荷輸出與最小載荷輸出擬合直線的方法，通常稱為 75% 載荷點連線法，即在稱重傳感器的 n 個測試點中，將最小載荷輸出點與 75% 載荷輸出點連為直線，以此直線作為擬合直線求得各載荷點參比值，用以計算稱重傳感器誤差。此誤差包絡線包括非線性、滯后引起的誤差，以及在規定誤差范圍由于溫度對稱重傳感器靈敏度的影響所引起的誤差。
稱重傳感器溫度誤差分析
1. 零點溫度誤差分析
稱重傳感器在無外載荷作用時的輸出稱為零點輸出，此輸出受環境溫度影響，隨溫度變化而變化稱為零點溫度漂移。影響零點溫度漂移的因素很多，歸納起來主要有：
（1）彈性元件、電阻應變計、應變膠粘劑的線膨脹系數不同，彈性元件的縱向和橫向膨脹率不同，當環境溫度發生變化時，都會產生不同程度的熱脹或冷縮，引起電阻變化。
（2）電阻應變計敏感柵材料的電阻溫度系數不為零，各電阻應變計之間又有一定的分散度，而敏感柵材料的電阻率也隨著環境溫度而變化，這都會引起電阻值的改變。
（3）由于各電阻應變計的引出線及連接導線長度不同，溫度發生變化可引起電橋電路導線的電阻變化。
（4）在將電阻應變計組焊成電橋電路時，所用不同材料（如康銅絲、錳銅絲、鎳絲等）焊點之間存在著較小的熱電勢，而引起電阻變化。
（5）彈性元件與保護外殼材料的溫度系數不同，彈性元件曲率的影響，大氣壓力波動等雖然影響較小，也會使電阻值發生微小變化。
上述各因素隨溫度變化直接影響稱重傳感器的輸出，產生較大的零點溫度漂移。就是采用溫度自補償電阻應變計，由于其特性的分散以及粘貼、加壓、固化等工藝影響，仍不能全部抵消引起零點溫度漂移的各因素。減小零點溫度漂移的方法，就是對稱重傳感器逐個進行零點溫度補償。稱重傳感器結構設計*性和合理性的一個重要標志，就是盡量減小彈性元件固有的非線性誤差，使其在工作中性能波動減至最小，同時還應該通過有效的電路補償與調整減小各種溫度效應引入的誤差，提高稱重傳感器的準確度、穩定性和可靠性。利用數學模型對引起稱重傳感器非線性、滯后、蠕變等單項誤差和零點、靈敏度溫度誤差的諸因素進行分析和推算，已成為現代稱重傳感器設計和誤差分析的重要手段。

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