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衡器電子秤稱重傳感器引起各種誤差概述與分析-1
2021-02-18 10:59:12??????點(diǎn)擊：
傳感器技術(shù)的最大特點(diǎn)是不斷納入新技術(shù)、新材料和新工藝，開發(fā)新品種、擴(kuò)展新功能。在我國(guó)物聯(lián)網(wǎng) + 產(chǎn)業(yè)和人工智能技術(shù)的強(qiáng)力牽引下，傳感器技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵階段，未來傳感器技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)出微型化、數(shù)字化、多功能化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化等趨勢(shì)，傳感器行業(yè)將迎來黃金發(fā)展期。為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)、“中國(guó)制造 2025”和人工智能技術(shù)對(duì)稱重傳感器的新要求，國(guó)內(nèi)外處于市場(chǎng)引導(dǎo)者地位的稱重傳感器制造企業(yè)，紛紛進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式創(chuàng)新、制造工藝模式創(chuàng)新、形成數(shù)字化稱重傳感器技術(shù)體系和基礎(chǔ)工藝支撐體系，滿足一部分產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)的需要。稱重傳感器由傳統(tǒng)型向全新型的轉(zhuǎn)型發(fā)展，從本質(zhì)上來講，它是基于市場(chǎng)理念的一場(chǎng)體制和機(jī)制改革，也是參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的必然選擇。今后國(guó)內(nèi)外稱重傳感器制造企業(yè)，在市場(chǎng)上比拼的重點(diǎn)將是提升稱重傳感器的技術(shù)含量，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，降低生產(chǎn)成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)、“中國(guó)制造 2025”和人工智能技術(shù)的需求。為此，必須深入研究和分析稱重傳感器的有關(guān)特性所產(chǎn)生的各項(xiàng)誤差，并準(zhǔn)確分析出一些限制因素，找出能夠減小這些特性產(chǎn)生誤差的各種方法。北京電子天平網(wǎng)http://www.balance1.cn/
稱重傳感器主要單項(xiàng)誤差嚴(yán)格的說，稱重傳感器承受的載荷 P 與彈性元件應(yīng)變 ε 的轉(zhuǎn)換關(guān)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(wěn)定的摩擦力；局部應(yīng)力集中干擾應(yīng)變區(qū)，以及彈性元件在載荷作用下幾何尺寸改變和受力點(diǎn)、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(duì)引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊采用無摩擦設(shè)計(jì)，避免彈性元件應(yīng)變區(qū)以外有最高應(yīng)力點(diǎn)和應(yīng)力集中等加以解決；后者為彈性元件面積效應(yīng)和泊松比效應(yīng)影響，彈性元件受載后幾何尺寸改變或受力點(diǎn)、受力臂變化引起可逆的有規(guī)律的非線性誤差，必須通過線性補(bǔ)償加以解決。為此必須研究各種結(jié)構(gòu)彈性元件的固有非線性誤差，現(xiàn)以柱式、懸臂梁式稱重傳感器為例進(jìn)行分析。
可以推導(dǎo)出承受拉向負(fù)荷的圓柱式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
（1）承受壓向負(fù)荷的圓柱式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
（2）懸臂梁式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
合理的熱處理工藝，才能提高彈性元件應(yīng)變的穩(wěn)定性，這是減小稱重傳感器非線性誤差的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
影響稱重傳感器非線性誤差的主要因素：
（1）彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變程度過高，應(yīng)變區(qū)以外還有最大應(yīng)力點(diǎn)或應(yīng)力集中處，因而導(dǎo)致變形大，必然伴隨出現(xiàn)一定程度的非線性影響；
（2）彈性元件應(yīng)變區(qū)的設(shè)計(jì)與計(jì)算不符合圣文南力的擴(kuò)散原理，應(yīng)力分布不均勻，有接觸應(yīng)力影響；
（3）整體型或集成化結(jié)構(gòu)彈性元件，支承區(qū)域剛性差或柔性隔離設(shè)計(jì)不合理，造成固有線性差；
（4）彈性元件承載、加載邊界條件的影響，主要是底部支承面積、根部固定剛性，壓墊、壓頭的表面形狀、硬度和摩擦系數(shù)，螺紋傳遞載荷時(shí)的螺紋加工精度和螺紋嚙合面積等設(shè)計(jì)、選擇不合理，引入了附加載荷和偏心載荷；
（5）彈性元件金屬材料與熱處理工藝規(guī)范選擇不當(dāng)，使應(yīng)變區(qū)的硬度過高或過低，材料未能達(dá)到設(shè)計(jì)的彈性性能，材料綜合性能未達(dá)到相當(dāng)于功能材料的有關(guān)要求；
（6）關(guān)鍵制造工藝流程中存在某些細(xì)節(jié)差錯(cuò)，例如粘貼電阻應(yīng)變計(jì)膠粘劑層較厚，影響彈性件應(yīng)變有效傳遞；應(yīng)變膠粘劑固化和后固化溫度和保溫時(shí)間有誤，應(yīng)變膠粘劑未能充分固化使其彈性模量達(dá)不到預(yù)定要求；
（7）小量程彈性元件表面防護(hù)與密封材料質(zhì)量差或涂敷工藝不合理，過厚、過硬參與剛度，直接影響應(yīng)變梁變形；
（8）圓柱式彈性元件的線性補(bǔ)償精度偏低，半導(dǎo)體線性補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)溫度系數(shù)大或線性補(bǔ)償微調(diào)電阻精度低、溫度系數(shù)大；
（9）雙剪梁型（橋式）彈性元件兩端緊固螺栓變形或松動(dòng)，墊圈變形，底座剛度偏小等，均可產(chǎn)生非線性誤差；
（10）對(duì)于焊接密封結(jié)構(gòu)，焊接膜片的材料、形狀、厚度和焊接工藝影響，使膜片分流的靈敏度偏大且與載荷不呈線性關(guān)系。
2. 滯后誤差
滯后誤差通常定義為：對(duì)同一外載荷值，稱重傳感器進(jìn)程（輸入量增大）與回程（輸入量減?。┹敵鰷y(cè)量值之差。也就是說，對(duì)應(yīng)同一大小的輸入信號(hào)，稱重傳感器正、反行程的輸出信號(hào)的大小卻不相等，這就是滯后誤差。大多數(shù)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(huán)的幅度決定。測(cè)量滯后時(shí)，總是存在蠕變和蠕變恢復(fù)所產(chǎn)生的某些影響，因此要求滯后試驗(yàn)應(yīng)在很短的時(shí)間內(nèi)完成。
稱重傳感器滯后誤差與彈性元件的結(jié)構(gòu)和熱處理工藝、電阻應(yīng)變計(jì)基底和應(yīng)變膠粘劑層的厚度有較大關(guān)系，歸納起來影響滯后誤差的主要因素有：
（1）彈性元件承載面與下壓墊接觸面設(shè)計(jì)不合理，主要是接觸面積過大，壓墊材料摩擦系數(shù)大等。當(dāng)彈性元件受載時(shí)，底面必然產(chǎn)生一個(gè)向外移動(dòng)的力矩，在卸掉載荷時(shí)由于底面摩擦力矩存在，使底面向回移動(dòng)的力矩小于變形時(shí)向外移動(dòng)的力矩，阻滯了彈性元件變形的恢復(fù)而產(chǎn)生滯后誤差。
（2）彈性元件應(yīng)變區(qū)與支承邊界設(shè)計(jì)不合理，固有滯后大，比較典型的結(jié)構(gòu)就是輪輻式稱重傳感器。輪箍變形位移量與其剛度密切相關(guān)，剛度大，變形位移小，底摩擦作用時(shí)間短，輪輻應(yīng)變恢復(fù)快，滯后小，反之滯后大。因此，輪轂、輪箍剛度應(yīng)足夠大，確保輪輻與輪轂、輪箍連接處轉(zhuǎn)角為零。
（3）雙剪梁型稱重傳感器邊界條件對(duì)滯后的影響較大，其雙剪梁彈性元件與底座接觸面的滑動(dòng)是產(chǎn)生滯后誤差的重要原因。在加、卸載過程中，雙剪梁彈性元件與底座滑動(dòng)方向相反，因此作用在彈性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成應(yīng)變區(qū)剪應(yīng)力變化。接觸面摩擦系數(shù)大，隨著載荷的增加滯后的絕對(duì)值由小變大。盲孔中心到彈性元件支撐端面的距離太小，摩擦力對(duì)應(yīng)變區(qū)影響也較大。
稱重傳感器主要單項(xiàng)誤差嚴(yán)格的說，稱重傳感器承受的載荷 P 與彈性元件應(yīng)變 ε 的轉(zhuǎn)換關(guān)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(wěn)定的摩擦力；局部應(yīng)力集中干擾應(yīng)變區(qū)，以及彈性元件在載荷作用下幾何尺寸改變和受力點(diǎn)、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(duì)引入載荷的壓頭、承受載荷的底墊采用無摩擦設(shè)計(jì)，避免彈性元件應(yīng)變區(qū)以外有最高應(yīng)力點(diǎn)和應(yīng)力集中等加以解決；后者為彈性元件面積效應(yīng)和泊松比效應(yīng)影響，彈性元件受載后幾何尺寸改變或受力點(diǎn)、受力臂變化引起可逆的有規(guī)律的非線性誤差，必須通過線性補(bǔ)償加以解決。為此必須研究各種結(jié)構(gòu)彈性元件的固有非線性誤差，現(xiàn)以柱式、懸臂梁式稱重傳感器為例進(jìn)行分析。
可以推導(dǎo)出承受拉向負(fù)荷的圓柱式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
（1）承受壓向負(fù)荷的圓柱式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
（2）懸臂梁式稱重傳感器的固有非線性誤差為：
合理的熱處理工藝，才能提高彈性元件應(yīng)變的穩(wěn)定性，這是減小稱重傳感器非線性誤差的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。
影響稱重傳感器非線性誤差的主要因素：
（1）彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，應(yīng)變區(qū)的應(yīng)變程度過高，應(yīng)變區(qū)以外還有最大應(yīng)力點(diǎn)或應(yīng)力集中處，因而導(dǎo)致變形大，必然伴隨出現(xiàn)一定程度的非線性影響；
（2）彈性元件應(yīng)變區(qū)的設(shè)計(jì)與計(jì)算不符合圣文南力的擴(kuò)散原理，應(yīng)力分布不均勻，有接觸應(yīng)力影響；
（3）整體型或集成化結(jié)構(gòu)彈性元件，支承區(qū)域剛性差或柔性隔離設(shè)計(jì)不合理，造成固有線性差；
（4）彈性元件承載、加載邊界條件的影響，主要是底部支承面積、根部固定剛性，壓墊、壓頭的表面形狀、硬度和摩擦系數(shù)，螺紋傳遞載荷時(shí)的螺紋加工精度和螺紋嚙合面積等設(shè)計(jì)、選擇不合理，引入了附加載荷和偏心載荷；
（5）彈性元件金屬材料與熱處理工藝規(guī)范選擇不當(dāng)，使應(yīng)變區(qū)的硬度過高或過低，材料未能達(dá)到設(shè)計(jì)的彈性性能，材料綜合性能未達(dá)到相當(dāng)于功能材料的有關(guān)要求；
（6）關(guān)鍵制造工藝流程中存在某些細(xì)節(jié)差錯(cuò)，例如粘貼電阻應(yīng)變計(jì)膠粘劑層較厚，影響彈性件應(yīng)變有效傳遞；應(yīng)變膠粘劑固化和后固化溫度和保溫時(shí)間有誤，應(yīng)變膠粘劑未能充分固化使其彈性模量達(dá)不到預(yù)定要求；
（7）小量程彈性元件表面防護(hù)與密封材料質(zhì)量差或涂敷工藝不合理，過厚、過硬參與剛度，直接影響應(yīng)變梁變形；
（8）圓柱式彈性元件的線性補(bǔ)償精度偏低，半導(dǎo)體線性補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)溫度系數(shù)大或線性補(bǔ)償微調(diào)電阻精度低、溫度系數(shù)大；
（9）雙剪梁型（橋式）彈性元件兩端緊固螺栓變形或松動(dòng)，墊圈變形，底座剛度偏小等，均可產(chǎn)生非線性誤差；
（10）對(duì)于焊接密封結(jié)構(gòu)，焊接膜片的材料、形狀、厚度和焊接工藝影響，使膜片分流的靈敏度偏大且與載荷不呈線性關(guān)系。
2. 滯后誤差
滯后誤差通常定義為：對(duì)同一外載荷值，稱重傳感器進(jìn)程（輸入量增大）與回程（輸入量減?。┹敵鰷y(cè)量值之差。也就是說，對(duì)應(yīng)同一大小的輸入信號(hào)，稱重傳感器正、反行程的輸出信號(hào)的大小卻不相等，這就是滯后誤差。大多數(shù)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(huán)的幅度決定。測(cè)量滯后時(shí)，總是存在蠕變和蠕變恢復(fù)所產(chǎn)生的某些影響，因此要求滯后試驗(yàn)應(yīng)在很短的時(shí)間內(nèi)完成。
稱重傳感器滯后誤差與彈性元件的結(jié)構(gòu)和熱處理工藝、電阻應(yīng)變計(jì)基底和應(yīng)變膠粘劑層的厚度有較大關(guān)系，歸納起來影響滯后誤差的主要因素有：
（1）彈性元件承載面與下壓墊接觸面設(shè)計(jì)不合理，主要是接觸面積過大，壓墊材料摩擦系數(shù)大等。當(dāng)彈性元件受載時(shí)，底面必然產(chǎn)生一個(gè)向外移動(dòng)的力矩，在卸掉載荷時(shí)由于底面摩擦力矩存在，使底面向回移動(dòng)的力矩小于變形時(shí)向外移動(dòng)的力矩，阻滯了彈性元件變形的恢復(fù)而產(chǎn)生滯后誤差。
（2）彈性元件應(yīng)變區(qū)與支承邊界設(shè)計(jì)不合理，固有滯后大，比較典型的結(jié)構(gòu)就是輪輻式稱重傳感器。輪箍變形位移量與其剛度密切相關(guān)，剛度大，變形位移小，底摩擦作用時(shí)間短，輪輻應(yīng)變恢復(fù)快，滯后小，反之滯后大。因此，輪轂、輪箍剛度應(yīng)足夠大，確保輪輻與輪轂、輪箍連接處轉(zhuǎn)角為零。
（3）雙剪梁型稱重傳感器邊界條件對(duì)滯后的影響較大，其雙剪梁彈性元件與底座接觸面的滑動(dòng)是產(chǎn)生滯后誤差的重要原因。在加、卸載過程中，雙剪梁彈性元件與底座滑動(dòng)方向相反，因此作用在彈性元件上的摩擦力方向也相反，正是此摩擦力造成應(yīng)變區(qū)剪應(yīng)力變化。接觸面摩擦系數(shù)大，隨著載荷的增加滯后的絕對(duì)值由小變大。盲孔中心到彈性元件支撐端面的距離太小，摩擦力對(duì)應(yīng)變區(qū)影響也較大。
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