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?電子天平不準(zhǔn)了-稱重傳感器主要單項(xiàng)誤差分析
2021-02-09 10:11:05??????點(diǎn)擊：
本文分析了對計(jì)量性能影響較大的非線性、滯后、蠕變等單項(xiàng)誤差和零點(diǎn)溫度、靈敏度溫度誤差，分析了組裝電子衡器需要的最大允許誤差與誤差包絡(luò)線。通過建立稱重傳感器溫度特性的數(shù)學(xué)模型和溫度視應(yīng)變數(shù)學(xué)擬合公式，分析電阻應(yīng)變計(jì)熱輸出、靈敏系數(shù) K 對稱重傳感器溫度性能及其非線性誤差的影響。北京電子天平網(wǎng)http://www.balance1.cn/
1. 非線性誤差
稱重傳感器最重要的機(jī)械部分是彈性元件，其功能是對作用載荷的反作用，同時(shí)把載荷的作用集中于一個(gè)獨(dú)立的、最好是均勻的應(yīng)變場內(nèi)，以便粘貼電阻應(yīng)變計(jì)。理想彈性元件的特點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是載荷 P 和應(yīng)變 ε 成較嚴(yán)格的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的困難在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算上和一些經(jīng)濟(jì)上的限制。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。
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(jìn)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(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.
3. 重復(fù)性誤差
重復(fù)性誤差是指在相同的負(fù)荷和相同的環(huán)境下，對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次試驗(yàn)所得輸出讀數(shù)之間的差值。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性就越好。重復(fù)性的好壞與許多隨機(jī)因素有關(guān)，如環(huán)境溫度、大氣壓力變化等。
4.蠕變誤差
應(yīng)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(yīng)變計(jì)是用環(huán)氧樹脂等應(yīng)變膠粘劑粘貼在彈性元件上，盡管為了提高應(yīng)變膠粘劑的剪切強(qiáng)度，膠粘劑層已經(jīng)非常薄了，但是彈性元件受載后還會(huì)產(chǎn)生蠕變和滯后誤差。大量試驗(yàn)和測試結(jié)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(yù)測的，彈性元件金屬材料表現(xiàn)為正蠕變，即在某一種負(fù)荷作用下產(chǎn)生的變形有隨著時(shí)間增大的趨勢；而應(yīng)變膠粘劑的膠層有使電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵的變形隨著時(shí)間減小的趨勢，這種應(yīng)力松弛產(chǎn)生的是負(fù)蠕變。稱重傳感器的蠕變誤差，基本上就是這兩種蠕變效應(yīng)的疊加。概括起來，稱重傳感器的蠕變誤差就是若干個(gè)依賴于時(shí)間效應(yīng)的綜合。對于稱重傳感器的誤差包絡(luò)線，國際法制計(jì)量組織（OIML）R60 國際建議和 GB ／ T7551—2008《稱重傳感器》國家標(biāo)準(zhǔn)的定義為：“誤差包絡(luò)線以一條直線為基準(zhǔn)，此直線是以 20 ℃時(shí)載荷試驗(yàn)中的兩個(gè)輸出確定的，一個(gè)是最小載荷輸出，另一個(gè)是遞增加載時(shí)取得的量程的 75% 載荷時(shí)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(diǎn)連線法，即在稱重傳感器的 n 個(gè)測試點(diǎn)中，將最小載荷輸出點(diǎn)與 75% 載荷輸出點(diǎn)連為直線，以此直線作為最佳擬合直線求得各載荷點(diǎn)參比值，用以計(jì)算稱重傳感器誤差。此誤差包絡(luò)線包括非線性、滯后引起的誤差，以及在規(guī)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(diǎn)溫度誤差分析
稱重傳感器在無外載荷作用時(shí)的輸出稱為零點(diǎn)輸出，此輸出受環(huán)境溫度影響，隨溫度變化而變化稱為零點(diǎn)溫度漂移。影響零點(diǎn)溫度漂移的因素很多，歸納起來主要有：
（1）彈性元件、電阻應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變膠粘劑的線膨脹系數(shù)不同，彈性元件的縱向和橫向膨脹率不同，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱脹或冷縮，引起電阻變化。
（2）電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零，各電阻應(yīng)變計(jì)之間又有一定的分散度，而敏感柵材料的電阻率也隨著環(huán)境溫度而變化，這都會(huì)引起電阻值的改變。
（3）由于各電阻應(yīng)變計(jì)的引出線及連接導(dǎo)線長度不同，溫度發(fā)生變化可引起電橋電路導(dǎo)線的電阻變化。
（4）在將電阻應(yīng)變計(jì)組焊成電橋電路時(shí)，所用不同材料（如康銅絲、錳銅絲、鎳絲等）焊點(diǎn)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(hù)外殼材料的溫度系數(shù)不同，彈性元件曲率的影響，大氣壓力波動(dòng)等雖然影響較小，也會(huì)使電阻值發(fā)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(chǎn)生較大的零點(diǎn)溫度漂移。就是采用溫度自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)，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(diǎn)溫度漂移的各因素。減小零點(diǎn)溫度漂移最有效的方法，就是對稱重傳感器逐個(gè)進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性和合理性的一個(gè)重要標(biāo)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(dòng)減至最小，同時(shí)還應(yīng)該通過有效的電路補(bǔ)償與調(diào)整減小各種溫度效應(yīng)引入的誤差，提高稱重傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性。利用數(shù)學(xué)模型對引起稱重傳感器非線性、滯后、蠕變等單項(xiàng)誤差和零點(diǎn)、靈敏度溫度誤差的諸因素進(jìn)行分析和推算，已成為現(xiàn)代稱重傳感器設(shè)計(jì)和誤差分析的重要手段。
1. 非線性誤差
稱重傳感器最重要的機(jī)械部分是彈性元件，其功能是對作用載荷的反作用，同時(shí)把載荷的作用集中于一個(gè)獨(dú)立的、最好是均勻的應(yīng)變場內(nèi)，以便粘貼電阻應(yīng)變計(jì)。理想彈性元件的特點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是載荷 P 和應(yīng)變 ε 成較嚴(yán)格的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的困難在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算上和一些經(jīng)濟(jì)上的限制。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。
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(jìn)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(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.
3. 重復(fù)性誤差
重復(fù)性誤差是指在相同的負(fù)荷和相同的環(huán)境下，對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次試驗(yàn)所得輸出讀數(shù)之間的差值。各條特性曲線越靠近，重復(fù)性就越好。重復(fù)性的好壞與許多隨機(jī)因素有關(guān)，如環(huán)境溫度、大氣壓力變化等。
4.蠕變誤差
應(yīng)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(yīng)變計(jì)是用環(huán)氧樹脂等應(yīng)變膠粘劑粘貼在彈性元件上，盡管為了提高應(yīng)變膠粘劑的剪切強(qiáng)度，膠粘劑層已經(jīng)非常薄了，但是彈性元件受載后還會(huì)產(chǎn)生蠕變和滯后誤差。大量試驗(yàn)和測試結(jié)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(yù)測的，彈性元件金屬材料表現(xiàn)為正蠕變，即在某一種負(fù)荷作用下產(chǎn)生的變形有隨著時(shí)間增大的趨勢；而應(yīng)變膠粘劑的膠層有使電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵的變形隨著時(shí)間減小的趨勢，這種應(yīng)力松弛產(chǎn)生的是負(fù)蠕變。稱重傳感器的蠕變誤差，基本上就是這兩種蠕變效應(yīng)的疊加。概括起來，稱重傳感器的蠕變誤差就是若干個(gè)依賴于時(shí)間效應(yīng)的綜合。對于稱重傳感器的誤差包絡(luò)線，國際法制計(jì)量組織（OIML）R60 國際建議和 GB ／ T7551—2008《稱重傳感器》國家標(biāo)準(zhǔn)的定義為：“誤差包絡(luò)線以一條直線為基準(zhǔn)，此直線是以 20 ℃時(shí)載荷試驗(yàn)中的兩個(gè)輸出確定的，一個(gè)是最小載荷輸出，另一個(gè)是遞增加載時(shí)取得的量程的 75% 載荷時(shí)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(diǎn)連線法，即在稱重傳感器的 n 個(gè)測試點(diǎn)中，將最小載荷輸出點(diǎn)與 75% 載荷輸出點(diǎn)連為直線，以此直線作為最佳擬合直線求得各載荷點(diǎn)參比值，用以計(jì)算稱重傳感器誤差。此誤差包絡(luò)線包括非線性、滯后引起的誤差，以及在規(guī)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(diǎn)溫度誤差分析
稱重傳感器在無外載荷作用時(shí)的輸出稱為零點(diǎn)輸出，此輸出受環(huán)境溫度影響，隨溫度變化而變化稱為零點(diǎn)溫度漂移。影響零點(diǎn)溫度漂移的因素很多，歸納起來主要有：
（1）彈性元件、電阻應(yīng)變計(jì)、應(yīng)變膠粘劑的線膨脹系數(shù)不同，彈性元件的縱向和橫向膨脹率不同，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱脹或冷縮，引起電阻變化。
（2）電阻應(yīng)變計(jì)敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零，各電阻應(yīng)變計(jì)之間又有一定的分散度，而敏感柵材料的電阻率也隨著環(huán)境溫度而變化，這都會(huì)引起電阻值的改變。
（3）由于各電阻應(yīng)變計(jì)的引出線及連接導(dǎo)線長度不同，溫度發(fā)生變化可引起電橋電路導(dǎo)線的電阻變化。
（4）在將電阻應(yīng)變計(jì)組焊成電橋電路時(shí)，所用不同材料（如康銅絲、錳銅絲、鎳絲等）焊點(diǎn)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(hù)外殼材料的溫度系數(shù)不同，彈性元件曲率的影響，大氣壓力波動(dòng)等雖然影響較小，也會(huì)使電阻值發(fā)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(chǎn)生較大的零點(diǎn)溫度漂移。就是采用溫度自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計(jì)，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(diǎn)溫度漂移的各因素。減小零點(diǎn)溫度漂移最有效的方法，就是對稱重傳感器逐個(gè)進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先進(jìn)性和合理性的一個(gè)重要標(biāo)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(dòng)減至最小，同時(shí)還應(yīng)該通過有效的電路補(bǔ)償與調(diào)整減小各種溫度效應(yīng)引入的誤差，提高稱重傳感器的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和可靠性。利用數(shù)學(xué)模型對引起稱重傳感器非線性、滯后、蠕變等單項(xiàng)誤差和零點(diǎn)、靈敏度溫度誤差的諸因素進(jìn)行分析和推算，已成為現(xiàn)代稱重傳感器設(shè)計(jì)和誤差分析的重要手段。
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