称重传感器主要单项误差严格的说,称重传感器承受的载荷 p 与弹性元件应变 ε 的转换关系是非线性的,引起非线性的因素很多,诸如弹性元件材料的非线性;弹性元件与引入载荷的压头、承受载荷的底垫之间不稳定的摩擦力;局部应力集中干扰应变区,以及弹性元件在载荷作用下几何尺寸改变和受力点、受力臂变化等。前者可以通过正确选择弹性元件材料,合理选用热处理工艺,以及对引入载荷的压头、承受载荷的底垫采用无摩擦设计,避免弹性元件应变区以外有应力点和应力集中等加以解决;后者为弹性元件面积效应和泊松比效应影响,弹性元件受载后几何尺寸改变或受力点、受力臂变化引起可逆的有规律的非线性误差,必须通过线性补偿加以解决。为此必须研究各种结构弹性元件的固有非线性误差,现以柱式、悬臂梁式称重传感器为例进行分析。
可以推导出承受拉向负荷的圆柱式称重传感器的固有非线性误差为:
(1)承受压向负荷的圆柱式称重传感器的固有非线性误差为:
(2)悬臂梁式称重传感器的固有非线性误差为:
合理的热处理工艺,才能提高弹性元件应变的稳定性,这是减小称重传感器非线性误差的基础和关键。
影响称重传感器非线性误差的主要因素:
(1)弹性元件结构设计不合理,应变区的应变程度过高,应变区以外还有应力点或应力集中处,因而导致变形大,必然伴随出现一定程度的非线性影响;
(2)弹性元件应变区的设计与计算不符合圣文南力的扩散原理,应力分布不均匀,有接触应力影响;
(3)整体型或集成化结构弹性元件,支承区域刚性差或柔性隔离设计不合理,造成固有线性差;
(4)弹性元件承载、加载边界条件的影响,主要是底部支承面积、根部固定刚性,压垫、压头的表面形状、硬度和摩擦系数,螺纹传递载荷时的螺纹加工精度和螺纹啮合面积等设计、选择不合理,引入了附加载荷和偏心载荷;
(5)弹性元件金属材料与热处理工艺规范选择不当,使应变区的硬度过高或过低,材料未能达到设计的弹性性能,材料综合性能未达到相当于功能材料的有关要求;
(6)关键制造工艺流程中存在某些细节差错,例如粘贴电阻应变计胶粘剂层较厚,影响弹性件应变有效传递;应变胶粘剂固化和后固化温度和保温时间有误,应变胶粘剂未能充分固化使其弹性模量达不到预定要求;
(7)小量程弹性元件表面防护与密封材料质量差或涂敷工艺不合理,过厚、过硬参与刚度,直接影响应变梁变形;
(8)圆柱式弹性元件的线性补偿精度偏低,半导体线性补偿电阻应变计温度系数大或线性补偿微调电阻精度低、温度系数大;
(9)双剪梁型(桥式)弹性元件两端紧固螺栓变形或松动,垫圈变形,底座刚度偏小等,均可产生非线性误差;
(10)对于焊接密封结构,焊接膜片的材料、形状、厚度和焊接工艺影响,使膜片分流的灵敏度偏大且与载荷不呈线性关系。
2. 滞后误差
滞后误差通常定义为:对同一外载荷值,称重传感器进程(输入量增大)与回程(输入量减小)输出测量值之差。也就是说,对应同一大小的输入信号,称重传感器正、反行程的输出信号的大小却不相等,这就是滞后误差。大多数称重传感器的滞后误差回线通常为雪茄形,回线的宽度由加荷
循环的幅度决定。测量滞后时,总是存在蠕变和蠕变恢复所产生的某些影响,因此要求滞后试验应在很短的时间内完成。
称重传感器滞后误差与弹性元件的结构和热处理工艺、电阻应变计基底和应变胶粘剂层的厚度有较大关系,归纳起来影响滞后误差的主要因素有:
(1)弹性元件承载面与下压垫接触面设计不合理,主要是接触面积过大,压垫材料摩擦系数大等。当弹性元件受载时,底面必然产生一个向外移动的力矩,在卸掉载荷时由于底面摩擦力矩存在,使底面向回移动的力矩小于变形时向外移动的力矩,阻滞了弹性元件变形的恢复而产生滞后误差。
(2)弹性元件应变区与支承边界设计不合理,固有滞后大,比较典型的结构就是轮辐式称重传感器。轮箍变形位移量与其刚度密切相关,刚度大,变形位移小,底摩擦作用时间短,轮辐应变恢复快,滞后小,反之滞后大。因此,轮毂、轮箍刚度应足够大,确保轮辐与轮毂、轮箍连接处转角为零。
(3)双剪梁型称重传感器边界条件对滞后的影响较大,其双剪梁弹性元件与底座接触面的滑动是产生滞后误差的重要原因。在加、卸载过程中,双剪梁弹性元件与底座滑动方向相反,因此作用在弹性元件上的摩擦力方向也相反,正是此摩擦力造成应变区剪应力变化。接触面摩擦系数大,随着载荷的增加滞后的值由小变大。盲孔中心到弹性元件支撑端面的距离太小,摩擦力对应变区影响也较大。
关键词:传感器
