提高称重传感器准确度和稳定性的若干问题

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- · · · · · · · · · "'"'Science ." "- Science. ， ， . ." " " " "·：：·········称重传感器的长期稳定性应包括老化、疲劳和环境三个因素。老化即时间影响；疲劳是指把时间影响模拟为固定次数的称重过程或固定小时的工作量 (德国 FFB规定用最大秤量或至少 1/2秤量加荷 2O万次，实际上是-种持久试验)；环境因素则是把时间模拟为长期的温度 、湿度变化的影响。FFB规定对无密封 开放”型称重传感器要进行温度、湿度试验 ，因为这种称重传感器的零点和特性随温度、湿度变化而变化程度较大。

上述经验值得我国称重传感器生产企业借鉴，现将有关问题分析、介绍如下。

二、弹性元件的结构设计为了维护线性的和重复的应变--载荷关系，弹性元件应该是-个整体结构，因为各连接件之间的位移都可以引起非线性和离散性。连接、摩擦 、接触或紧固，或任何非整体状态都成为潜在的问题 ，最好的设计是没有运动部件的整体式结构。弹性元件应具有足够的热转换以防止电阻应变计 自热 ，如果其温度比弹性元件高，哪怕只差0.1 c，都可能难以达到稳定的性能。还有 ，在电阻应变计和补偿电阻面积上的任何温度梯度 ，都能引起零点温度漂移或标定结果的变化。

任何称重传感器最重要的机械部分是弹性元件，-般的说 ，弹性元件的功能是对作用力的反作用，同时把负荷的作用集中于-个独立的、均匀的应变场内，以便粘贴电阻应变计。理想称重传感器的特点是应变与负荷之间成较严格的线性关系，达到这种目标正是所有称重传感器设计的中心所在。完成这-任务的困难首先在于克服力学分析和计算上的困难；其次是排除各种各样因素的综合影响。

设计高准确度弹性元件时，还应引入微观屈服强度概念 ，其定义为：产生-个微应变 (1 )永久变形所要求的应力 (它比6r0：工程屈服强度约小 3倍)。这-概念的重要意义表明所设计的精密弹性元件，其永久变形可能发生在相当低的应力水平。而称重传感器系数 (mV/V)与弹性元件应变区的应力水平有关 ，任何微观屈服的产生都将导致称重传感器性能的不稳定性，因此设计时应对灵敏度和稳定性取折中的方案。

下列设计要求或称之为标准 ，对所有称重传感器弹性元件通常都是实用的，尽管看起来毫不 澎 薯lll龋 啦 ·······················.·· ◆· · - · · · · - · · .-： ：Sclence-Technology Application 。

相干，可是却存在着很多相互影响的因素。-个好的称重传感器设计需要有博采众长和兼顾下列要求的综合能力。

(1)固有频率为了使振动对灵敏度的影响减至最小 ，固有频率应旧能的高。通常要求弹性元件具有较高的刚度和较低的质量。

所谓固有频率 ，就是能达到弹性元件本身最高的频率，这通常要求弹性元件是-个基本精确的装置，并且没有多余的部件。圆柱式弹性元件是典型的没有多余部件的整体结构，其固有振动频率 为：foO-l59署、/ (式1)式中： --圆柱式弹性元件的长度 (m)； 弹性元件材料的弹性模量；A--弹性元件的横向截面积；，- 弹性 元 件 单 位 长度 的 质 量(kg/m)。

用弹性元件的质量和长度表示单位长度的质量，经进-步变换后，得：mAp (式 2)式中：p--弹性元件材料的密度。

将 m和 订代入式 1，得fo 、/ (式3)例如：20t圆柱结构压式称重传感器，弹性元件的高度 L100mm0.1m；弹性元件材料 40CrNi-MoA 的 弹 性 模 量 E2.1×104kg/mm22.1×10t/m ；弹性元件材料的密度p7.85t/m 。固有频率为：厂-----丁 、/ ：2.49 r V 丽- ∞2.49×1635.5914072.622Hz(2)在额定载荷下应变区应有合适的应变水上在额定载荷作用下，弹性元件应变区的应变水平，对称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳寿命都有较大影响。这里说的应变水平，实际上是保证应变稳定并与载荷成较严格线性关系的应变范围，它与弹性元件所用的材料密切相关。

基于各种条件的综合限制，诸如材料P-8曲 Science-TechnologyApplication.""· ：·-······人力或外力不敏感。同时保证在规定范围内，力l 作用点的变化不影响其输出。这不仅涉及到弹性i 元件设计，而且也涉及到载荷引入和支撑装置、l 电阻应变计的粘贴位置以及防护密封结构设计，l l l 对上述各项因素应综合考虑。

l l l (8)弹性元件挠度《i i 为了使几何尺寸改变引起的非线性减至最小，l l l 以及弹性元件与支承之间的相互作用小，弹性元l l l 件必须是小变形。

l 称重传感器利用的是小变形原理，应使弹性l l l 元件产生有限的变形。因为弹性元件任何几何形l l i 状的变化必然地伴随着出现-定程度的非线性响l l l 应。弹性元件的刚性不仅对提高固有频率有益，l 而且也有助于把几何形状变化引起的非线性减至l l l 最校i (9)温度 (即热效应)的考虑l 粘贴在弹性元件上的电阻应变计在工作时是l -个发热源，当热传导到弹性元件其他部分时，l 不应在其工作区域产生温度梯度，而影响称重传l 感器的工作特性。因此设计弹性元件结构时，电l 阻应变计粘贴区域应具有热传导对称的性质，以 降低温度梯度。

此外，弹性元件产生轴向应变的同时发生着 体积的变化，在绝热的条件下，这种体积变化会i 导致温度的变化，从热力学定律可导出：l △ △ (式4)年 il 式中： 弹性模量；： l 试件温度；骅 l --线膨胀系数；J§ l 比热；； p--比重；期 l △占- 应变的变化量。

l 载荷的突变同时引起弹性元件应变区温度变， 化△T，由于温度要向应变小的两头传导，弹性元件会趋于-个新的热平衡，因此△ 要随着时间增加而减校这种导致与室温发生偏差的应变损耗，l 根据弹性元件的应变梯度及其材料的热传导势的l 不同而要持续数秒至数分钟，此绝热温度变化通l 过热膨胀系数引起弹性元件体积变化。应用上式l 计算初始弹性元件发热效应△T的量值，并与弹性l 元件上热敏元件的指示值进行比较，其△T的理论 --计算值与实际测量值相差不超过7%。

温度改变引起的膨胀可导致侧向载荷影响称重传感器的输出，-般是通过仔细考虑从外壳到弹性元件的热流通路来降低温度梯度影响。此热效应的影响是必须考虑的，尤其是弹性元件上下端都有支承件时。因为-方面电阻应变计是热源 ，其热量大部分耗散在弹性元件内，为了旧能把弹性元件和电阻应变计受到的不稳定温度影响减至最小 ，弹性元件外形和电阻应变计定位都应对称。另-方面称重传感器将受到从-端到另-端或从-侧到另-侧温度梯度影响，必须用细微的消热设计来减校为此从称重传感器外壳到弹性元件和弹性元件内的传热途径都必须加以考虑。

尤其要使电桥电路中相邻桥臂的电阻应变计之间有最小的热阻抗。

(10)气压补偿大气压力变化将引起零点变化，特别是小量程。因此，称重传感器应设计成与大气压力无关，大多通过在其内部设计有大气压力补偿装置来解决此问题。例如在称重传感器内部设置波纹管，来补偿大气压力影响。

(11)防护密封进行有效可靠的防护密封。称重传感器在恶劣环境条件下工作时，必须做到真正的气密。通常利用各种结构的膜片，采用电子束焊接 、激光焊接或钨极惰性气体保护焊接，来对粘贴有电阻应变计的弹性元件实施全密封。

(12)电阻应变计加压夹具尽量简单适用粘贴在弹性元件上的电阻应变计的固化加压夹具，应与弹性元件同步设计并保证具有 良好的匹配性。要求加压夹具坚固耐用 、安装方便 、施加压力均匀以及高温不变形。

随着高性能电子秤对称重传感器准确度要求的不断提高，需要称重传感器设计者改变设计方法，充分考虑许多二阶和三阶效应 ，这些效应通常在常规的机械设计中是忽略不计的。由于在材料力学 、结构力学中多采用简化的解法，而在弹性理论中，在某种程度上也是如此。所以，这些工程上的方法严格的说是不适合称重传感器弹性元件的最佳设计。这就必须采用现代分析计算方法，考虑高阶效应和试验研究来弥补 ，以使称重传感器达到高准确度设计要求。

毽嚣 甍j《藏 。《i爱- · · · · · · · · · "：."：Science-TechnologyApplication l遗憾的是现时还不能制定-种计算方法或-套普遍的规则来确定-种通用的最佳化的弹性元件设计参数。这是因为弹性元件几何形状、加载和变形方式均受到结构形式的影响，诸如额定容量 、测量范围、外形尺寸和固有频率等等 ，它们在不同的应用中采用不同的结构形式 ，即在某-种特定的结构设计中，这种高阶效应的实际影响将撒于设计时技术要求 ，也撒于弹性元件的几何尺寸等细节。

基于上述原因，近些年来在称重传感器的结构设计与制造中，逐步应用三维数字化设计与制造技术，其实质是技术与工艺创新的综合体。它以数字化建模、仿真与优化为手段，集成了设计、分析和数据处理整个过程，所获得的分析和计算结果，保证了弹性元件结构设计最合理、性能波动最校上述现代设计法是传统设计理论的延伸、思维方法的改变 ，多种设计技术、理论与方法的综合。其特点是：设计手段精确化、计算机化和虚拟化；设计过程并行化、最优化和智能化。

三、弹性元件的材料选择随着称重传感器技术的发展，对弹性元件金属材料提出了-些新要求 ，概括起来就是制造弹性元件的结构材料应尽量具有功能材料的特点。

即在性能上 ，对称重传感器的特性起举足轻重的作用 ；在应用上 ，制成弹性元件后 ，实际上是材料与敏感元件-体化 ；在对材料的评价上 ，是以弹性元件形式对其性能进行评价 ，称重传感器性能直接体现材料的优劣；在制造上，对成分、冶炼、锻造、淬火、回火工艺要求严格 ，并尽量少产生残余应力。弹性元件应变稳定性与金属材料的性能密切相关 ，从粘贴在弹性元件上电阻应变计电阻的相对变化即可看出。其电阻应变计电阻的相对变化为： (式 5)式中： - 电阻应变计电阻的相对变化；C--应变利用系数；- - 电阻应变计的灵敏系数；- - 弹性元件的弹性应变。

由式 5可见，提高弹性元件应变的稳定性是提高称重传感器整体稳定性的基赐关键。因此，弹性元件金属材料不仅是结构材料而