衡器電子秤稱重傳感器引起各種誤差概述與分析-2

時間：2022-8-14閱讀：77

（3）雙剪梁型稱重傳感器邊界條件對滯后的影響較大，其雙剪梁彈性元件與底座接觸面的滑動是產(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，摩擦力對應(yīng)變區(qū)影響也較大。
（4）機(jī)械加工形位公差的影響，突出的表現(xiàn)在圓環(huán)式、板環(huán)式彈性元件上，當(dāng)兩端加載螺紋不同心時，真正通過彈性元件的載荷值與計量軸線偏 α 角度，隨著載荷的增加，α 夾角逐漸變小，有效計量載荷不斷加大，使輸出呈遞增的拋物線。卸載后各連接件未恢復(fù)到初始位置而產(chǎn)生滯后誤差。
（5）稱重傳感器彈性元件上的保護(hù)外殼、密封膜片應(yīng)設(shè)計合理盡量不影響靈敏度。若有不正確接觸或承受一定應(yīng)力，都會產(chǎn)生阻滯彈性元件變形恢復(fù)的力或力矩，而產(chǎn)生滯后誤差。
（6）合理選擇彈性元件金屬材料的熱處理工藝，減小材料本身的彈性滯后。例如應(yīng)用廣泛的合金鋼 40CrNiM0A，其彈性滯后與其微觀組織有關(guān)，不同的回火溫度得到不同的金相組織，有不同的彈性滯后，其值可達(dá) 0.11％。
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
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產(chǎn)生蠕變和滯后誤差。大量試驗和測試結(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)生的變形有隨著時間增大的趨勢；而應(yīng)變膠粘劑的膠層有使電阻應(yīng)變計敏感柵的變形隨著時間小的趨勢，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依賴于時間效應(yīng)的綜合。主要是以下幾種效應(yīng)產(chǎn)生蠕變誤差：
（1）彈性元件金屬材料中，支配彈性后效（蠕變）因素的綜合，其因素主要是材料的組織結(jié)構(gòu)、熱處理工藝過程、穩(wěn)定處理工藝、工作應(yīng)力等的影響。
（2）彈性元件表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變膠粘劑膠層和電阻應(yīng)變計基底時，產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，使其黏彈性減弱出現(xiàn)黏滯流動（電阻應(yīng)變計基底與膠層之間發(fā)生滑動）效應(yīng)，即黏彈性后效的影響。
（3）電阻應(yīng)變計敏感柵材料由于擴(kuò)散而引起原子重新分布，使蠕變抗力減小。
（4）彈性元件絕熱溫度變化的熱彈性效應(yīng)影響。圓柱式彈性元件在正應(yīng)力作用下產(chǎn)生單位體積變化，承受拉應(yīng)力使體積增大，承受壓應(yīng)力使體積減小。如果加載迅速，沒有熱量流進(jìn)、流出，純拉伸作用在彈性元件內(nèi)產(chǎn)生絕熱降溫，純壓縮作用在彈性元件內(nèi)產(chǎn)生絕熱升溫。兩者均產(chǎn)生絕熱應(yīng)變，它和等溫應(yīng)變之差與幾何形狀無關(guān)，而僅僅取決于材料的不同，對于圓柱式稱重傳感器要達(dá)到熱平衡大約需要 20 分鐘。
綜合國內(nèi)外稱重傳感器制造企業(yè)對蠕變效應(yīng)的研究結(jié)果得出：敏感柵長的電阻應(yīng)變計比短的更適用；熱固型應(yīng)變膠粘劑比冷固型好；在保證絕緣電阻的前提下膠粘劑層越薄蠕變和滯后誤差越小，一般膠粘劑層的厚度以 5μm 為好；對粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變計進(jìn)行老化處理比不進(jìn)行處理蠕變小。對固有蠕變較大的彈性元件多采用蠕變自補(bǔ)償電阻應(yīng)變計。
5. 允許誤差與誤差包絡(luò)線
稱重傳感器在組裝各種電子衡器時，必須與該電子衡器的國家標(biāo)準(zhǔn)相匹配，其原則是：當(dāng)稱重傳感器的性能特征與允許誤差帶相擬合時，該稱重傳感器的各項誤差必須綜合考慮。這就是說，稱重傳感器可能具有小的非線性誤差和滯后誤差，而具有適中的溫度誤差；相反，可能具有小的溫度誤差，而且具有適中的非線性誤差和滯后誤差。因此必須給出稱重傳感器的允許誤差與誤差包絡(luò)線來作為限制因素。使用了誤差包絡(luò)線這個概念后，就允許人們對構(gòu)成測量總誤差的各個分量進(jìn)行平衡，從而獲得所期望的最終結(jié)果。按照國際法制計量組織（OIML）R60 國際建議和 GB ／T7551—2008《稱重傳感器》國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，稱重傳感器的允許誤差限與誤差包絡(luò)線有關(guān)，即所有偏差之和應(yīng)處于總誤差帶之內(nèi)。
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(diǎn)連線法，即在稱重傳感器的 n 個測試點(diǎn)中，將最小載荷輸出點(diǎn)與 75% 載荷輸出點(diǎn)連為直線，以此直線作為擬合直線求得各載荷點(diǎn)參比值，用以計算稱重傳感器誤差。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?？梢姕p小稱重傳感器的非線性、滯后誤差和零點(diǎn)、靈敏度溫度誤差對控制稱重傳感器允許誤差的重要性。
三、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、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，都會產(chǎn)生不同程度的熱脹或冷縮，引起電阻變化。
（2）電阻應(yīng)變計敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)不為零，各電阻應(yīng)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(huán)境溫度而變化，這都會引起電阻值的改變。
（3）由于各電阻應(yīng)變計的引出線及連接導(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(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，大氣壓力波動等雖然影響較小，也會使電阻值發(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，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)溫度漂移的方法，就是對稱重傳感器逐個進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。
2. 靈敏度溫度誤差分析
早在 20 世紀(jì) 40 年代中期，美國和前蘇聯(lián)學(xué)者就注意到了溫度對測力指示儀器示值的影響，正確的分析了引起機(jī)械測力環(huán)溫度誤差的原因，并準(zhǔn)確測量出其修正系數(shù)為 0.027% ／℃，時至今日還在繼續(xù)為各國所使用。同樣以金屬材料為彈性元件組成的稱重傳感器，其溫度誤差與之非常相似，
只是影響因素更復(fù)雜一些，因為除彈性元件外還有電阻應(yīng)變計、補(bǔ)償電阻、測量電路的影響。
不論是利用正應(yīng)力還是利用切應(yīng)力的稱重傳感器，其靈敏度溫度誤差是一個系統(tǒng)誤差，起主要影響的因素是彈性模量 E 的溫度系數(shù) βE。因 βE 為負(fù)值，所以環(huán)境溫度升高，彈性元件材料的彈性模量 E 降低，稱重傳感器的靈敏度增大，而產(chǎn)生靈敏度溫度誤差。γ 的影響主要取決于電阻應(yīng)變計敏感柵的電阻合金材料，在一定程度上取決于應(yīng)變粘接劑、固化工藝規(guī)范及敏感柵的幾何形狀。如果彈性元件材料，電阻應(yīng)變計敏感柵和基底材料以及制造工藝都一樣，圓環(huán)式結(jié)構(gòu)比圓柱式和剪切梁式結(jié)構(gòu)的靈敏度溫度誤差要小一些，大約小 6％左右。這說明稱重傳感器靈敏度溫度誤差的影響因素，主要是彈性元件材料的彈性模量 E，其次是電阻應(yīng)變計靈敏系數(shù)和制造工藝，在相當(dāng)小的程度上
與稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu)有關(guān)。
四、建立數(shù)學(xué)模型分析稱重傳感器的溫度誤差
應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和分析手段，采用三維數(shù)字設(shè)計技術(shù)是稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)改造生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)生產(chǎn)工序和控制系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)自動采集、智能補(bǔ)償?shù)壬a(chǎn)線模式是生產(chǎn)工藝創(chuàng)新的主要方向。面對設(shè)計、工藝技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的、就事論事的誤差分析方法，已跟不上稱重傳感器技術(shù)發(fā)展的需要。必須學(xué)習(xí)和掌握現(xiàn)代誤差分析手段，建立稱重傳感器各種特性的數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)預(yù)測和推算各類溫度誤差。國內(nèi)外各制造企業(yè)對稱重傳感器溫度誤差的控制，都是采用智能溫度補(bǔ)償方法。即為了減小零點(diǎn)溫度誤差對批量生產(chǎn)的稱重傳感器逐個進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償；為了控制靈敏度溫度誤差，在彈性元件材料、熱處理工藝、電阻應(yīng)變計、生產(chǎn)工藝流程都保持不變的前提下，采用抽樣測試得出補(bǔ)償電阻值，進(jìn)行統(tǒng)一補(bǔ)償?shù)姆椒ā鴥?nèi)外稱重傳感器制造企業(yè)多年的實踐經(jīng)驗告訴我們，上述兩種溫度補(bǔ)償方法是比較科學(xué)合理、簡便可行的。零點(diǎn)溫度、靈敏度溫度補(bǔ)償技術(shù)的一個重要前提是：輸出與溫度變化成線性關(guān)系，即補(bǔ)償精度取決于補(bǔ)償前的輸出隨溫度變化的非線性程度。通過分析稱重傳感器的測試數(shù)據(jù)，來確定各個零點(diǎn)溫度漂移影響因素所起到的作用，以及它們之間的相互關(guān)系是非常困難的。因為各個影響因素同時作用而產(chǎn)生單一的稱重傳感器輸出，若將此輸出分解成諸多項，每項分別表示某一因素的作用是不可能的。解決此問題的有效方法是建立稱重傳感器溫度特性的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)公式表示各種影響因素，推導(dǎo)出理論輸出值。若理論輸出與實際輸出比較一致，就可以在計算機(jī)上進(jìn)行試驗，預(yù)判各單一因素的影響。

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