稱重傳感器的發展研究及誤差淺析

曾鐘波

[摘 要] 隨著經濟的不斷發展，科學技術應用于實際生產生活中也變得越來越頻繁，稱重傳感器作為日常生產生活中的必不可少的測量部件，越來越多地被人們所應用。本文結合實際工作，對稱重傳感器的發展歷史進行研究，給出了稱重傳感器發展的各個主要階段，并對當前國際稱重傳感器的技術創新進行了研究，最后對柱式稱重傳感器產生誤差進行了淺析，希望通過本文能夠提高自身的業務水平，也為自己與同行在稱重傳感器方面提供一個交流平臺。

[關鍵詞] 傳感器； 誤差來源

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 02. 039

[中圖分類號] TH715 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）02- 0078- 01

1 稱重傳感器的發展

1938年美國加利福尼亞理工學院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工學院教授A.Ruge（魯奇）分別同時研制出紙基絲繞式電阻應變計，以他們名字的字頭和各有二位助手命名為SR-4型，由美國BLH公司專利生產。為研制應變式負荷傳感器奠定了理論和物質基礎。1940年美國BLH公司和Revere公司總工程師A.Thurston（瑟斯頓）利用SR-4型電阻應變計研制出圓柱結構的應變式負荷傳感器，用于工程測力和稱重計量，成為應變式負荷傳感器的創始者。1942年在美國應變式負荷傳感器已經大量生產，至今已有60多年的歷史。

經歷了20世紀70年代的切應力負荷傳感器和鋁合金小量程負荷傳感器兩大技術突破；80年代稱重傳感器與測力傳感器徹底分離，制定R60國際建議和研發出數字式智能稱重傳感器兩項重大變革；90年代在結構設計和制造工藝中不斷納入高新技術迎接新挑戰，加速了稱重傳感器技術的發展。1973年美國學者霍格斯特姆為克服正應力負荷傳感器的固有缺點，提出不利用正應力，而利用與彎矩無關的切應力設計負荷傳感器的理論，并設計出圓截工字形截面懸臂剪切梁型負荷傳感器。打破了正應力負荷傳感器的一統天下，形成了新的發展潮流。這是負荷傳感器結構設計的重大突破。1974年前后美國學者斯坦因和德國學者埃多姆分別提出建立彈性體較為復雜的力學模型，利用有限單元計算方法，分析彈性體的強度、剛度，應力場和位移場，求得最佳化設計。為利用現代分析手段和計算方法設計與計算負荷傳感器開辟了新途徑。

2 稱重傳感器的技術創新

20世紀70年代初中期，美、日等國的衡器制造公司開始研發商業用電子計價秤，急需小量程負荷傳感器。傳統的正應力和新研制的切應力負荷傳感器都不能實現幾千克至幾十千克量程范圍內的測量。美國學者查特斯提出用低彈性模量的鋁合金做彈性體，采用多梁結構解決靈敏度和剛度這對矛盾。設計出小量程鋁合金平行梁型負荷傳感器，同時指出平行梁負荷傳感器是基于不變彎矩原理，使利用平行梁表面彎曲應力的正應力結構，具有切應力負荷傳感器的特點，為平行梁結構負荷傳感器的設計與計算奠定了理論基礎，形成了又一個發展潮流。蠕變是電阻應變計和鋁合金負荷傳感器經常遇到和必需解決的關鍵問題。1978年前蘇聯學者科洛考娃通過對一維力學模型和應變傳遞系數的分析，提出控制電阻應變計敏感柵的柵頭寬度與柵絲寬度的比例，可以制造出不同蠕變值電阻應變計的理論，并成功地研制出系列蠕變補償電阻應變計。對低容量鋁合金負荷傳感器減小蠕變誤差，提高準確度起到了至關重要的作用，使電子計價秤用鋁合金負荷傳感器多品種、大批量生產成為可能。

隨著數字技術和信息技術的發展，各行業對數字化電子衡器的需求愈來愈多，提出用數字稱重系統突破模擬稱重系統局限性的要求，對此模擬式稱重傳感器就無能為力了。因為在此之前，稱重傳感器的研究都集中在硬件方面，例如：創新彈性體結構，改進制造工藝，完善電路補償與調整等。模擬式稱重傳感器的輸出信號小，抗干擾能力差，傳輸距離短，稱重顯示控制儀表復雜，組秤調試周期長等缺點依然如故。為滿足數字化電子衡器的需求，美國TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德國HBM公司等先后研制出整體型和分離型數字式智能稱重傳感器，并以其輸出信號大，抗干擾能力強，信號傳輸距離遠，易實現智能控制等特點，成為數字化電子衡器和自動稱重計量與控制系統的必選產品，形成一個開發熱點。

3 柱式稱重傳感器的誤差來源

一個泊松電橋是固有的非線性電橋。對于一個靈敏度為2.0mV/V的稱重傳感器，這種固有的非線性大約為0.10%。電橋的非線性可以被另一個非線性部分所抵消一些。引起另一個非線性的原因是由于泊松比使得柱式彈性體橫截面面積增加或減少。例如，當稱重傳感器承受壓向載荷時，橫截面面積增加，使壓縮應力減小；當承受拉向載荷時，就是相反的情況。對于一個靈敏度為2.0mV/V的稱重傳感器，由于截面積變化引起的非線性誤差大約為0.05%，所以總的非性誤差為0.10%～0.05%或者小于0.05%。這是非常小的通常可以忽略不計，但是在稱重傳感器檢測數椐中，這是應該被檢測的誤差。精密的商用稱重傳感器應利用附加的半導體應變計，此半導體應變計被粘貼在彈性體上，并串聯在電橋電路的供橋端來補償非線性，產生此類誤差主要有兩個原因：

（1） 彎曲應力是誤差的來源之一，必須使之最小化。理論上，當應變計粘貼連線時（如測量拉伸與壓縮應力），彎曲應力被消除。因為并不存在準確完美的貼片，建議采取其他方法使得彎曲應力產生的誤差盡可能接近于零。在圓柱上彎曲力矩的方向通常是可以確定的，應變計應粘貼在圓柱彎曲力矩最小處，且在中軸線上，那里的彎曲應力理論上為零。

（2） 如果圓柱大且應變計在同一個平面間隔90°粘貼，圓柱周圍的任何溫度變化都會導致信號漂移。所以電橋相鄰兩臂的應變計應盡量靠近粘貼，從而減少溫度誤差，這也是利用90°應變的原因之一。

4 總 結

本文介紹了稱重傳感器的發展史和誤差來源，對傳感器的不同階段的發展方向進行了研究和分析，對柱式稱重傳感器的誤差來源進行了分析，考慮到實際應用，還有很多不完善的地方，敬請各位批評指正。