淺析影響稱重傳感器遲滯性的因素

淺析影響稱重傳感器遲滯性的因素

威世世銓科技（天津）有限公司 莫云清

    摘要：作為傳感器的重要特性參數(shù)之一，遲滯性誤差的改善直接影響傳感器的整體誤差，要想能夠準(zhǔn)確控制必須先了解哪些因素起到了影響作用。
    關(guān)鍵詞：傳感器 遲滯性 因素 控制
一、遲滯性的定義
        靈敏度

圖1

    以上面的圖形為模型介紹遲滯性的定義：橫軸為載荷，縱軸為靈敏度輸出，在測(cè)試傳感器的特性時(shí)一般將額定載荷等分成五份，從0到100％逐級(jí)加載并讀取相應(yīng)的輸出值，將五個(gè)讀數(shù)點(diǎn)連成光滑曲線，這條曲線如圖中粗實(shí)線，稱之為加載曲線，也叫進(jìn)程曲線。利用直線插入法計(jì)算75％點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，以零點(diǎn)和75％點(diǎn)劃一條直線，圖中點(diǎn)線，這條直線稱為理想直線，加載曲線與理想直線的誤差稱之為非線性誤差。從100％到0分五等份逐級(jí)減載，并讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，將這五組數(shù)據(jù)連成光滑曲線，如圖中粗虛線，稱之為減載曲線，也叫回程曲線，減載曲線與加載曲線之間的誤差稱之為遲滯性誤差。
    遲滯性誤差反映的是傳感器精度的主要指標(biāo)之一，誤差的大小直接影響計(jì)量精度，所以在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中必須嚴(yán)格控制影響遲滯性的各種因素。同時(shí)也要保證在安裝傳感器的不同條件下盡量避免影響遲滯性的因素存在。
    以下詳細(xì)介紹影響遲滯性的部分因素。
二、影響遲滯性的因素分析
    1、原材料
    彈性體：任何一種金屬材料，因?yàn)槠鋬?nèi)部的組織結(jié)構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性，受到外力加壓后在微小晶粒之間產(chǎn)生微應(yīng)變，在外力消失后，微應(yīng)變隨之消失，但是是否完全消失恢復(fù)到原始狀態(tài)，不同的材料則有完全不一樣的表現(xiàn)。在圖1中，我們可以看到加載過(guò)程中的應(yīng)變曲線ε1與卸載過(guò)程中的應(yīng)變曲線ε2不重合，其差值△=ε2-ε1稱之為遲滯性，差值的大小主要取決于材料本身成分的穩(wěn)定性、均勻性、熱處理后的金相組織等。作為稱重傳感器的關(guān)鍵元件——彈性體對(duì)此要求則更為明顯，可以通過(guò)不同的熱處理方式提高彈性極限，以減少遲滯性。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常用的材料為40CrNiMoA，該種材料經(jīng)過(guò)合理的熱處理能取得理想的綜合機(jī)械性能。
    應(yīng)變計(jì)：金屬應(yīng)變計(jì)的典型結(jié)構(gòu)為敏感柵，基底，被覆層和引線組成。在傳感器的應(yīng)用中，通過(guò)敏感柵的電阻應(yīng)變效應(yīng)，將彈性體的應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚底兓鶕?jù)材料本身存在的遲滯性來(lái)看，應(yīng)變計(jì)本身也存在遲滯性。目前世界上著名的應(yīng)變計(jì)廠在制造應(yīng)變計(jì)時(shí)充分考慮了遲滯性的自補(bǔ)償，使其在傳感器的應(yīng)用中的影響量減到最小。所以在選擇應(yīng)變計(jì)時(shí)要考慮到這種因素。
    密封膠：在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中要使用大量的密封膠，主要作用為固定線路和密封。從表面上看，一般在膠固化后是比較軟的，相對(duì)彈性體的強(qiáng)度幾乎可以忽略不記。但是對(duì)小量程產(chǎn)品，必須要加以考慮。小量程的產(chǎn)品，變形區(qū)相對(duì)薄弱，密封膠厚度的影響程度明顯增加。
    圖2所示為膠層厚度一定時(shí)，遲滯性與量程的變化關(guān)系。函數(shù)關(guān)系近似為：

Y=K*e-Xa

        式中：Y——傳感器的遲滯性
              K——密封膠完全固化后的遲滯性
              Xa——傳感器的額定載荷
    圖3所示為量程一定時(shí)，遲滯性與膠層厚度的變化關(guān)系。函數(shù)關(guān)系近似為：

Y=K*（1-e-Xb）

        式中：Y——傳感器的遲滯性
              K——密封膠的完全固化后的遲滯性
              Xb——密封膠的厚度

圖2	圖3

    不同品質(zhì)的膠也有不同的表現(xiàn)，如果膠的硬度隨著時(shí)間的增加膠層的硬度也發(fā)生變化，則產(chǎn)品的遲滯性也會(huì)隨之變化。所以在選用密封膠時(shí)一定選擇固化后膠質(zhì)穩(wěn)定的膠。
    2、安裝條件
    所謂的安裝條件，一方面是指稱重傳感器在安裝特殊配件（如橋式傳感器的底座）的邊界條件。這種邊界條件的影響，在《衡器》雜志上有詳細(xì)的分析說(shuō)明，如表面狀況，安裝扭力等是最大的影響因素，在這里不作特別說(shuō)明。另一方面是指稱重傳感器在使用現(xiàn)場(chǎng)的安裝條件，根據(jù)與不同應(yīng)用的客戶研究分析，發(fā)現(xiàn)下列情況影響傳感器或者說(shuō)是整機(jī)的遲滯性，如表面狀況、接觸面積、安裝扭力、螺栓強(qiáng)度、承載面硬度等均會(huì)影響。這些影響因素有時(shí)會(huì)被誤診為傳感器的品質(zhì)不良。
    表面狀況：是指秤臺(tái)與傳感器的接觸面的質(zhì)量，如粗糙度，平行度等。表面過(guò)于粗糙，在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)會(huì)使緊固螺栓松動(dòng)并影響性能。如果平行度偏大，加載后會(huì)使傳感器產(chǎn)生不必要的分力，直接影響產(chǎn)品精度，同時(shí)也無(wú)法體現(xiàn)傳感器的真實(shí)精度。有的企業(yè)為了降低成本直接將一定厚度的鋼板裁成合適的尺寸焊接到秤臺(tái)上，不經(jīng)過(guò)任何加工處理，使用初期不會(huì)有問(wèn)題，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)精度會(huì)越來(lái)越差。
    接觸面積：是指?jìng)鞲衅髋c秤臺(tái)固定的接觸面積。如圖4所示，(a)接觸面過(guò)小，(b)接觸面過(guò)大。不同公司的產(chǎn)品，由于結(jié)構(gòu)和工藝的不同，接觸面的大小也是有些差別，所以在傳感器的生產(chǎn)過(guò)程中必須加以確定，并同時(shí)在傳感器的安裝使用說(shuō)明書中詳細(xì)定義，以保證客戶能按照最佳條件安裝使用。可以參考威世特迪亞的3410產(chǎn)品，將安裝控制線標(biāo)到傳感器上，如圖4(c)所示。

圖4

    安裝扭力：在《衡器》雜志上曾經(jīng)介紹過(guò)橋式傳感器的安裝扭力與遲滯性的關(guān)系，在接觸面一定的條件下，安裝扭力越大，遲滯性越小。同樣的道理，如果將傳感器安裝在不同的設(shè)備上，安裝扭力的大小也直接影響產(chǎn)品的真實(shí)精度。傳感器按照不同受力結(jié)構(gòu)分為單點(diǎn)式，懸臂梁式，橋式，“S”式，輪輻式，柱式等六大類。安裝扭力的影響規(guī)律對(duì)不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品是不一樣的。例如懸臂梁傳感器，安裝扭力在100Nm時(shí)，能得到最佳的遲滯性。扭力過(guò)大或過(guò)小，遲滯性都會(huì)變差（不同公司的產(chǎn)品安裝扭力最佳值會(huì)不一樣，必須經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)才能確定）。輪輻式傳感器的遲滯性對(duì)安裝扭力更為敏感，所以在使用時(shí)一定要依照生產(chǎn)廠商的安裝使用說(shuō)明書進(jìn)行安裝，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。
    螺栓強(qiáng)度：螺栓的強(qiáng)度影響與安裝扭力是一樣的，如果強(qiáng)度不足，在產(chǎn)品安裝使用一段時(shí)間之后，鎖緊力則會(huì)變松，進(jìn)而影響精度。
    安裝面硬度：以懸臂梁傳感器來(lái)說(shuō)明，因其固定端的接觸面較小，如果硬度過(guò)低，則在使用過(guò)程中隨使用次數(shù)的增加，受力支點(diǎn)則會(huì)移動(dòng)，如圖5，受力支點(diǎn)從a點(diǎn)移到b點(diǎn)，則精度會(huì)有不同程度的變化。

圖5

    上面所講述的影響因素直接與傳感器接觸，容易理解，還有一些其他因素看起來(lái)與傳感器關(guān)系不大，但卻影響傳感器的精度。比如秤臺(tái)強(qiáng)度，基礎(chǔ)堅(jiān)固性，防塵防水等因素。秤臺(tái)強(qiáng)度的影響：以平臺(tái)秤為例，一般采用懸臂梁稱重傳感器4只，安裝在四個(gè)角上，如圖6(a)所示：

圖6

    圖6(b)為平臺(tái)秤的側(cè)視簡(jiǎn)圖及受力模型，如果秤臺(tái)的強(qiáng)度不足，可以導(dǎo)致秤臺(tái)中心凹陷，如圖6(d)，這種結(jié)果會(huì)導(dǎo)致傳感器受側(cè)向力的影響。而且側(cè)向力的大小隨被測(cè)物的重量增加而增加，但其增加的幅度卻是非線性關(guān)系，以圖6(c)為模型簡(jiǎn)化受力，可以用下列公式估算出傳感器的受力與載荷的關(guān)系：

F=G/2cosα=G/2cos(G·L2/4·E·I）

    式中：F——傳感器荷重端受力
          G——秤臺(tái)載荷
          E——秤臺(tái)剛度
          L——傳感器固定端與秤臺(tái)中心的距離
          I——秤臺(tái)轉(zhuǎn)性慣距
          α——秤臺(tái)受力與變形角度
    從公式看出，如果秤臺(tái)強(qiáng)度足夠強(qiáng)，可以忽略秤臺(tái)變形，即α=0，cosα=1，故而F=G/2，如果秤臺(tái)的強(qiáng)度越差，α角度隨載荷增加而變大，從而使F與G的非線性度越差。

圖7

    在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，安裝地腳有固定式地腳如圖6(e)和活動(dòng)式地腳圖6(f)兩種。固定式地腳的結(jié)構(gòu)由螺桿、底座和減振橡膠組成。活動(dòng)式地腳由螺桿、鋼球、底座和防滑墊組成。如果平臺(tái)秤的安裝地腳為固定式地腳，其受力結(jié)構(gòu)還要考慮地腳傾斜后支點(diǎn)變化的影響。如圖7(b)所示。如果采用活動(dòng)地腳，則可以減少因地腳變形而帶來(lái)的負(fù)面影響。
    除平臺(tái)秤以外，如果汽車衡臺(tái)面的強(qiáng)度不足不但影響產(chǎn)品的精度同時(shí)也影響標(biāo)定。
    基礎(chǔ)的影響：這里面的基礎(chǔ)是指汽車衡或軌道衡的傳感器的安裝基礎(chǔ)，如一臺(tái)載荷為八十噸的汽車衡，一般使用6只或8只稱重傳感器。傳感器通過(guò)底座與基礎(chǔ)的預(yù)埋件固定。單只傳感器的接觸面積約有250cm2，單位面積的壓力達(dá)到0.40～0.58kN/cm2。如果基礎(chǔ)不牢固，使用一段時(shí)間后，基礎(chǔ)產(chǎn)生變化后，傳感器的特性則無(wú)法完全真實(shí)表現(xiàn)出來(lái)。與初裝標(biāo)定時(shí)的條件會(huì)有較大的變化。
    灰塵和水的影響：這兩種因素在保養(yǎng)條件比較好的條件下不會(huì)產(chǎn)生影響，但是在室外使用的衡器，如汽車衡，軌道衡等要特別注意。我們以水泥廠或礦山廠的汽車衡為例說(shuō)明其影響：水泥廠的環(huán)境一般很惡劣，過(guò)往全是重型汽車，隨車帶起來(lái)的灰塵大部分屬于水泥成分，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)沉積在裸露的傳感器表面及配件間隙內(nèi)，經(jīng)過(guò)雨季或處在周圍環(huán)境潮濕的現(xiàn)場(chǎng)，傳感器表面或配件間隙的灰塵會(huì)硬化，使原本活動(dòng)的配件變成固定式的，如果配件在傳感器的變形敏感區(qū)域，則傳感器的線性和遲滯性明顯變差。另一方面單從水或潮氣講，主要是腐蝕傳感器表面，使接觸點(diǎn)產(chǎn)生變化，特別是含有配件的產(chǎn)品，生銹后會(huì)使配件與傳感器“銹死”在一起，而影響精度。
    曾經(jīng)遇到過(guò)一個(gè)特殊案件：客戶在夏天6月左右安裝一臺(tái)80t的汽車衡，使用6只30t的橋式傳感器，現(xiàn)場(chǎng)在北方。由于在安裝過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)人員將傳感器中間部位的密封條刮破，并沒有作相應(yīng)的改善，標(biāo)定后交付使用。到11月份，用戶反映汽車衡數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，早晨測(cè)試的數(shù)據(jù)明顯低于中午測(cè)量的數(shù)據(jù)8～10t，開始懷疑傳感器的溫度補(bǔ)償出現(xiàn)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多次確認(rèn)分析沒有找到問(wèn)題所在。根據(jù)問(wèn)題出現(xiàn)在早上的條件，建議用戶用熱風(fēng)機(jī)給傳感器加熱，半小時(shí)后再次確認(rèn)問(wèn)題消失。后來(lái)發(fā)現(xiàn)密封條刮破的那只傳感器的變形間隙里面全是水，早晨是固態(tài)的冰，中午是水，也就是說(shuō)在早晨，變形間隙內(nèi)固態(tài)的冰阻止了傳感器受力后變形，而這只傳感器的輸出很小，影響輸出結(jié)果。
    針對(duì)灰塵的影響，有經(jīng)驗(yàn)的廠商會(huì)采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，如增加密封罩，表面涂適量的黃油等保護(hù)。
上述的影響因素，或多或少都會(huì)影響使用精度，在建造基礎(chǔ)和安裝過(guò)程中盡量避免，以保證長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性能。