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电子汽车衡传感器的分析与误差
电子汽车衡传感器的分析与误差
上海香川电子衡器有限公司
【摘 要】 电子圆柱、圆筒式称重传感器以其结构简单紧凑，体积小，量程大，重量轻；弹性元件与保护外壳的几何形状为简单的圆柱、圆筒形，容易加工出较高的尺寸和形位精度；弹性元件刚度大，固有频率高，动态响应快；加载承载边界可设计成双平面、一平面一球面、双球面多种结构形式等特点，在各种结构的大型电子衡器中得到较为广泛的应用。具有相同截面积的圆筒式与圆柱式弹性元件，对于纯轴向载荷的刚度相同，但圆筒式结构的弹性元件有更大的惯性矩，所以它具有更好的抗弯曲能力，多应用于大型电子吊钩秤。 从称重传感器弹性元件设计原则分析，尽管圆柱、圆筒式弹性元件具有十分突出的特点，但其固有线性差，容易产生旋转误差等缺点也是非常致命的。因此必须作好弹性元件、保护外壳、压头
底垫结构设计和非线性补偿，控制旋转误差，才能使其达到较高的准确度等级。圆柱、圆筒式称重
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（一）电子传感器产生非线性误差的主要因素是什么：
（1）材料性能影响。应力应变关系主要是弹性元件材料的误差，当应变程度较高时，其应力应变关系并非完全线性，且滞后、蠕变及弹性模量不是理想的常数，载荷增加时非线性也增加；
（2）面积效应影响。弹性元件承受拉向、压向载荷时，应变区截面积变化，导致P—σ关系的非线性；
（3）泊松比效应影响。即弹性元件轴向和环向应变相差较大，致使电桥内某一桥臂电阻的变化与相邻桥臂电阻的反向变化不匹配，所引起的电桥非线性误差；
（4）焊接密封膜片影响。主要是非线性的密封模片对载荷的分路作用，即当环境温度变化时，由于焊接膜片与外壳组成超静定结构，因变形不协调而产生内应力，外壳尺寸改变导致密封腔内气体压力变化，引起称重传感器温度漂移。
（5）圆柱、圆筒式弹性元件、引入载荷的压头、承受载荷的底垫机械加工的形位误差影响，
主要是同心度、对称度、平行度超差引起的各方位应变量不同；
（6）电阻应变计工作特性和弹性元件上电阻应变计的定位误差，引起的附加应变量。 从前，对圆柱、圆筒式称重传感器的非线性误差，多以理论分析为主，其结论大致相同：称重
传感器本身（包括弹性元件、电阻应变计、电桥电路）固有的非线性误差一般比较小，对准确度影响不大；弹性元件应变区的应变梯度和电阻应变计定位偏差对非线性影响甚大，减小此值可较大减少非线性误差；弹性元件、压头、底垫尺寸对应变区的应变梯度有影响，结构设计不合理将导致较大的非线性误差等等，没有跳出传统的理论分析模式。现代称重传感器结构设计与计算，应采用数学分析手段建立各项特性的数学模型，通过数学拟合公式对相关误差进行分析和推算，给非线性补偿技术奠定理论基础。为此必须掌握圆柱、圆筒式弹性元件结构特点，非理想加载（如偏心载荷、侧向载荷）、物理变量（如温度、压力、振动）对非线性的影响。本文通过建立数学模型和数学分析方法，对圆柱、圆筒式弹性元件应变区面积效应产生的误差，金属材料泊松比引起的电桥电路非线性误差，焊接密封膜片对载荷分路作用造成的非线性误差和电阻应变计定位偏差产生的旋转加荷误差进行分析。
（二）电子传感器焊接密封膜片引起的非线性误差
（1）圆柱、圆筒式结构的称重传感器，通过环形平膜片或波纹膜片与弹性元件和外壳焊接实施密封。其焊接密封的关键是即要保证密封，又要允许弹性元件与密封外壳之间有较小的相对运动，此问题处理不好将产生非线性误差。因此，必须对膜片的应用、性质和制造方法进行理论和应用研究。
（2）圆柱、圆筒式称重传感器的外壳材料必须与弹性元件材料具有相同的线膨胀系数或采用与弹性元件相同的材料，防止环境温度变化时，由于超静定结构变形不协调而产生内应力。因为外壳尺寸改变导致密封腔内气体压力变化，致使膜片承受的内外压力差改变，引起称重传感器的温度漂移。因此需要考虑温度补偿方法，主要是温度变化时，要求波纹膜片对内应力和外壳的内外压差有调节功能。
（3）波纹膜片是一种压有同心折皱的圆形薄板，为便于和弹性元件、密封外壳焊接在一起，在膜片中央和外圆周边须留下一光滑部分，并弯成h=2mm高的直角边，便于焊接密封，波纹膜片的结构
（4）波纹膜片作为一种密封膜，在称重传感器弹性元件产生位移（一般为0.2～0.5mm）时，其挠度可以补偿此位移，并基本保持固有的弹性性能。波纹膜片折皱的深度和形状，即膜片表面的波纹，可以设计成多种多样结构，有正弦波纹、圆形波纹、梯形波纹、锐角波纹等，
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