称重传感器的发展研究及误差浅析

1 称重传感器的发展

1938年美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons（西蒙斯）和麻省理工学院教授A.Ruge（鲁奇）分别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，以他们名字的字头和各有二位助手命名为SR-4型，由美国BLH公司专利生产。为研制应变式负荷传感器奠定了理论和物质基础。1940年美国BLH公司和Revere公司总工程师A.Thurston（瑟斯顿）利用SR-4型电阻应变计研制出圆柱结构的应变式负荷传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式负荷传感器的创始者。1942年在美国应变式负荷传感器已经大量生产，至今已有60多年的历史。

经历了20世纪70年代的切应力负荷传感器和铝合金小量程负荷传感器两大技术突破；80年代称重传感器与测力传感器彻底分离，制定R60国际建议和研发出数字式智能称重传感器两项重大变革；90年代在结构设计和制造工艺中不断纳入高新技术迎接新挑战，加速了称重传感器技术的发展。1973年美国学者霍格斯特姆为克服正应力负荷传感器的固有缺点，提出不利用正应力，而利用与弯矩无关的切应力设计负荷传感器的理论，并设计出圆截工字形截面悬臂剪切梁型负荷传感器。打破了正应力负荷传感器的一统天下，形成了新的发展潮流。这是负荷传感器结构设计的重大突破。1974年前后美国学者斯坦因和德国学者埃多姆分别提出建立弹性体较为复杂的力学模型，利用有限单元计算方法，分析弹性体的强度、刚度，应力场和位移场，求得最佳化设计。为利用现代分析手段和计算方法设计与计算负荷传感器开辟了新途径。

2 称重传感器的技术创新

20世纪70年代初中期，美、日等国的衡器制造公司开始研发商业用电子计价秤，急需小量程负荷传感器。传统的正应力和新研制的切应力负荷传感器都不能实现几千克至几十千克量程范围内的测量。美国学者查特斯提出用低弹性模量的铝合金做弹性体，采用多梁结构解决灵敏度和刚度这对矛盾。设计出小量程铝合金平行梁型负荷传感器，同时指出平行梁负荷传感器是基于不变弯矩原理，使利用平行梁表面弯曲应力的正应力结构，具有切应力负荷传感器的特点，为平行梁结构负荷传感器的设计与计算奠定了理论基础，形成了又一个发展潮流。蠕变是电阻应变计和铝合金负荷传感器经常遇到和必需解决的关键问题。1978年前苏联学者科洛考娃通过对一维力学模型和应变传递系数的分析，提出控制电阻应变计敏感栅的栅头宽度与栅丝宽度的比例，可以制造出不同蠕变值电阻应变计的理论，并成功地研制出系列蠕变补偿电阻应变计。对低容量铝合金负荷传感器减小蠕变误差，提高准确度起到了至关重要的作用，使电子计价秤用铝合金负荷传感器多品种、大批量生产成为可能。

随着数字技术和信息技术的发展，各行业对数字化电子衡器的需求愈来愈多，提出用数字称重系统突破模拟称重系统局限性的要求，对此模拟式称重传感器就无能为力了。因为在此之前，称重传感器的研究都集中在硬件方面，例如：创新弹性体结构，改进制造工艺，完善电路补偿与调整等。模拟式称重传感器的输出信号小，抗干扰能力差，传输距离短，称重显示控制仪表复杂，组秤调试周期长等缺点依然如故。为满足数字化电子衡器的需求，美国TOLEDO、STS和CARDINAL公司，德国HBM公司等先后研制出整体型和分离型数字式智能称重传感器，并以其输出信号大，抗干扰能力强，信号传输距离远，易实现智能控制等特点，成为数字化电子衡器和自动称重计量与控制系统的必选产品，形成一个开发热点。

3 柱式称重传感器的误差来源

一个泊松电桥是固有的非线性电桥。对于一个灵敏度为2.0mV/V的称重传感器，这种固有的非线性大约为0.10%。电桥的非线性可以被另一个非线性部分所抵消一些。引起另一个非线性的原因是由于泊松比使得柱式弹性体横截面面积增加或减少。例如，当称重传感器承受压向载荷时，横截面面积增加，使压缩应力减小；当承受拉向载荷时，就是相反的情况。对于一个灵敏度为2.0mV/V的称重传感器，由于截面积变化引起的非线性误差大约为0.05%，所以总的非性误差为0.10%～0.05%或者小于0.05%。这是非常小的通常可以忽略不计，但是在称重传感器检测数椐中，这是应该被检测的误差。精密的商用称重传感器应利用附加的半导体应变计，此半导体应变计被粘贴在弹性体上，并串联在电桥电路的供桥端来补偿非线性，产生此类误差主要有两个原因：

（1） 弯曲应力是误差的来源之一，必须使之最小化。理论上，当应变计粘贴连线时（如测量拉伸与压缩应力），弯曲应力被消除。因为并不存在准确完美的贴片，建议采取其他方法使得弯曲应力产生的误差尽可能接近于零。在圆柱上弯曲力矩的方向通常是可以确定的，应变计应粘贴在圆柱弯曲力矩最小处，且在中轴线上，那里的弯曲应力理论上为零。

（2） 如果圆柱大且应变计在同一个平面间隔90°粘贴，圆柱周围的任何温度变化都会导致信号漂移。所以电桥相邻两臂的应变计应尽量靠近粘贴，从而减少温度误差，这也是利用90°应变的原因之一。

4 总 结

本文介绍了称重传感器的发展史和误差来源，对传感器的不同阶段的发展方向进行了研究和分析，对柱式称重传感器的误差来源进行了分析，考虑到实际应用，还有很多不完善的地方，敬请各位批评指正。