桥式传感器非线性和滞后性能控制

桥式称重传感器非线性和滞后性能控制戴超（中航电测仪器股份有限公司）摘要：应变式称重传感器是利用金属的电阻应变效应，将测量物重量传递给传感器体变形转换成电阻变化的传感器。被广泛应用于现代化的电子称量领域。但在制作中由于工艺原因，常常使其精度受到影响。非线性和滞后作为传感器的重要特性参数，本文通过对传感器非线性和滞后影响因素的分析，提出了影响桥式电阻应变式传感器的性能的几个方面。关键词：桥式传感器非线性滞后1、非线性和滞后的定义1、非线性和滞后的定义图1图2以图形1介绍线性和滞后：横轴为载荷量，纵轴为灵敏度输出量，从零到满量程逐级加载并读取相应的输出量，将这些点连成光滑曲线（如图1中实线），称之为加载曲线。利用直线插入法计算75%点的相应数据，以零点和75%点划一条直线，这条直线称为理论直线，加载曲线与理论直线的误差称之为非线性误差。从满量程到零逐级卸载，并读取相应输出量，将这些点连成光滑曲线（如图1中虚线），称之为卸载曲线，卸载曲线与加载曲线之间的误差称之为滞后误差⑴。2、桥式应变传感器的非线性和滞后，结合了弹性体材料，应变计，贴片，安装等诸多因素，本人就5年来从事传感器研究、生产中对传感器非线性和滞后认识如下：2・1影响非线性的因素分析2.1.1弹性体尺寸经典力学和有限元设计出来结构合理的桥式传感器有很好的非线性度，由于桥式传感器是通过测定正应变来测量载荷，若传感器弹性体加工结构尺寸与图纸尺寸有较大误差，会导致传感器受力方式改变，测量应力发生变化，造成传感器非线性度迅速下降，因此在制作传感器前应对弹性体结构尺寸进行严格检验，保证尺寸的正确。2.1.2、弹性体材料：弹性体材料要强度高、具有较高的弹性极限，以保证应变和载荷之间有良好的线性关系。2.1.3贴片的正确性：桥式称重传感器的四片电阻应变片分别粘贴在弹性体四个孔的中心处，其栅丝方向与轴线成45°或135°，在这个位置有最佳的非线性度，如果应变计位置没有贴在孔的中心，就会导致非线性度有别于设计时的误差：如图3和如图4黏贴应变计位置会造成传感非线性度变化；图3 图42.1.4传感器底座和预紧螺栓①传感器底座的结构变化也会引起传感器非线性的变化，最主要的是底座槽长度B和底梁厚度H的影响（如图5）:槽宽距离的变化，会使传感器非线性发生变化；底梁厚度决定底座的刚度性能，底梁刚度越好（变形量小）传感器的非线性（同时滞后）精度都会有相应的提高，因此传感器制作前因根据设计结构对底座进行试验，以确定底座的相应结构，确保产品非线性处于理想状态。②螺栓预紧力对桥式传感器非线性的影响：在1000N・M下对非线性误差较大，我公司生产的桥式传感器预紧力控制在1100-1300N•M非线性度0.015-0.03%FS，1500-1600N•M线性度0.01-0.025%FS，可见较大的预紧力对产品的非线性有一定的好处,但需要高强的的螺钉，因此需要平衡力矩和螺钉强度的矛盾。2.2影响滞后性能的因素分析2.2.1、弹性体材料：任何一种金属材料，受载后在微小晶粒之间产生微应变，在外力消失后，微应变随之消失，但是是否完全消失恢复到原始状态，不同的材料则有完全不一样的表现。在图1中，我们可以看到加载过程中的应变曲线（粗线）与卸载（虚线）过程中的应变曲线不重合，虚线与实线之差称为滞后，差值的大小主要取决于材料本身成分的稳定性、均匀性、热处理后的金相组织等。作为称重传感器的关键元件，弹性体对此要求则更为明显，可以通过不同的热处理方式提高弹性极限，以减少滞后。目前国内市场上常用的材料为40CrNiMoA，该种材料经过合理的热处理能取得理想的综合机械性能⑵。2・2・2、应变计：金属应变计的典型结构为敏感栅，基底，被覆层和引线组成。在传感器的应用中，通过敏感栅的电阻应变效应，将弹性体的应变转变为阻值变化，根据材料本身存在的迟滞性来看，应变计本身也存在迟滞性⑶。我公司生产的负滞后应变计具有滞后补偿功能，可以将传感器滞后影响量减到最小，但这种应变计成本较高，不适合大批量使用。2・2・3、接触部件的光洁度桥式称重传感器弹性体与底座的相对滑动所产生的摩擦力会导致弹性体贴片区加载和卸载过程中同一载荷下剪应力的变化［4］，造成传感器部分滞后。而产生摩擦力的主要的因素就是底座和弹性的表面光洁度所致。2・2・4、残余应力产生机械滞后的原因，还有就是敏感栅、基底和胶粘剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的，为了减小滞后，必须在贴应变片后，做三次以上的加卸载循环消除残余应力后在进行测试。3、桥式传感器制非线性和滞后性能控制在批量生产传感器过程中，由于生产批量的缘故，必须采取合理，快捷，且唯一的操作工艺，才能保证传感器质量，数量的要求。因此，各环节操作工艺必须有效，准确，快捷。因此在传感器制作过程中，必须控制住各个操作环节，采取固定的操作工艺，只有这样桥式传感器性能才能够真正的得以控制和提高。3.1、 桥式弹性体结构的设计3.1.1、 有很好的刚性，保证传感器工作状态保持稳定，减弱外界振动干扰的影响。3.1.2、 弹性元件有效工作区应具有最大应变值。保证弹性元件其他部位的变形较小。3.1.3、工作区的最佳额定应变值。选择工作区的最佳额定应变值可以有效提高产品性能，所以在保证输出信号足够大的情况下，选择较低的应力水平为佳。通常的应变值选择在600~2000听之间[5]3.2、弹性元件材料的选择：传感器弹性元件的材料应具有高强度、高弹性极限、其中40CrNiMoA和42CrMo良好的机械加工和热处理性能。同时原材料必须指定厂家统一采购，防止机加单位以次充好。由于批量生产，我们无法做到每个弹性体都做到100%检测，因此我们必须要把握原材料的质量。以确保传感器的非线性和滞后性能。3.3、机械加工控制：保证弹性体几何结构尺寸、加工精度，尽量减少关键尺寸的误差，特别是应变计工作的敏感区应有更为严格的求，这样才会有良好的应力应变线性关系。弹性元件在加工过程中与加工以后，必须按一定规范进行热处理及载荷处理以提高弹性极限、消除残余应力、减小材料本身的性能误差。3.4、贴片工艺的控制：根据产品设计要求，在应变孔内划出应变计粘贴基准线，以保使应变计上各定位点与弹性体上定位线重合，用中指或食指均匀挤压应变计，将多余胶液挤出，在挤胶过程中应注意,不得移动电阻应变片的位置和方向，编制统一的操作细节工艺，保证每一步操作都是固定的，唯一的。刷胶的角度、力度，大小，都应有明确的要求。让操作工做到一目了然，整齐划一。使每个传感器应变计下贴片胶层的薄厚均匀一致。应变计胶层的厚度直接影响传感器的性能，因此在刷贴片胶时应注意胶层的厚度应保持胶层的均匀性，使应变计完全很好的粘贴在弹性体上。3・5、底座：通过试验设计合理的底座，改变底座的尺寸，可以有效提高传感器的非线性，因此底座的槽宽和底梁就是关键尺寸，在机械加工中应重点关注；传感器与底座配合处的光洁度是影响滞后的重要因素，因此在传感器弹性体结构参数一定的前提下，应该通过选定弹性体及底座的材料和制造工艺，尽量减小弹性体与底座之间的摩擦系数，以减少传感器的滞后。3.6、预紧力和螺钉强度：通过试验确定合理的预紧力值和螺钉等级，可以适当的提高桥式传感器的非线性和滞后精度，在接触面一定的条件下，安装扭力越大，非线性和迟滞性越小（在螺钉强度内的合理扭矩）。3.7、应力释放：通过对传感器进行150%满量程载荷连续加载。能够释放传感器内部应力，及贴片加压时产生的应力，使传感器性能更稳定，可以减少测试过程的非线性和滞后误差。四、讨论与分析：通过对影响桥式传感器的非线性和滞后因素分析，我们在实际生产过程要严格按照要求进行工艺生产，注意传感器生产的关键环节，保证传感器最佳性能的同时可以通过对贴片位置、底座尺寸、应变计型号和安装扭矩等，对桥式传感器性能进行相应的调整，提高产品性能和产品的合格率。五、结束语：桥式传感器非线性和滞后性能基本上是由上述几个方面