稱重傳感器結構與邊界設計原則

 稱重傳感器結構與邊界設計原則

    上述稱重傳感器定義的含義是假定在彈性元件的應變區(qū)內，應變程度與所施加載荷成線性關

系。換句話說，理想稱重傳感器的特點應當是應變和載荷成較嚴格的線性關系，達到此種目標正是

所有稱重傳感器彈性元件設計的中心所在。完成這一任務的困難在于結構設計與計算上和一些經濟

上的限制，只有遵循稱重傳感器研制、生產規(guī)律和彈性元件結構設計與邊界選擇原則，才能同時解

決上述限制，克服各種因素的綜合影響，生產出性能波動最小的稱重傳感器。歸納起來，稱重傳感

器結構與邊界的設計原則是：

    (1)彈性元件盡量設計成一個整體結構，因為連接件之間的摩擦和位移都可以引起非線性和

離散性。不允許采用焊接結構的彈性元件，由于殘余應力和焊接后效可能減少疲勞壽命，并助長微

塑性變形。

    (2)由于稱重傳感器的電路輸出取決于彈性元件應變區(qū)的應變程度，在整個電阻應變計敏感

柵區(qū)域內的應變程度應該是均勻的，所以要求彈性元件應變區(qū)受力單一，應力分布均勻。

    (3)彈性元件應變區(qū)的應變程度不應太高，應變區(qū)以外不得有最高應力分布區(qū)和應力集中點。

因為稱重傳感器的非線性、滯后、蠕變誤差和疲勞壽命等，都隨彈性元件應變區(qū)的應變程度高低而

變化，即隨應變程度變低減至最小而獲得改善。應變區(qū)較低的應力、應變意味著對理想線性彈性性

能的偏差最小，也意味著彈性元件有較大的剛度和較高的固有頻率。為滿足靈敏度2mV/V，一般

應變量控制在1 100×10-6左右。特別要處理好方框平行梁的根部和S形彈性元件輔助梁圓弧處的應

力集中。

    (4)彈性元件邊界條件是影響稱重傳感器性能的重要因素，支承區(qū)盡量形成剛性固定，安裝

力遠離應變區(qū)，必要時采用柔性隔離技術，克服支撐區(qū)附加力的影響。

    (5)彈性元件載荷引入方式是影響稱重傳感器性熊的連一個重要因素，加載、承載的壓頭、

壓墊設計，應使加載線與彈性元件中心線重合，保證加載點穩(wěn)定不變。

    (6)彈性元件的結構和外殼設計，應盡量消除或減少力學干擾因素（橫向載荷、彎矩、扭矩）

的影響，把性能波動減至最小。因為，彈性元件受到任何附加載荷的影響，必然伴隨出現(xiàn)一定程度

的非線性誤差。稱重傳感器抗側向和偏心載荷的能力強，不僅保證加載軸線對中好，而且有助于把

非線性誤差減至最小。

    (7)充分考慮電阻應變計粘貼的方便性和經濟性，要求彈性元件應變區(qū)貼片表面盡量為平面，

保證劃線精度和容易安裝加壓夾具。

    (8)彈性元件粘貼電阻應變計處，應便于防護、密封作業(yè)。采用焊接密封的稱重傳感器，要

求焊接膜片的結構、剛度及焊接坡口設計合理，不影響或少影響靈敏度，保證焊接密封質量。

    (9)應變利用系數(shù)C=￡Cp／￡m。。（電阻應變計測量的平均應變與最大應變之比）越大越好。例如

雙孔平行梁結構孔的尺寸越小，應變敏感元件的尺寸越大，C就越小，因此應盡量增大孔的直徑或

設計成扁圓孔。剪切式彈性元件由于拉、壓主應變相同且沿軸線不變化，C接近于1，是理想的彈

性元件結構。

    (10)在電子衡器和電子稱重系統(tǒng)中，稱重傳感器失效最常見的原因是過裁。若彈性元件結構

及附件條件允許，盡量采取過載保護措施，提高稱重傳感器工作的安全可靠性。

    (11)彈性元件與其邊界承載壓頭、底墊、安裝平臺的設計應統(tǒng)一考慮，進行技術密集型組合，

各部件結構形狀、制造材料、加工方法、熱處理工藝需要合理匹配。

    (12)連接、摩擦接觸、緊固或任何非整體狀態(tài)都成為潛在的問題，所以彈性元件、壓頭、壓

墊、外殼等設計應充分考慮散熱問題。即彈性元件應有足夠的熱轉換以防止電阻應變計自熱，如果

其溫度比彈性元件高，那怕只差0.1℃，就可能難以達到穩(wěn)定的性能。在電阻應變計和補償電阻面

積上的任何溫度梯度，都能引起零點溫度漂移或標定結果的變化。

    (13)在彈性元件結構及邊界設計的同時，應考慮制造工藝，特別是機械加工和熱處理工藝，

作到設計為可制造性服務。

    (14)在結構設計時，還應考慮稱重傳感器的可靠性。即明確稱重傳感器的可靠性設計，就是

考慮可靠性的稱重傳感器設計，不存在獨立于稱重傳感器設計之外的可靠性設計。