孫小春 張樹進(jìn)

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，楊凌 712100；2.中航電測(cè)儀器股份有限公司研究開發(fā)二所，漢中 723007)

0 引言

隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和衡器事業(yè)的發(fā)展，對(duì)傳感器的要求越來越高，不僅需要滿足一些特殊領(lǐng)域的要求，而且精度也要求很高。但是目前傳感器的主流仍是以橋式、懸臂梁結(jié)構(gòu)為主，而這些傳感器大都采用灌膠、粘蓋板密封，防護(hù)性能不高(最高只能達(dá)到IP66)，也有采用焊接膜盒密封的，由于外殼參與應(yīng)變及焊接影響，靜態(tài)性能及溫度性能雖亦能達(dá)到OIML R60 C3要求(經(jīng)試驗(yàn)線性滯后最高達(dá)到0.03%FS)，但批量生產(chǎn)時(shí)，一些性能不能每只都進(jìn)行測(cè)試及進(jìn)行完整的補(bǔ)償[1]。

根據(jù)雙搖柱傳感器線性可調(diào)的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行全密封焊接，并進(jìn)行線性、溫度靈敏補(bǔ)償后，不僅防護(hù)等級(jí)很高(使用不銹鋼材料可達(dá)IP69)，而且性能經(jīng)補(bǔ)償完全可達(dá)到OIML R60 C3的要求，在結(jié)構(gòu)上該傳感器具有體積小、安裝方便等特點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了達(dá)到很好的密封性能，采用膜盒、外殼、接線盒與彈性體進(jìn)行焊接，可以采用氬弧焊接，也可采用激光焊接，但要確保焊接后的焊接密封質(zhì)量。為了補(bǔ)償傳感器的線性、溫度等性能的誤差，所以將補(bǔ)償位置留在接線盒內(nèi)，整個(gè)性能補(bǔ)償完成后，最后再焊接接線盒的蓋板，進(jìn)行最后的密封。

在提高防護(hù)等級(jí)，不僅進(jìn)行全密封焊接，而且應(yīng)保證選材具有很好的防腐能力。另外可在焊接密封的外殼內(nèi)的電路部分灌膠，或外殼內(nèi)部充滿惰性氣體，這樣可以提高傳感器的防護(hù)等級(jí)(最高可達(dá)IP68)。傳感器具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 彈性體設(shè)計(jì)

為了提高防腐性能，彈性體可選用不銹鋼材料，雙搖柱傳感器在使用時(shí)受力應(yīng)該通過中心，否則會(huì)產(chǎn)生彎矩或徑向力，影響傳感器性能，所以這種傳感器的彈性體上下采用球面，可以使傳感器在使用過程中，自動(dòng)恢復(fù)以調(diào)節(jié)平衡，使受力通過彈性體中心軸線，這樣在設(shè)計(jì)時(shí)一般使上下球面的半徑SR為總高度L的1/3～4/3。如果半徑SR設(shè)計(jì)太大，在傳感器使用后如果出現(xiàn)搖擺，就不會(huì)很好地自動(dòng)恢復(fù)到豎直狀態(tài)；相反，如果半徑SR設(shè)計(jì)太小，傳感器就會(huì)翻倒，也不會(huì)起到調(diào)節(jié)平衡的作用。

傳感器滿量程輸出靈敏度計(jì)算：

S=Kε

(1)

式中：K為應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)；ε為應(yīng)變。

ε=(軸向應(yīng)變+徑向應(yīng)變)/2

(2)

ε=[P/(A×E)+μP/(A×E)]/2

(3)

ε=(1+μ)×P/(2×A×E)

(4)

式中：μ為泊松比；P為滿量程力值；A為貼片截面積；E為彈性模量。

將式(3)代入式(1)得彈性體的貼片處截面積為：

A=(1+μ)×K×P/(2E×S)

(5)

由于傳感器存在溫度靈敏度補(bǔ)償、線性補(bǔ)償以及機(jī)械加工帶來的誤差，輸出靈敏度都會(huì)有變化，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮，一般設(shè)計(jì)應(yīng)變?chǔ)艖?yīng)為需要應(yīng)變?chǔ)诺?.3倍，在制作時(shí)對(duì)輸出靈敏度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

2 傳感器線性的補(bǔ)償

2.1 線性誤差原因

1)軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變不一致造成的誤差

傳感器采用惠斯通電橋，輸出靈敏度：

S=R3/(R3+R4)-R2/(R2+R1)

(6)

產(chǎn)生壓力時(shí)，軸向應(yīng)變計(jì)阻值變化：

R1=R3=R-Rδ

(7)

徑向應(yīng)變計(jì)阻值變化：

R2=R4=R+Rμδ

(8)

式中：δ為軸向橋臂電阻變化量；R為未受力時(shí)應(yīng)變計(jì)的電阻。

將式(7)、(8)代入式(6)得：

S=δ(μ+1)/[2+δ(μ-1)]

(9)

將δ=Kε代入式(9)得：

S=Kε(μ+1)/[2+Kε(μ-1)]

(10)

設(shè)：K=2.1,μ=3.3 ,代入式(10)得：

S=9.03ε/(2+4.83ε)

=4.5ε(1-2.4ε)/(1-5.8ε2)

(11)

省去ε高次項(xiàng)：

S=4.5ε(1-2.4ε)

(12)

由上式可以看出，只有ε相當(dāng)小的時(shí)候，線性誤差才小，但是為了保證傳感器的輸出靈敏度，ε又不能做得太小。因此，相對(duì)輸出與應(yīng)變是非線性關(guān)系，且曲線呈拋物線狀。

2)橫截面變化引起的線性誤差

柱式傳感器在受到壓力后，彈性體貼片處的截面積也會(huì)增加。

軸向應(yīng)變變化：

ε=P/[(ΔA+A0)E]

(13)

徑向應(yīng)變變化：

εr=με=μP/[(ΔA+A0)E]

(14)

式中：A0為未加力時(shí)的截面積；ΔA為加力時(shí)的截面積變化量。

在惠斯通電橋中，由軸向、徑向應(yīng)變的應(yīng)變計(jì)組成橋路，由于泊松比μ的影響，軸向、徑向應(yīng)變相差較大。由式(13)、(14)可以看出，當(dāng)力值P增加，截面積A增加，使得P與ε、εr不成比例關(guān)系，從而也就會(huì)產(chǎn)生較大的非線性誤差。

3)電阻應(yīng)變計(jì)線性誤差

理論上來說，彈性體的應(yīng)變值和應(yīng)變計(jì)的相對(duì)變化量呈線性，但在實(shí)際中，它不是完全呈線性的，只是在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)相對(duì)的呈線性關(guān)系，應(yīng)變計(jì)的相對(duì)變化量較大時(shí)，非線性關(guān)系也就明顯的表現(xiàn)出來，應(yīng)變量越大，非線性誤差也就越大[5]。由于柱式傳感器軸向應(yīng)變比徑向應(yīng)變大，為了保證輸出靈敏度，軸向應(yīng)變計(jì)應(yīng)變呈線性關(guān)系也越差，因此在設(shè)計(jì)柱式傳感器時(shí)，輸出靈敏度要比其他結(jié)構(gòu)的小，一般在1.0～1.5mV/V左右。

4)橫向載荷產(chǎn)生的線性誤差

在計(jì)算和實(shí)踐測(cè)試中都可以得出，如果加載方向偏斜3°，將有5%的力施加在橫向，即：

P1=Psin3°=0.05P

(15)

因此,該傳感器一般做成雙搖柱式，以便自動(dòng)調(diào)節(jié)使受力方向通過傳感器中心，從而盡量減小線性誤差。

5)其余原因帶來的線性誤差

由于彈性體原材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不一致和熱處理的不一致性都會(huì)帶來非線性的誤差。另外，焊接的膜盒也會(huì)帶來一定的非線性誤差。

2.2 線性補(bǔ)償

沒有進(jìn)行補(bǔ)償?shù)闹絺鞲衅?，線性為0.15%FS左右，而且成拋物線性規(guī)律，根據(jù)這一特點(diǎn)，在傳感器受力時(shí)，對(duì)其輸入電壓進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，電壓的改變彌補(bǔ)了由于傳感器本身的線性誤差，從而使輸出電壓與加載力呈線性關(guān)系[3]。

線性補(bǔ)償片的選用：我們一般用P型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)進(jìn)行線性補(bǔ)償，選用阻值計(jì)算為：

RL=D(R+Rs+Rm)/(K1×εL)

(16)

式中：D為非線性誤差；R為輸入阻抗(橋路阻抗)；Rm為溫度補(bǔ)償片阻值；Rs為降輸出電阻(根據(jù)輸出靈敏估算)；Kl為半導(dǎo)體靈敏度系數(shù)；εL為傳感器承載時(shí)貼半導(dǎo)體處的應(yīng)變。

根據(jù)上式可以看出，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)貼在應(yīng)變最大處，阻值才能較小，在選用時(shí)，還要并聯(lián)電阻進(jìn)行精調(diào)[2，4]，一般阻值選用實(shí)際計(jì)算值的1.5倍左右。

在彈性體的應(yīng)變區(qū)，沿軸向方向粘貼兩枚P型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)，將其分別串聯(lián)在電壓輸入的兩端(即Rs)，如圖2所示。

圖2 電原理圖

當(dāng)傳感器受壓向力時(shí)，半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)受到壓力的作用，電阻值減小。由于供電電壓恒定不變，根據(jù)分壓原理，半導(dǎo)體阻值越小，實(shí)際橋路中的供電電壓越大，而且成遞增趨勢(shì)，而傳感器線性誤差呈遞減趨勢(shì)，使輸出的電壓近似呈直線。實(shí)際橋路中的電壓U1與供電電壓U的關(guān)系為：

U1=U×R/(RL總+R)

(17)

式中：RL總為半導(dǎo)體與電阻總阻值；R為橋臂電阻。

為了得到更高精度，一般在半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)上分別并聯(lián)電阻rl/2，通過調(diào)整電阻阻值的大小，對(duì)線性進(jìn)行更精確的調(diào)整：

RL總=(RL+rl)/(RL×rl)

(18)

U1=U×R/[(RL+rl)/(RL×rl)+R]

(19)

通過調(diào)整r的大小來調(diào)整線性，直至線性滿足OIML R60 C3的要求。

3 傳感器其余性能補(bǔ)償

3.1 零點(diǎn)溫度性能補(bǔ)償

傳感器零點(diǎn)輸出隨溫度變化而變化，這是由于電阻應(yīng)變計(jì)或其余材料隨溫度變化，引起橋路中橋臂阻抗變化，從而引起輸出電壓的變化。根據(jù)這一特點(diǎn)，在橋路部分r1、r2處加入隨溫度變化阻抗變化較大的康銅電阻，會(huì)抵消橋臂隨溫度變化的阻抗變化。

3.2 溫度靈敏度補(bǔ)償

對(duì)于傳感器來說，由于彈性體材料、應(yīng)變計(jì)等原材料隨溫度的變化，會(huì)影響傳感器加載輸出值的變化，加載相同的情況下，傳感器在各個(gè)不同的溫度，會(huì)有不同的輸出。對(duì)于該特點(diǎn)，選用鎳片應(yīng)變計(jì)進(jìn)行溫度靈敏補(bǔ)償。補(bǔ)償原理是根據(jù)鎳片隨溫度變化阻值也發(fā)生變化，從而對(duì)其輸入電壓進(jìn)行調(diào)整。

溫度鎳片應(yīng)變計(jì)Rm的選用：

Rm=(S1-S2)×Rin/ [(1+Ac(T1-T2)×S1-S2]

(20)

式中：S1、S2為在溫度T1、T2時(shí)傳感器的輸出靈敏度；Ac為補(bǔ)償片的溫度系數(shù)。

S1、S2的確定一般根據(jù)測(cè)試取得，一般取值為計(jì)算值的1.5倍。設(shè)電阻值為rm，并聯(lián)后雙邊總阻值為：

RM總=(rm+Rm)/(rm×Rm)

(21)

rm=Rm/(RM總+Rm-1)

(22)

為了使溫度靈敏度性能達(dá)到OIML R60 C3的要求，就必須對(duì)電阻rm進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行阻值調(diào)整，直至滿足要求。

4 補(bǔ)償后相互影響

該傳感器補(bǔ)償?shù)男阅苡校河冒雽?dǎo)體補(bǔ)償線性，用鎳片補(bǔ)償溫度靈敏度，采用電阻Rs進(jìn)行輸出靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化：

Rs=(S1/S2-1)(R+RM總+RL總)

(23)

式中：S1為標(biāo)準(zhǔn)化后的輸出靈敏度；S2為標(biāo)準(zhǔn)化前的輸出靈敏度；R為未進(jìn)行輸出靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化的輸入阻抗。

通過電路和式(23)，可以看出，線性調(diào)整(RL,rl)、溫度靈敏度補(bǔ)償(RM,rm)、輸出靈敏度標(biāo)準(zhǔn)化電阻RS，都串聯(lián)在輸入電壓的電路中，都起著降低電壓的作用，但溫度變化會(huì)引起RM阻值變化，加載不同的重量，RL就會(huì)有不同的阻值，都會(huì)使標(biāo)準(zhǔn)化電阻Rs不確定，根據(jù)橋路與這三種電阻的分壓原理，溫度靈敏度、線性及輸出標(biāo)準(zhǔn)化性能互相影響。因此在實(shí)際補(bǔ)償中，可采用以下步驟：1)可以先預(yù)加標(biāo)準(zhǔn)化電阻RS后調(diào)節(jié)線性電阻rl；2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)出未進(jìn)行補(bǔ)償傳感器的溫度靈敏度系數(shù)與使用鎳片溫度系數(shù)，可以確定輸出標(biāo)準(zhǔn)化Rs與鎳片并聯(lián)電阻rm的關(guān)系，即可確定三種補(bǔ)償電阻阻值。

另外，可在輸入端并聯(lián)電阻RZ，使輸入阻抗標(biāo)準(zhǔn)化。還應(yīng)該制定合理科學(xué)的工藝，才能保證傳感器的性能。

5 結(jié)束語

隨著衡器事業(yè)的發(fā)展，對(duì)傳感器也提出了更高的要求。高精度全密封焊接、雙搖柱式傳感器，其線性性能的可補(bǔ)償性，保證其具有較高的精度和穩(wěn)定性。溫度靈敏度也可進(jìn)行補(bǔ)償，所以其精度完全可達(dá)到OIML R60 C3的要求。防護(hù)等級(jí)最高可達(dá)IP69，完全可以滿足一些特殊領(lǐng)域的要求，因此該傳感器的生產(chǎn)必將受到國內(nèi)外用戶的青睞。

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