稱重傳感器在大多數(shù)稱量實(shí)踐中，總是伴隨出現(xiàn)橫向力力矩的干擾， 而產(chǎn)生橫向靈敏度。本文分析了引起橫向靈敏度的諸因素及其對(duì)稱量結(jié)果的影響。指出橫向 靈敏度的大小取決于彈性元件的結(jié)構(gòu)形狀，壓頭、底墊、安裝平臺(tái)等附件的性能，若有5%的 橫向力存在，會(huì)在高準(zhǔn)確度稱重傳感器中出現(xiàn)滿量程±0.1%的偏差；在普通準(zhǔn)確度稱重傳感 器中出現(xiàn)±0.6%的偏羞并以圓柱式稱重傳感器為例，介紹了利用單層或雙層環(huán)形膜片與彈 性元件和外殼焊接，補(bǔ)償橫向力和彎曲力矩的原理和工藝方法，給出了圓形膜片的撓度和應(yīng) 力計(jì)算公式。

一、概述

稱重傳感器在組裝電子秤的應(yīng)用過(guò)程中，總 稱量軸向載荷時(shí)同時(shí)出現(xiàn)橫向力力矩、電阻應(yīng) 是伴隨出現(xiàn)橫向力力矩的干擾因素，諸如稱 變計(jì)及補(bǔ)償電阻的靈敏系數(shù)有1%~2%的公差以及電阻應(yīng)變計(jì)粘貼位置不準(zhǔn)確產(chǎn)生的定位誤差等， 這些因素使橫向力在彈性元件應(yīng)變區(qū)的軸向?qū)ΨQ 點(diǎn)，引起彎曲變形的代數(shù)和不等于零，而生產(chǎn)橫 向靈敏度，這將嚴(yán)重影響稱重傳感器的稱量結(jié)果。 橫向靈敏度的大小取決于稱重傳感器彈性元件的 結(jié)構(gòu)形狀，壓頭、底墊、安裝平臺(tái)等附件的性能。 因此，在稱重傳感器設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須將彈性元 件結(jié)構(gòu)、保護(hù)外殼、引入載荷的壓頭、承受載荷 的底墊和安裝平臺(tái)進(jìn)行技術(shù)密集型組合，研究各 部件的結(jié)構(gòu)形狀、制造材料、加工方法、熱處理 工藝等對(duì)引入載荷的影響以及它們之間的匹配關(guān) 系，才能從源頭上減少橫向力的影響，使得稱重 傳感器的準(zhǔn)確度和其他性能充分發(fā)揮出來(lái)，保證 電子稱重系統(tǒng)的稱量準(zhǔn)確度。

二、橫向靈敏度

現(xiàn)以圓柱式稱重傳感器為例說(shuō)明橫向靈敏度 影響。稱重傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論計(jì)算是基于 外載荷作用線與彈性元件加荷軸線一致的前提， 且載荷是均勻的沿著軸線傳遞。事實(shí)上，稱重傳 感器所承受的載荷，即不同軸也不均勻傳遞，因 此會(huì)產(chǎn)生干擾影響。橫向力在圓柱式彈性元件上 將產(chǎn)生一個(gè)彎曲力矩，使稱重傳感器的橫向靈敏 度不為零。按理這個(gè)彎曲力矩應(yīng)由粘貼在彈性元件 上的電阻應(yīng)變計(jì)對(duì)稱分布而加以補(bǔ)償，但是在制造 工藝中很難做到。實(shí)踐表明若有5%的橫向力存在， 會(huì)在高準(zhǔn)確度稱重傳感器中出現(xiàn)滿量程± 0.1%的偏 差，在普通準(zhǔn)確度稱重傳感器中出現(xiàn)±0.6%的偏 差。對(duì)橫向力的敏感，主要應(yīng)歸因于電阻應(yīng)變計(jì) 在圓柱式彈性元件應(yīng)變區(qū)內(nèi)，彼此相對(duì)的粘貼位 置并不能提供完全的補(bǔ)償，因?yàn)殡娮钁?yīng)變計(jì)靈敏 系數(shù)有小的分散，并且在彈性元件應(yīng)變區(qū)的粘貼 位置和方向都有小的定位誤差。進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ) 償和零點(diǎn)輸出調(diào)整的電阻在較小的范圍內(nèi)，也是 對(duì)橫向力敏感的因素，因?yàn)檫@些補(bǔ)償電阻與橋臂 電阻應(yīng)變計(jì)串聯(lián)，降低了每個(gè)橋臂的有效靈敏度。 生產(chǎn)實(shí)踐表明，在彈性元件應(yīng)變區(qū)粘貼電阻應(yīng)變 計(jì)過(guò)程中，即使非常小心，也必定產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角 和平移等定位誤差。若電阻應(yīng)變計(jì)在圓周方向產(chǎn) 生a =5。的位置偏差，其相對(duì)于軸線的角位移P 就可達(dá)到1.5。。要想使圓周方向的位置偏差a 只引起不超過(guò)滿量程0.1%的誤差，那么a必須小 于1。對(duì)于直徑為36mm (20i、58mm (50>和 80mm (100i的圓柱式彈性元件而言，這就意味 著粘貼電阻應(yīng)變計(jì)沿圓周的位置誤差小于0.02mm, 顯然這是非?？量痰囊?，很難滿足。荷蘭TN0 機(jī)械院的試驗(yàn)表明，電阻應(yīng)變計(jì)沿圓周方向粘貼 位置偏差引起相對(duì)于軸線的角位移p=1°時(shí)，將產(chǎn) 生滿量程0.01%左右的誤差。

綜上所述，若使稱重傳感器不產(chǎn)生橫向靈敏 度，即完全對(duì)橫向力不敏感是很困難的，所以他 們提出了三種將橫向靈敏度限制到最小的方法：

1.測(cè)量出每個(gè)稱重傳感器對(duì)橫向力不敏感的 方向，并在使用過(guò)程中將估計(jì)的橫向力方向同此 不敏感方向一致。

2.將稱重傳感器安裝在一個(gè)靜壓軸承內(nèi)，這 樣便無(wú)橫向力可傳遞。

3.減小某一片或幾片電阻應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)， 直到對(duì)橫向力的敏感完全消除為止。此工藝方法 是在該電阻應(yīng)變計(jì)上串聯(lián)一個(gè)電阻，再在串聯(lián)電 阻上并聯(lián)一個(gè)電阻進(jìn)行精確調(diào)整實(shí)現(xiàn)的。

上述方法，理論上可行但實(shí)際應(yīng)用較困難。 因此，必須對(duì)橫向力敏感的稱重傳感器進(jìn)行橫向 力補(bǔ)償。

三、橫向力補(bǔ)償

稱重傳感器在大多數(shù)稱量實(shí)踐中，總是伴隨 出現(xiàn)橫向力力矩的干擾，例如稱重傳感器安 裝不正確；承載器結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮；稱量軸向載 荷時(shí)同時(shí)出現(xiàn)橫向力力矩；電阻應(yīng)變計(jì)及補(bǔ)償 電阻的靈敏系數(shù)有1% ~2%的公差；電阻應(yīng)變計(jì)粘 貼位置不準(zhǔn)確產(chǎn)生的定位誤差等。試驗(yàn)測(cè)量得出， 稱重傳感器軸向加載方向偏斜3°,相當(dāng)于作用5% 的橫向力，稱重傳感器輸出將出現(xiàn)0.2%—0.3%的 誤差?，F(xiàn)以一圓柱式彈性元件為例，其總高度為 4.5d (d為彈性元件直徑，電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在距 離底面1.5d處，若有所稱量載荷10%的橫向力作 用在彈性元件上（一般高準(zhǔn)確度稱重傳感器要求 能承受 10%的橫向力）,相當(dāng)于軸向加載方向偏斜 5.8°,那么在應(yīng)變區(qū)即電阻應(yīng)變計(jì)粘貼處，將引起 23%的附加應(yīng)變。 若電阻應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)公差為 2% ,則對(duì)稱重傳感器有可能引起最大為0.36%的附加誤差。這是相當(dāng)可觀的，當(dāng)然此誤差系按統(tǒng) 計(jì)規(guī)律出現(xiàn)，這里僅談及極限情況，目的是說(shuō)明 橫向力補(bǔ)償?shù)谋匾浴?/span>

為了減少橫向力的影響，在稱重傳感器結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)時(shí)，必須將彈性元件結(jié)構(gòu)、保護(hù)外殼、引入 載荷的壓頭，承受載荷的底墊和安裝平臺(tái)進(jìn)行技 術(shù)密集型組合，研究各部件的結(jié)構(gòu)形狀、制造材 料、加工方法、熱處理工藝等對(duì)引入載荷的影響 以及它們之間的匹配關(guān)系。盡量選擇無(wú)摩擦設(shè)計(jì)， 采用點(diǎn)接觸、線接觸方式引入和傳遞載荷。例如 采用鋼球、雙球面搖柱、鏈環(huán)、馬鞍環(huán)引入載荷， 因?yàn)殇撉蚝碗p球面搖柱只感受軸向載荷不傳遞橫 向載荷和力矩，且具有自動(dòng)定心功能。當(dāng)然，最 重要的還是對(duì)稱重傳感器進(jìn)行橫向力補(bǔ)償。圓柱 式稱重傳感器的橫向力補(bǔ)償主要有三種方法：

1.在稱重傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，采用雙球面結(jié)構(gòu)的 彈性元件，引入載荷的上球面和傳遞載荷的下球 面均為無(wú)摩擦設(shè)計(jì)，且具有自動(dòng)定心功能。

2.采用在彈性元件應(yīng)變區(qū)沿圓周對(duì)稱粘貼8 片電阻應(yīng)變計(jì)的方案，將處于對(duì)稱位置的兩片電 阻應(yīng)變計(jì)互相串聯(lián)焊接于電橋的同一個(gè)橋臂中， 使得由彎曲所引起的附加應(yīng)變相互抵消，而達(dá)到 橫向力補(bǔ)償?shù)哪康摹?/span>

3.利用膜片和外殼補(bǔ)償橫向力。即在圓柱式 彈性元件上端與外殼之間焊接單層或雙層環(huán)形膜 片，稱重傳感器的橫向力經(jīng)過(guò)膜片傳遞給剛度甚 大的外殼和底座，達(dá)到平衡橫向力的目的。很明 顯對(duì)膜片的要求是在橫向應(yīng)有很大的剛度，而在 軸向非常柔軟只有較小的剛度，對(duì)稱重傳感器的 輸出靈敏度影響小，不破壞軸向變形與所稱量載 荷的線性關(guān)系。

四、橫向力補(bǔ)償工藝要點(diǎn)

圓柱式稱重傳感器的環(huán)形平膜片或波紋膜片 與彈性元件和外殼焊接后，不僅補(bǔ)償橫向力影響 而且還起防護(hù)密封作用。其關(guān)鍵問(wèn)題是補(bǔ)償橫向 力和防護(hù)密封，都要求彈性元件與密封外殼之間 有較小的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此問(wèn)題處理不好將產(chǎn)生非線 性誤差。因此，必須對(duì)膜片的應(yīng)用、性質(zhì)和制造 方法進(jìn)行理論和應(yīng)用研究。

由于橫向力補(bǔ)償膜片與彈性元件和外殼焊接后，組成了超靜定結(jié)構(gòu)，如果三者之間變形不協(xié) 調(diào)將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)導(dǎo)致密封腔內(nèi)氣體壓力變 化，引起稱重傳感器溫度漂移。因此要求圓柱式 稱重傳感器的外殼材料盡量與彈性元件材料具有 相同的線膨脹系數(shù)，防止環(huán)境溫度變化時(shí)，由于 超靜定結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生附加誤差。因此需 要考慮溫度補(bǔ)償方法，主要是溫度變化時(shí)，要求 彈性膜片對(duì)內(nèi)應(yīng)力和外殼的內(nèi)外壓差有調(diào)節(jié)功能。

膜片是一個(gè)平面形狀或壓有同心折皺形狀的 圓形薄板，為便于和彈性元件、外殼焊接在一起， 在膜片中央和外圓周邊須留下一光滑部分，并彎 成2mm高的直角邊，便于焊接作業(yè)。

設(shè)平面膜片與外殼焊接處的外徑為2a,與彈 性元件焊接處的內(nèi)徑為2b,厚度為h。根據(jù)板殼 理論膜片的最大軸向變形Fmx可由下式計(jì)算：

稱重傳感器焊接橫向力補(bǔ)償膜片后，它所消 耗的載荷與所測(cè)量載荷之比，即為稱重傳感器靈 敏度S的降低值，此值一般應(yīng)小于額定輸出值的5%。

稱重傳感器彈性元件與外殼之間焊接單層膜 片，只能補(bǔ)償橫向力，而不能補(bǔ)償彎曲力矩，此 時(shí)需要將電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性元件彎曲力矩為 零的截面上，以消除或減少?gòu)澢氐挠绊?。?/span> 學(xué)分析得出，在圓柱式彈性元件高度L方向，距 離底面L/3處為彎曲力矩為零的截面，在此截面粘 貼電阻應(yīng)變計(jì)，即使是單層膜片也能取得較好的 彎曲力矩補(bǔ)償效果。釆用雙層膜片補(bǔ)償工藝，其 優(yōu)點(diǎn)是即可以補(bǔ)償橫向力同時(shí)又能消除彎曲力矩 影響，缺點(diǎn)是必須增加彈性元件高度和外殼厚度, 因而使稱重傳感器的縱向尺寸和整體重量增加較 大，對(duì)輸出靈敏度的影響也增加一倍。

檢查稱重傳感器橫向力補(bǔ)償效果的方法，是 使稱重傳感器傾斜的安裝于力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上，此傾斜 角的正弦即為橫向力的百分比。一般多將一塊角 度p=1°_2°的斜塊，以底面為基礎(chǔ)安裝在力標(biāo)準(zhǔn) 機(jī)的下承載面上，被測(cè)量的稱重傳感器安裝在斜 塊與力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)上壓頭之間并對(duì)中準(zhǔn)確。試驗(yàn)時(shí)對(duì) 稱重傳感器施加額定載荷，測(cè)量其輸出值，然后 使稱重傳感器繞中心軸旋轉(zhuǎn)90。、180。、270。,并 分別測(cè)量出其輸出值，即可看出橫向力補(bǔ)償效果。

還應(yīng)當(dāng)指出，膜片與彈性元件、膜片與外殼焊 接工藝至關(guān)重要，焊接不良不但較大降低稱重傳感 器的靈敏度，而且還會(huì)增大滯后和重復(fù)性誤差。因 此，對(duì)焊接技術(shù)和焊接工藝裝備有如下要求：

1焊接時(shí)的熱影響區(qū)盡量小，這就要求在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)焊縫盡量遠(yuǎn)離電阻應(yīng)變計(jì)粘貼位置； Q焊縫應(yīng)均勻、整齊、美觀、可靠，盡量不 使膜片變形，因此要求焊接膜片設(shè)計(jì)成波紋平膜 片、杯形膜片，以減少焊接變形，降低殘余應(yīng)力 對(duì)靈敏度的影響；

0彈性元件的坡口和焊接膜片尖角應(yīng)符合焊 接工藝要求，焊縫位置開(kāi)敞易于焊接作業(yè)，以保 證焊縫質(zhì)量；

4.工藝簡(jiǎn)單，焊接效率高。

高準(zhǔn)確度稱重傳感器的橫向力補(bǔ)償膜片，多 釆用電子束焊接和激光焊接。其共同特點(diǎn)是不接 觸焊接，電子束焊接在102pa_103pa壓力真空腔內(nèi) 進(jìn)行，激光焊也可在透明真空罩內(nèi)進(jìn)行，不受各 種污染物影響；焊接時(shí)能量快速高度集中，熱影 響區(qū)小，被焊件不變形；沒(méi)有焊渣，也不需要清 除氧化膜。