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浅析影响称重传感器迟滞性的因素 传感器技术指标

时间：2020-07-30    来源：仪多多仪器网    作者：仪多多商城     
摘要：作为传感器的重要特性参数之一，迟滞性误差的改善直接影响传感器的整体误差，要想能够准确控制必须先了解哪些因素起到了影响作用。
关键词：传感器 迟滞性 因素 控制

一、迟滞性的定义

灵敏度

以上面的图形为模型介绍迟滞性的定义：横轴为载荷，纵轴为灵敏度输出，在测试传感器的特性时一般将额定载荷等分成五份，从0到100％逐级加载并读取相应的输出值，将五个读数点连成光滑曲线，这条曲线如图中粗实线，称之为加载曲线，也叫进程曲线。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，图中点线，这条直线称为理想直线，加载曲线与理想直线的误差称之为非线性误差。从100％到0分五等份逐级减载，并读取相应数据，将这五组数据连成光滑曲线，如图中粗虚线，称之为减载曲线，也叫回程曲线，减载曲线与加载曲线之间的误差称之为迟滞性误差。

迟滞性误差反映的是传感器精度的主要指标之一，误差的大小直接影响计量精度，所以在传感器的生产过程中必须严格控制影响迟滞性的各种因素。同时也要保证在安装传感器的不同条件下尽量避免影响迟滞性的因素存在。

以下详细介绍影响迟滞性的部分因素。

二、影响迟滞性的因素分析

1、原材料

弹性体：任何一种金属材料，因为其内部的组织结构关系的复杂性，受到外力加压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ε1与卸载过程中的应变曲线ε2不重合，其差值△=ε2-ε1称之为迟滞性，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，以减少迟滞性。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。

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。目前世界上著名的应变计厂在制造应变计时充分考虑了迟滞性的自补偿，使其在传感器的应用中的影响量减到最小。所以在选择应变计时要考虑到这种因素。

密封胶：在传感器的生产过程中要使用大量的密封胶，主要作用为固定线路和密封。从表面上看，一般在胶固化后是比较软的，相对弹性体的强度几乎可以忽略不记。但是对小量程产品，必须要加以考虑。小量程的产品，变形区相对薄弱，密封胶厚度的影响程度明显增加。

图2所示为胶层厚度一定时，迟滞性与量程的变化关系。函数关系近似为：

Y=K*e-Xa

式中：Y——传感器的迟滞性
K——密封胶完全固化后的迟滞性
Xa——传感器的额定载荷

图3所示为量程一定时，迟滞性与胶层厚度的变化关系。函数关系近似为：

Y=K*（1-e-Xb）

式中：Y——传感器的迟滞性
K——密封胶的完全固化后的迟滞性
Xb——密封胶的厚度


图2 图3

不同品质的胶也有不同的表现，如果胶的硬度随着时间的增加胶层的硬度也发生变化，则产品的迟滞性也会随之变化。所以在选用密封胶时一定选择固化后胶质稳定的胶。

2、安装条件

所谓的安装条件，一方面是指称重传感器在安装特殊配件（如桥式传感器的底座）的边界条件。这种边界条件的影响，在《衡器》杂志上有详细的分析说明，如表面状况，安装扭力等是最大的影响因素，在这里不作特别说明。另一方面是指称重传感器在使用现场的安装条件，根据与不同应用的客户研究分析，发现下列情况影响传感器或者说是整机的迟滞性，如表面状况、接触面积、安装扭力、螺栓强度、承载面硬度等均会影响。这些影响因素有时会被误诊为传感器的品质不良。

表面状况：是指秤台与传感器的接触面的质量，如粗糙度，平行度等。表面过于粗糙，在长时间使用时会使紧固螺栓松动并影响性能。如果平行度偏大，加载后会使传感器产生不必要的分力，直接影响产品精度，同时也无法体现传感器的真实精度。有的企业为了降低成本直接将一定厚度的钢板裁成合适的尺寸焊接到秤台上，不经过任何加工处理，使用初期不会有问题，随着时间的延长精度会越来越差。

接触面积：是指传感器与秤台固定的接触面积。如图4所示，(a)接触面过小，(b)接触面过大。不同公司的产品，由于结构和工艺的不同，接触面的大小也是有些差别，所以在传感器的生产过程中必须加以确定，并同时在传感器的安装使用说明书中详细定义，以保证客户能按照较佳条件安装使用。可以参考威世特迪亚的3410产品，将安装控制线标到传感器上，如图4(c)所示。


图4

安装扭力：在《衡器》杂志上曾经介绍过桥式传感器的安装扭力与迟滞性的关系，在接触面一定的条件下，安装扭力越大，迟滞性越小。同样的道理，如果将传感器安装在不同的设备上，安装扭力的大小也直接影响产品的真实精度。传感器按照不同受力结构分为单点式，悬臂梁式，桥式，“S”式，轮辐式，柱式等六大类。安装扭力的影响规律对不同结构的产品是不一样的。例如悬臂梁传感器，安装扭力在100Nm时，能得到较佳的迟滞性。扭力过大或过小，迟滞性都会变差（不同公司的产品安装扭力较佳值会不一样，必须经过实验才能确定）。轮辐式传感器的迟滞性对安装扭力更为敏感，所以在使用时一定要依照生产厂商的安装使用说明书进行安装，以保证产品质量。

螺栓强度：螺栓的强度影响与安装扭力是一样的，如果强度不足，在产品安装使用一段时间之后，锁紧力则会变松，进而影响精度。

安装面硬度：以悬臂梁传感器来说明，因其固定端的接触面较小，如果硬度过低，则在使用过程中随使用次数的增加，受力支点则会移动，如图5，受力支点从a点移到b点，则精度会有不同程度的变化。


图5

上面所讲述的影响因素直接与传感器接触，容易理解，还有一些其他因素看起来与传感器关系不大，但却影响传感器的精度。比如秤台强度，基础坚固性，防尘防水等因素。秤台强度的影响：以平台秤为例，一般采用悬臂梁称重传感器4只，安装在四个角上，如图6(a)所示：


图6

图6(b)为平台秤的侧视简图及受力模型，如果秤台的强度不足，可以导致秤台中心凹陷，如图6(d)，这种结果会导致传感器受侧向力的影响。而且侧向力的大小随被测物的重量增加而增加，但其增加的幅度却是非线性关系，以图6(c)为模型简化受力，可以用下列公式估算出传感器的受力与载荷的关系：

F=G/2cosα=G/2cos(G·L2/4·E·I）

式中：F——传感器荷重端受力
G——秤台载荷
E——秤台刚度
L——传感器固定端与秤台中心的距离
I——秤台转性惯距
α——秤台受力与变形角度

从公式看出，如果秤台强度足够强，可以忽略秤台变形，即α=0，cosα=1，故而F=G/2，如果秤台的强度越差，α角度随载荷增加而变大，从而使F与G的非线性度越差。

在实际应用过程中，安装地脚有固定式地脚如图6(e)和活动式地脚图6(f)两种。固定式地脚的结构由螺杆、底座和减振橡胶组成。活动式地脚由螺杆、钢球、底座和防滑垫组成。如果平台秤的安装地脚为固定式地脚，其受力结构还要考虑地脚倾斜后支点变化的影响。如图7(b)所示。如果采用活动地脚，则可以减少因地脚变形而带来的负面影响。


图7

除平台秤以外，如果汽车衡台面的强度不足不但影响产品的精度同时也影响标定。

基础的影响：这里面的基础是指汽车衡或轨道衡的传感器的安装基础，如一台载荷为八十吨的汽车衡，一般使用6只或8只称重传感器。传感器通过底座与基础的预埋件固定。单只传感器的接触面积约有250cm2，单位面积的压力达到0.40～0.58kN/cm2。如果基础不牢固，使用一段时间后，基础产生变化后，传感器的特性则无法完全真实表现出来。与初装标定时的条件会有较大的变化。

灰尘和水的影响：这两种因素在保养条件比较好的条件下不会产生影响，但是在室外使用的衡器，如汽车衡，轨道衡等要特别注意。我们以水泥厂或矿山厂的汽车衡为例说明其影响：水泥厂的环境一般很恶劣，过往全是重型汽车，随车带起来的灰尘大部分属于水泥成分，长时间会沉积在裸露的传感器表面及配件间隙内，经过雨季或处在周围环境潮湿的现场，传感器表面或配件间隙的灰尘会硬化，使原本活动的配件变成固定式的，如果配件在传感器的变形敏感区域，则传感器的线性和迟滞性明显变差。另一方面单从水或潮气讲，主要是腐蚀传感器表面，使接触点产生变化，特别是含有配件的产品，生锈后会使配件与传感器“锈死”在一起，而影响精度。

曾经遇到过一个特殊案件：客户在夏天6月左右安装一台80t的汽车衡，使用6只30t的桥式传感器，现场在北方。由于在安装过程中，现场人员将传感器中间部位的密封条刮破，并没有作相应的改善，标定后交付使用。到11月份，用户反映汽车衡数据不准，早晨测试的数据明显低于中午测量的数据8～10t，开始怀疑传感器的温度补偿出现问题，经过多次确认分析没有找到问题所在。根据问题出现在早上的条件，建议用户用热风机给传感器加热，半小时后再次确认问题消失。后来发现密封条刮破的那只传感器的变形间隙里面全是水，早晨是固态的冰，中午是水，也就是说在早晨，变形间隙内固态的冰阻止了传感器受力后变形，而这只传感器的输出很小，影响输出结果。

针对灰尘的影响，有经验的厂商会采用适当的防护措施，如增加密封罩，表面涂适量的黄油等保护。

上述的影响因素，或多或少都会影响使用精度，在建造基础和安装过程中尽量避免，以保证长期使用的稳定性能。 一、概述

高温环境用称重传感器的国产化生产是近年才得以发展起来的。高温环境，是指电子衡器设备所处的现场环境温度超出50°C及以上。如冶金企业的炼钢钢水包计量、铁水包计量、钢水包行车计量、热送焦炭计量、热送烧结矿计量、红送钢坯计量、线材轧制在线计量等。

原来，国内冶金企业为了解决高温称重计量，从国外引进，费用昴贵，且配件备件困难。

为了解决高温称重计量，实现耐高温称重传感器的国产化生产，节约外汇，降低设备成本，国内传感器厂家积极开展耐高温称重传感器的研制。我国耐高温称重传感器国产化的大致历程是：

我国冶金企业根据恶劣高温环境的需要提出需求→委托国外应变计生产商研制高温应变计→国内传感器厂利用耐高温应变计生产制造耐高温称重传感器→配套制造防高温秤体→配上智能化称重仪表→形成智能型耐高温电子称量装置。

余姚市通用仪表有限公司是率先实现高温称重传感器国产化设计生产的厂家之一。耐高温称重传感器采用进口KFH系列高温自补偿应变计和耐高温贴片胶设计制造。应用耐高温焊锡和高温电缆，焊锡的熔点达305℃，电缆工作温度250℃～500℃；传感器的弹性体与外壳全密封，IP67防护。

为使高温传感器国产化的生产与校准标准化，公司从1998年开始，投入大量人力物力，反复做材料试验、温度试验、压力试验和加工装配工艺试验，从试验过程中总结经验，总结规律性，使高温传感器生产实现工艺标准化、规范化。稳定和完善了TY耐高温传感器的制造工艺。

近年来，国家和地方政府对高温环境计量应用技术十分重视，特殊高温环境检测用产品被纳入“国家高新技术产品目录”。 余姚通用仪表公司的“耐高温电子称量装置”被列为宁波市“创新基金”项目，为企业增加投入，扶持企业发展耐高温产品。

浙江省衡器管理所的工程技术人员深入到传感器生产现场，与余姚市通用仪表有限公司的技术人员一起反复试验，反复论证，共同起草了JJG（浙）68—2003《高温负荷传感器地方计量检定规程》，经浙江省质量技术监督局批准，于2003年3月在国内首次发布。使高温传感器的检验校准有了统一规范。

二、TY耐高温称重传感器的特点

（一）TY耐高温称重传感器，采用进口玻璃纤维增强型聚酰亚安基底卡码温度自补偿应变计设计制造，具有如下功能特点：

工作温度：-196℃—+250℃，补偿温度：+10℃—+250℃。
采用进口贴片胶和保护面胶，工作温度：-196℃—+250℃。
采用进口耐高温焊锡，熔点温度：+305℃ —365℃。

采用耐高温引线与接线端子，耐温250℃。采用耐高温电缆和耐高温接头。

具有在长期高温热幅射、环境温度梯变或瞬变等恶劣条件下，能保持称重或测力的准确性和稳定性。

可替代国外进口耐高温传感器产品，耐高温达250°C及以上，适用于如车载钢水包、连铸钢水包、钢水包行车吊、冶炼配料计量及其它高温环境计量。

（二）、TY耐高温称重传感器高温性能指标

（三）、TY高温传感器生产工艺简介

三、采用耐高温称重传感器设计制造耐高温电子秤

（一）耐高温电子秤称重原理与工作过程：被称重高温包→缓冲装置→受力导向装置→称重箱体耐高温称重传感器→信号传输装置→智能化称重控制器→显示与控制。

（二）HSB型模块式秤体的结构特点

模块式耐高温钢包电子秤，利用导向柱与导套合为一体的优点，在箱体上露出承重头，称量时，钢包包耳座落在承重头上进行计量。模块式秤体，由一组长方体钢结构件焊接组成，内部安装称重传感器，秤体外形尺寸根据用户现场实际情况确定。秤体内设有导向和限位装置，保证称重传感器不受任何侧向力。

秤体结构由全密封箱体、承压头、导向套、耐高温传感器、通风管等几部分组成。秤体从外表看，是一台整体式全封闭钢结构焊接箱体，称量时利用两只承载头进行计量，信号线从秤体内部走线，即使有钢水外溢出也不会烧损传感器。

秤体内部传感器的安装固定采用限位式固定，用户在维护更换时极为方便，整台秤体安装时只须割去原承重台进行替换，对位后与大梁焊接，无须任何螺丝进行紧固，安装方便。秤体与称量箱如示意图（图1）


图1

设计制作特点

1、解决了电子秤工作时的高温威胁难题

应用了耐高温称重重感器和耐高温电缆，系统在≥250℃温度范围内长期稳定工作。设计了全密闭式称量箱，传感器安装在全密闭箱体内，耐高温电缆从箱体内引到大梁里面，即使钢水外溢，也不会烧坏电缆。

2、传感器抗冲击设计

根据不同的应用工况，采用不同结构的传感器：对连铸回转台采用双球面摆杆式传感器，它具有300%的抗冲击能力；对于车载钢包秤，采用强度冗余的平面桥式传感器，它除了能抗垂直冲击外，还能抗水平冲击力，以抗御钢包车启动或刹车时产生的巨大冲击力。

3、坚固的称量箱设计

根据现场使用情况，箱体全部焊接，使其成为一个刚度很强的构件，传感器由弧面承压柱导入，这根圆柱又兼作导柱，从而简化了结构，减少了成本。另外，称量箱侧安装了可方便开闭的门，以使传感器的更换非常方便，更换一只传感器，一个工人只需1小时左右即可完成，而不需要动用机械设备。

4、接近导向架和最终导向架设计，保证钢包的平稳导入。

（三）、HSB钢包电子秤主要技术参数

四、称重信号传输走线方式

称重显示仪表及各种变送器因电子器件受允许工作温度的影响限制，一般只能在0～40℃条件下长期工作，因此如何将高温区电子秤的称重信号传输到常温区进行处理与显示，是一个必须解决的重要问题。根据不同的使用情况，在设计中采用如下方法。

（一）采用CXZ—2型转换器集流环信号传输装置

如钢坯连铸回转炉钢包电子秤，由于转台为360°旋转，传感器信号线会被缠绕，信号无法进行有线传输。可在回转台支承柱的筒腔内设置一个接线盒和集流环信号转换器，引出的信号总线输入到CXZ—2型转换器集流环信号传输装置。CXZ-2型传感器信号转换器，是一种把传感器信号通过滑环传输到下一工作环节的信号转换装置。信号转换器的安装结构如图2。


图2：转换器安装示意图

（二）采用无线传输方式

称重数据无线传输系统由WFJ-F型称重数据发射机和WFJ-S型称重数据接收机组成（图3），传输距离≥500m，适用于行车吊称重计量和钢包炉前称重信号有线传输有困难的地方等。无线传输接收方式原理见图4。


图3：称重数据无线发送与接收


图4：称重数据无线传输原理示意图

5、结束语

为解决高温环境称重的特种计量，选用国产称重传感器设计改造钢包车电子秤和大吨位行车电子秤，与国内冶金企业厂家合作，进行了一些有效的探索，先后完成多台耐高温电子秤的设计改造，取得了较好的应用效果。HSB耐高温钢包电子秤被列为宁波市高新技术产品，获市科技进步奖。“耐高温电子称量装置”被列为宁波市“创新基金”项目，得到了国家科技部门的扶持。

高温环境条件下计量用特种电子秤的设计应用，目前仍是我国待攻关解决的课题，须要计量产品制造者与计控应用者共同探索与实践。

作者简介
罗伏隆，高级工程师，华南理工大学毕业；主要从事计控应用与计控管理研究。先后在国营八五五厂，湖南新化无线电专用设备厂，涟源钢铁集团有限公司和余姚通用仪表有限公司任工程师、高级工程师。
先后在计算机与微电子、中国计量、工业计量、计控信息、自动化信息、电子测试等科技杂志发表多篇科技与管理论文。
联系电邮：hnhyulfl@126.com;
QQ：568792564
电话：0574-62736258

公司名称：余姚市通用仪表有限公司
公司地址：浙江省余姚市中山中路三江口
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传真：0574-62702151
网址：http://www.cncells.com
邮箱：hnhyulfl@126.com

翻斗式雨量传感器是一种水文、气象仪器，用以测量自然界降雨量，同时将降雨量转换为以开关量形式表示的数字信息量输出，以满足信息传输、处理、记录和显示等的需要。 本仪器是国内首先研制成功的0.2、0.5mm翻斗式雨量计，可用于国家水文、气象站网雨量数据长期收集的雨量传感器。 本仪器与记录或显示部分配套，可进行有线雨量数据传输、显示、自记。与无线水情自动测报系统配套，作为专设站雨情遥测报汛的传感器。 本仪器广泛用于全国各水文站，并且批量出口东西方国家。本仪器获国家实用新型。 1998年获水利部科技进步三等奖。 该型雨量传感器经中国气象局产业发展与装备部选型试验、考核， 证明性能稳定性较好，可直接用于中小尺度自动气象站。

 

仪器结构与基本工作原理

本仪器由承雨器部件和计量部件等组成。承雨口采用国际标准口径Φ200mm。计量组件是一个翻斗式机械双稳态秤重机构，其功能是将以mm计的降雨深度转换为开关量信号输出。




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