无摩擦技术在称重传感器设计中的应用

 无摩擦技术在称重传感器设计中的应用

    称重传感器的摩擦分为外部摩擦和内部摩擦两大类：外部摩擦是指弹性元件上承载面与压头．

下端面与承压垫或基础之间的摩擦；内部摩擦是指弹性元件局部应力集中，造成晶格之间位错所产

生的摩擦。

    两种摩擦均使滞后和非线性误差显著增加，因此应进行无摩擦设计：

    (l)弹性元件下端面为平面时，或选用低摩擦系数的材料作下压垫；或选用固定式三滚珠压

垫；或选用由两组相互垂直交叉的滚柱组成的自由底座。

    (2)上压头、下压垫采用无摩擦设计（如球面结构），使加载、承载为点接触（实为接触圆）。

    (3)大量程的整体三柱、四柱结构可以加大承载部位球面半径，降低在大载荷和冲击载荷下

承载球头的变形程度，减小摩擦影响改善称重传感器的静态和动态应用特性。

    (4)尽量选用整体式结构，使弹性元件与支承无接触问题，如S型，整体剪切梁型等。

    (5)采用柔性隔离方法，即用铰接方法把弹性元件和承载底座联接起来，利用铰接不传递力

矩这一力学特性，将摩擦面与弹性元件隔离。

    (6)正确设计称重传感器的加载方式，是保证衡器在使用期限内“承载器受力分配系数”恒定

不变的关键。以电子汽车衡为例，我国以桥式结构的双剪梁称重传感器为主，采用3英寸钢球传递

载荷。尽管钢球只感受轴向载荷不传递弯矩和侧向载荷的特点明显，但其缺点也很突出，主要是电

子秤重心高，承载器热胀冷缩时钢球不在中心点，需要安装纵向和横向限位装置。国外大多使用单

个双剪切梁弹性元件，利用组件化或模块化的马鞍或链环线接触方式引入载荷，其特点是重心低，

不受承载器热胀冷缩影响，不需要安装纵向和横向限位装置。加拿大MASS LOAD公司的双剪切梁

型称重传感器，采用线接触链环组件引入载荷。美国RICE LAKE公司销售的大型电子汽车衡，其

双剪切梁型称重传感器均采用马鞍形线接触组件引入载荷。马鞍形和链环线接触引入载荷的特点是

克服了钢球传递载荷使原始加载状态改变及由此产生的侧向力影响，保持“承载器受力分配系数”不

变，保证电子衡器零点和灵敏度的稳定性。

    (7)弹性元件需要设计保护外壳时，应尽量减少组件、连接件、紧固件数量，把非整体状态

外壳的紧固、摩擦、接触影响减至最小。

    (8)合理的应力分布。应力水平过高，将引起弹性元件晶格之间相对位移，产生内部摩擦，

因此应力水平应控制在弹性极限的1/4～1/3左右。

    7．如果必须采用面接触方式传递载荷时，称重传感器应具备：允许局部区域有较大变形；输

出对加载面位置变化不敏感；对局部应力集中不敏感。为此，必须增大应变均匀区，例如加大高度

与直径比、采用加高的均压垫等，或将面接触通过过渡压垫转换成点接触或线接触。

    8．应变区以外的部分应处于较低的应变水平

    电阻应变计应处于弹性元件应变区均匀的应力场，为弹性元件最高的应变区。非应变区应处于

低应力水平，即应变区之外不能有高于应变区的应力场和应力集中处，以保证弹性元件有较大的刚

性和较高的固有频率。

    9．弹性元件挠度

    称重传感器利用的是小变形原理，必须使弹性元件产生有限的变形，一般控制在0.2mm左右。

因为弹性元件任何几何形状的变化必然地伴随着出现一定程度的非线性响应。弹性元件的刚性不仅

对提高固有频率有益，而且也有助于把几何形状变化引起的非线性减至最小。

    10．防护密封结构的选择

    粘贴在弹性元件上的电阻应变计，以及所用的应变胶粘剂，都会受到空气中水份和氧气的影响，

因为水能渗入几乎所有的聚合物，而产生增塑。如果防护与密封不良，电阻应变计和应变胶粘剂吸

收空气中的水份，就会使胶粘剂层膨胀增塑，造成绝缘电阻、粘结强度和刚性下降，引起称重传感

器性能波动。因此，必须重视防护密封结构设计，表面密封应有保护胶粘剂台阶；盲孔灌封应有粘

接防护密封盖板的圆台；焊接密封的焊口、波纹膜片、焊线出线口等应设计合理，保证防护密封质

量。