称重传感器结构与边界设计原则

 称重传感器结构与边界设计原则

    上述称重传感器定义的含义是假定在弹性元件的应变区内，应变程度与所施加载荷成线性关

系。换句话说，理想称重传感器的特点应当是应变和载荷成较严格的线性关系，达到此种目标正是

所有称重传感器弹性元件设计的中心所在。完成这一任务的困难在于结构设计与计算上和一些经济

上的限制，只有遵循称重传感器研制、生产规律和弹性元件结构设计与边界选择原则，才能同时解

决上述限制，克服各种因素的综合影响，生产出性能波动最小的称重传感器。归纳起来，称重传感

器结构与边界的设计原则是：

    (1)弹性元件尽量设计成一个整体结构，因为连接件之间的摩擦和位移都可以引起非线性和

离散性。不允许采用焊接结构的弹性元件，由于残余应力和焊接后效可能减少疲劳寿命，并助长微

塑性变形。

    (2)由于称重传感器的电路输出取决于弹性元件应变区的应变程度，在整个电阻应变计敏感

栅区域内的应变程度应该是均匀的，所以要求弹性元件应变区受力单一，应力分布均匀。

    (3)弹性元件应变区的应变程度不应太高，应变区以外不得有最高应力分布区和应力集中点。

因为称重传感器的非线性、滞后、蠕变误差和疲劳寿命等，都随弹性元件应变区的应变程度高低而

变化，即随应变程度变低减至最小而获得改善。应变区较低的应力、应变意味着对理想线性弹性性

能的偏差最小，也意味着弹性元件有较大的刚度和较高的固有频率。为满足灵敏度2mV/V，一般

应变量控制在1 100×10-6左右。特别要处理好方框平行梁的根部和S形弹性元件辅助梁圆弧处的应

力集中。

    (4)弹性元件边界条件是影响称重传感器性能的重要因素，支承区尽量形成刚性固定，安装

力远离应变区，必要时采用柔性隔离技术，克服支撑区附加力的影响。

    (5)弹性元件载荷引入方式是影响称重传感器性熊的连一个重要因素，加载、承载的压头、

压垫设计，应使加载线与弹性元件中心线重合，保证加载点稳定不变。

    (6)弹性元件的结构和外壳设计，应尽量消除或减少力学干扰因素（横向载荷、弯矩、扭矩）

的影响，把性能波动减至最小。因为，弹性元件受到任何附加载荷的影响，必然伴随出现一定程度

的非线性误差。称重传感器抗侧向和偏心载荷的能力强，不仅保证加载轴线对中好，而且有助于把

非线性误差减至最小。

    (7)充分考虑电阻应变计粘贴的方便性和经济性，要求弹性元件应变区贴片表面尽量为平面，

保证划线精度和容易安装加压夹具。

    (8)弹性元件粘贴电阻应变计处，应便于防护、密封作业。采用焊接密封的称重传感器，要

求焊接膜片的结构、刚度及焊接坡口设计合理，不影响或少影响灵敏度，保证焊接密封质量。

    (9)应变利用系数C=￡Cp／￡m。。（电阻应变计测量的平均应变与最大应变之比）越大越好。例如

双孔平行梁结构孔的尺寸越小，应变敏感元件的尺寸越大，C就越小，因此应尽量增大孔的直径或

设计成扁圆孔。剪切式弹性元件由于拉、压主应变相同且沿轴线不变化，C接近于1，是理想的弹

性元件结构。

    (10)在电子衡器和电子称重系统中，称重传感器失效最常见的原因是过裁。若弹性元件结构

及附件条件允许，尽量采取过载保护措施，提高称重传感器工作的安全可靠性。

    (11)弹性元件与其边界承载压头、底垫、安装平台的设计应统一考虑，进行技术密集型组合，

各部件结构形状、制造材料、加工方法、热处理工艺需要合理匹配。

    (12)连接、摩擦接触、紧固或任何非整体状态都成为潜在的问题，所以弹性元件、压头、压

垫、外壳等设计应充分考虑散热问题。即弹性元件应有足够的热转换以防止电阻应变计自热，如果

其温度比弹性元件高，那怕只差0.1℃，就可能难以达到稳定的性能。在电阻应变计和补偿电阻面

积上的任何温度梯度，都能引起零点温度漂移或标定结果的变化。

    (13)在弹性元件结构及边界设计的同时，应考虑制造工艺，特别是机械加工和热处理工艺，

作到设计为可制造性服务。

    (14)在结构设计时，还应考虑称重传感器的可靠性。即明确称重传感器的可靠性设计，就是

考虑可靠性的称重传感器设计，不存在独立于称重传感器设计之外的可靠性设计。