孙小春 张树进

(1.杨凌职业技术学院机电工程学院，杨凌 712100；2.中航电测仪器股份有限公司研究开发二所，汉中 723007)

0 引言

随着电子技术的进步和衡器事业的发展，对传感器的要求越来越高，不仅需要满足一些特殊领域的要求，而且精度也要求很高。但是目前传感器的主流仍是以桥式、悬臂梁结构为主，而这些传感器大都采用灌胶、粘盖板密封，防护性能不高(最高只能达到IP66)，也有采用焊接膜盒密封的，由于外壳参与应变及焊接影响，静态性能及温度性能虽亦能达到OIML R60 C3要求(经试验线性滞后最高达到0.03%FS)，但批量生产时，一些性能不能每只都进行测试及进行完整的补偿[1]。

根据双摇柱传感器线性可调的特点，对其进行全密封焊接，并进行线性、温度灵敏补偿后，不仅防护等级很高(使用不锈钢材料可达IP69)，而且性能经补偿完全可达到OIML R60 C3的要求，在结构上该传感器具有体积小、安装方便等特点。

1 结构设计

1.1 整体结构设计

为了达到很好的密封性能，采用膜盒、外壳、接线盒与弹性体进行焊接，可以采用氩弧焊接，也可采用激光焊接，但要确保焊接后的焊接密封质量。为了补偿传感器的线性、温度等性能的误差，所以将补偿位置留在接线盒内，整个性能补偿完成后，最后再焊接接线盒的盖板，进行最后的密封。

在提高防护等级，不仅进行全密封焊接，而且应保证选材具有很好的防腐能力。另外可在焊接密封的外壳内的电路部分灌胶，或外壳内部充满惰性气体，这样可以提高传感器的防护等级(最高可达IP68)。传感器具体结构如图1所示。

1.2 弹性体设计

为了提高防腐性能，弹性体可选用不锈钢材料，双摇柱传感器在使用时受力应该通过中心，否则会产生弯矩或径向力，影响传感器性能，所以这种传感器的弹性体上下采用球面，可以使传感器在使用过程中，自动恢复以调节平衡，使受力通过弹性体中心轴线，这样在设计时一般使上下球面的半径SR为总高度L的1/3～4/3。如果半径SR设计太大，在传感器使用后如果出现摇摆，就不会很好地自动恢复到竖直状态；相反，如果半径SR设计太小，传感器就会翻倒，也不会起到调节平衡的作用。

传感器满量程输出灵敏度计算：

S=Kε

(1)

式中：K为应变计的灵敏度系数；ε为应变。

ε=(轴向应变+径向应变)/2

(2)

ε=[P/(A×E)+μP/(A×E)]/2

(3)

ε=(1+μ)×P/(2×A×E)

(4)

式中：μ为泊松比；P为满量程力值；A为贴片截面积；E为弹性模量。

将式(3)代入式(1)得弹性体的贴片处截面积为：

A=(1+μ)×K×P/(2E×S)

(5)

由于传感器存在温度灵敏度补偿、线性补偿以及机械加工带来的误差，输出灵敏度都会有变化，设计时必须考虑，一般设计应变ε应为需要应变ε的1.3倍，在制作时对输出灵敏度进行标准化。

图1 结构原理图

2 传感器线性的补偿

2.1 线性误差原因

1)轴向应变与径向应变不一致造成的误差

传感器采用惠斯通电桥，输出灵敏度：

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

(6)

产生压力时，轴向应变计阻值变化：

R1=R3=R-Rδ

(7)

径向应变计阻值变化：

R2=R4=R+Rμδ

(8)

式中：δ为轴向桥臂电阻变化量；R为未受力时应变计的电阻。

将式(7)、(8)代入式(6)得：

S=δ(μ+1)/[2+δ(μ-1)]

(9)

将δ=Kε代入式(9)得：

S=Kε(μ+1)/[2+Kε(μ-1)]

(10)

设：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高次项：

S=4.5ε(1-2.4ε)

(12)

由上式可以看出，只有ε相当小的时候，线性误差才小，但是为了保证传感器的输出灵敏度，ε又不能做得太小。因此，相对输出与应变是非线性关系，且曲线呈抛物线状。

2)横截面变化引起的线性误差

柱式传感器在受到压力后，弹性体贴片处的截面积也会增加。

轴向应变变化：

ε=P/[(ΔA+A0)E]

(13)

径向应变变化：

εr=με=μP/[(ΔA+A0)E]

(14)

式中：A0为未加力时的截面积；ΔA为加力时的截面积变化量。

在惠斯通电桥中，由轴向、径向应变的应变计组成桥路，由于泊松比μ的影响，轴向、径向应变相差较大。由式(13)、(14)可以看出，当力值P增加，截面积A增加，使得P与ε、εr不成比例关系，从而也就会产生较大的非线性误差。

3)电阻应变计线性误差

理论上来说，弹性体的应变值和应变计的相对变化量呈线性，但在实际中，它不是完全呈线性的，只是在一定的应变范围内相对的呈线性关系，应变计的相对变化量较大时，非线性关系也就明显的表现出来，应变量越大，非线性误差也就越大[5]。由于柱式传感器轴向应变比径向应变大，为了保证输出灵敏度，轴向应变计应变呈线性关系也越差，因此在设计柱式传感器时，输出灵敏度要比其他结构的小，一般在1.0～1.5mV/V左右。

4)横向载荷产生的线性误差

在计算和实践测试中都可以得出，如果加载方向偏斜3°，将有5%的力施加在横向，即：

P1=Psin3°=0.05P

(15)

因此,该传感器一般做成双摇柱式，以便自动调节使受力方向通过传感器中心，从而尽量减小线性误差。

5)其余原因带来的线性误差

由于弹性体原材料内部结构的不一致和热处理的不一致性都会带来非线性的误差。另外，焊接的膜盒也会带来一定的非线性误差。

2.2 线性补偿

没有进行补偿的柱式传感器，线性为0.15%FS左右，而且成抛物线性规律，根据这一特点，在传感器受力时，对其输入电压进行相应的调整，电压的改变弥补了由于传感器本身的线性误差，从而使输出电压与加载力呈线性关系[3]。

线性补偿片的选用：我们一般用P型半导体应变计进行线性补偿，选用阻值计算为：

RL=D(R+Rs+Rm)/(K1×εL)

(16)

式中：D为非线性误差；R为输入阻抗(桥路阻抗)；Rm为温度补偿片阻值；Rs为降输出电阻(根据输出灵敏估算)；Kl为半导体灵敏度系数；εL为传感器承载时贴半导体处的应变。

根据上式可以看出，半导体应变计贴在应变最大处，阻值才能较小，在选用时，还要并联电阻进行精调[2，4]，一般阻值选用实际计算值的1.5倍左右。

在弹性体的应变区，沿轴向方向粘贴两枚P型半导体应变计，将其分别串联在电压输入的两端(即Rs)，如图2所示。

图2 电原理图

当传感器受压向力时，半导体应变计受到压力的作用，电阻值减小。由于供电电压恒定不变，根据分压原理，半导体阻值越小，实际桥路中的供电电压越大，而且成递增趋势，而传感器线性误差呈递减趋势，使输出的电压近似呈直线。实际桥路中的电压U1与供电电压U的关系为：

U1=U×R/(RL总+R)

(17)

式中：RL总为半导体与电阻总阻值；R为桥臂电阻。

为了得到更高精度，一般在半导体应变计上分别并联电阻rl/2，通过调整电阻阻值的大小，对线性进行更精确的调整：

RL总=(RL+rl)/(RL×rl)

(18)

U1=U×R/[(RL+rl)/(RL×rl)+R]

(19)

通过调整r的大小来调整线性，直至线性满足OIML R60 C3的要求。

3 传感器其余性能补偿

3.1 零点温度性能补偿

传感器零点输出随温度变化而变化，这是由于电阻应变计或其余材料随温度变化，引起桥路中桥臂阻抗变化，从而引起输出电压的变化。根据这一特点，在桥路部分r1、r2处加入随温度变化阻抗变化较大的康铜电阻，会抵消桥臂随温度变化的阻抗变化。

3.2 温度灵敏度补偿

对于传感器来说，由于弹性体材料、应变计等原材料随温度的变化，会影响传感器加载输出值的变化，加载相同的情况下，传感器在各个不同的温度，会有不同的输出。对于该特点，选用镍片应变计进行温度灵敏补偿。补偿原理是根据镍片随温度变化阻值也发生变化，从而对其输入电压进行调整。

温度镍片应变计Rm的选用：

Rm=(S1-S2)×Rin/ [(1+Ac(T1-T2)×S1-S2]

(20)

式中：S1、S2为在温度T1、T2时传感器的输出灵敏度；Ac为补偿片的温度系数。

S1、S2的确定一般根据测试取得，一般取值为计算值的1.5倍。设电阻值为rm，并联后双边总阻值为：

RM总=(rm+Rm)/(rm×Rm)

(21)

rm=Rm/(RM总+Rm-1)

(22)

为了使温度灵敏度性能达到OIML R60 C3的要求，就必须对电阻rm进行调整，根据测试的数据进行阻值调整，直至满足要求。

4 补偿后相互影响

该传感器补偿的性能有：用半导体补偿线性，用镍片补偿温度灵敏度，采用电阻Rs进行输出灵敏度标准化：

Rs=(S1/S2-1)(R+RM总+RL总)

(23)

式中：S1为标准化后的输出灵敏度；S2为标准化前的输出灵敏度；R为未进行输出灵敏度标准化的输入阻抗。

通过电路和式(23)，可以看出，线性调整(RL,rl)、温度灵敏度补偿(RM,rm)、输出灵敏度标准化电阻RS，都串联在输入电压的电路中，都起着降低电压的作用，但温度变化会引起RM阻值变化，加载不同的重量，RL就会有不同的阻值，都会使标准化电阻Rs不确定，根据桥路与这三种电阻的分压原理，温度灵敏度、线性及输出标准化性能互相影响。因此在实际补偿中，可采用以下步骤：1)可以先预加标准化电阻RS后调节线性电阻rl；2)根据实验测出未进行补偿传感器的温度灵敏度系数与使用镍片温度系数，可以确定输出标准化Rs与镍片并联电阻rm的关系，即可确定三种补偿电阻阻值。

另外，可在输入端并联电阻RZ，使输入阻抗标准化。还应该制定合理科学的工艺，才能保证传感器的性能。

5 结束语

随着衡器事业的发展，对传感器也提出了更高的要求。高精度全密封焊接、双摇柱式传感器，其线性性能的可补偿性，保证其具有较高的精度和稳定性。温度灵敏度也可进行补偿，所以其精度完全可达到OIML R60 C3的要求。防护等级最高可达IP69，完全可以满足一些特殊领域的要求，因此该传感器的生产必将受到国内外用户的青睐。

参考文献

[1] 郑秀瑷.应力应变电测技术 [M].国防工业出版社，1985

[2] 刘九卿.柱式称重传感器的非线性误差及其线性补偿[J].衡器，2004(2)

[3] 郁有文.传感器原理及工程应用 [M].西安电子科技大学出版社，2001

[4] 高天云.称重传感器的安装调整[J]；计量技术，1993(3)

[5] 李艳.应变式压力传感器及其应用电路设计[J].计量与测试技术，2007(12)