地磅称重传感器弹性元件的结构设计与加工

本文主要阐述了地磅称重传感器技术的发展和现状以及称重传感器弹性元件在 设计时应注意的问题。根据应力集中的原则，指出了弹性元件上电阻应变计粘贴的合理位置。 分析了弹性元件的制造过程中各个环节对称重传感器性能的影响。对合理设计弹性元件的结 构，提高称重传感器整体性能指标和产品质量有充分的参考依据。

一、前言

现代信息技术的三大基础是信息的采集、传 输和处理技术，即传感技术、通信技术和计算机 技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、 “神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是 传感器，且置于系统的最前端。在一个现代自动 检测系统中，如果没有传感器，就无法监测与控 制表征生产过程中各个环节的各种参量，也就无 法实现自动控制。在现代技术中，传感器实际上 是现代测试技术和自动化技术的基础。

随着信息技术的发展，传感器也得到了日益 广泛的应用。工业、农业、航空航天、军事国防，从陆地到海洋，从天空到太空，从各种复杂的工 程系统到生活的衣食住行，几乎每一个现代化项 目都离不开各种类型的传感器。作为信息采集和信息传递的主要构成要素，传感器已经成为现代 信息技术系统三大支柱之一。这也是许多工业发 达国家把传感器技术作为未来科学研究与发展重 点的一个重要原因。

二、称重传感器的发展及现状

自从1856年英国贵族Kelvin (开尔文）在铺 设大西洋海底电缆时，发现并得出结论：金属丝 在机械应变作用下产生电阻变化，其应变与电阻 变化存在函数关系，可用来电桥测量电阻变化.

这也是后来开展电阻应变测量方法的基本原理。 1938年美国加利福尼亚理工学院教授E.Simmons 洒蒙斯和麻省理工学院教授A.Ruge (鲁奇）分 别同时研制出纸基丝绕式电阻应变计，以他们名 字的字头和各有二位助手命名为SR- 4型，由美国 BLH公司专利生产。为研制应变式负荷传感器奠 定了理论和物质基础。1940年美国BLH公司和 Revere公司总工程师A. Thurston (瑟斯顿）利用 SR- 4型电阻应变计研制出圆柱结构的应变式负荷 传感器，用于工程测力和称重计量，成为应变式 负荷传感器的创始者。1942年在美国电阻应变式 负荷传感器已经大量生产，至今已有70多年的历 史。90年代，由于称重传感器的设计与计算等基 本技术趋于成熟，称重传感器的发展侧重于工艺 研究和应用研究，在产品标准化、系列化、工程 化设计和规模化生产工艺等方面都有很大进步。

由于电子称重技术的迅速发展，负荷传感器 性能的评定方法，已不能满足采用阶梯公差带评 定准确度等级的电子衡器需要，急需与电子衡器 准确度评定方法相适应的计量规程。80年代初， 国际法制计量组织（OIML质量测量指导秘书处 决定将用于质量计量和力值测量的负荷传感器彻 底分开，由美国负责的第8报告秘书处起草《称 重传感器计量规程》。经过OIML成员国书面表决 后，在1984年10月第7届法制计量大会上正式 批准，并于1985年以OIML R60国际建议颁布， 下发到各成员国。目前各国正在执行的是R60的 2000年版。可以说R60《称重传感器计量规程》 是各国称重传感器进入国际市场的“通行证”。

在我国，尽管航空、航天工业部门早在20世 纪50年代末期就开始研究及应用电阻应变式负荷 传感器，但并未向民用发展。就全国而言，负荷 传感器的研制与生产起步较晚，60年代只有几个 厂家生产普通精度等级的电阻应变式测力传感器。 结构单一，基本不进行电路补偿与调整，有的产 品甚至用外部平衡箱调整零点。80年代初，全国 有20余个企业用资1亿元人民币，用汇1300万 美元，从美、日等国引进应变式负荷传感器制造 技术与工艺装备，进行学习、消化、吸收。经过 仿制和试生产后，开始多品种小批量生产，推向 市场后，取得了相当可观的效益。称重传感器尽 管是国家强制管理的法制计量器具，应当比较难 进入此行业，但由于种种原因导致一些企业和个 人很容易进入，造成市场拥挤，加剧了市场竞争。 终于在90年代后期爆发了价格大战，谁的价格 低，谁就是大赢家，而且逐年升级越演越烈，己 经到了走火入魔的程度。价格大战的恶果是技术 进步缓慢，工艺水平下降，质量问题严重，管理 监督失控。带着这些问题进入21世纪，称重传感 器与工业发达国家的差距非但未缩小，反而加大 了。近几年国家监督抽查结果和终端客户的反馈 就是很好的例证。

因此，如何提高我国传感器的性能和质量， 迫在眉睫。本文从称重传感器弹性元件的结构设 计、制造方面的因素对称重传感器性能的影响， 进了分析研究，试图找到提高称重传感器设计和 制造质量的方法，为提高我国称重传感器的竞争 力提供一些参考。

三、弹性元件的结构设计与分析

弹性元件的形式是根据称重传感器的量程的 大小来确定，一般常见的形式有：悬臂梁式、剪 切梁式、双孔弯曲梁式、柱式、扭环式等。弹性 元件的设计基本属于机械结构设计的范围，但因 测力性能的需要，其在结构上与普通的机械零件 和构件有所不同。一般说来，普通的机械零件和 构件只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚 度即可，对在受力条件下零件或构件上的应力分 布情况不必严格要求。然而，对于弹性元件来说， 除了需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保 证弹性元件上粘贴电阻应变片部位的应力（应变> 与弹性元件承受的载荷（被测力）保持严格的对 应关系撮好是线性关系）；同时，为了提高测力 传感器测力的灵敏度，还应使电阻应变计贴片部 位达到较高应力状态，弹性元件的设计必须满足 以下两项要求：）贴片部位的应力（应变）应与 被测力保持严格的对应关系；2贴片部位应具有 较高的应力（应变） 水平。

为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹 性元件设计方面，应用“应力集中”的设计原则， 确保贴片部位的应力（应变）水平较高，并与被 测力保持严格的对应关系，以提高所设计测力传 感器的测力灵敏度和测力精度。

目前，称重传感器弹性元件的结构设计，国 内没有成熟的理论计算方法。为了对称重传感器弹性元件的结构设计、应力场的分布状况和变形 状态、贴片位置的合理性等情况有一个比较全面 的了解，目前的办法是先用材料力学的公式进行 初步计算、确定尺寸、再利用先进的计算机辅助 设计手段一有限元分析法，或光弹性和电阻应 变片试验方法，对称重传感器工作应力状态进行 全面的应变分析。其目的在于：确定在载荷作用 下最大应变的确切部位；了解在有偏心及其他载 荷作用时引起的输出偏差；根据分析得出的应变 场数据粘贴补偿片进行调整；计算出偏心、侧向 附加力对电桥的影响，进而确定相互干涉最小的 贴片方式；分析贴片误差、弹性元件尺寸误差等 对输出造成的影响。

称重传感器的工作频率由弹性元件及粘贴其 上的电阻应变计决定，电阻应变计的频率响应是 很高的，通常根据弹性元件确定工作频率。在设 计动态下使用的称重传感器时，应尽量提高它的 固有频率。弹性元件固有频率的计算公式为：

式中：K-单位位移需要的力值； m-弹性元件的相对质量。

由上可见：

(1）弹性元件的固有频率取决于弹性元件的形 式、某些尺寸及材料的弹性模量E与密度p。弹 性模量E越大，密度p越小，弹性元件的固有频 率越高。

(2）弹性元件中的某些尺寸不影响固有频率值， 如圆柱式弹性元件的横切面尺寸、圆环式弹性元 件的宽度。由于这些尺寸决定了弹性元件上应变 敏感元件处的应变值，因此可以根据称重传感器 灵敏度的要求选择这些尺寸，设计出既能满足工 作频率又具有较高灵敏度的称重传感器。

(3）固有频率取决于弹性元件运动部分的质量。 运动部分包括弹性元件及其连接件，在设计时也 必须尽量减少这部分附加部件的质量。

四、弹性元件的制造加工因素对传感器性能 的影响

在额定载荷作用下，弹性元件应变区的应变 程度，对称重传感器的线性、滞后、蠕变和疲劳寿命都有较大影响。实际上，保证应变稳定并与 载荷成较严格线性关系的应变范围，它与弹性元件所用的材料密切相关。

提高弹性元件应变的稳定性是提高传感器的 整体稳定性的基础和关键。因此弹性元件的材料 不仅是结构材料而且是功能材料。一般来讲，弹 性元件采用的金属材料除了对化学成份和冶炼条 件严格要求外，还要有优良的综合性能，在保证 弹性和应力的同时，尽量选用抗塑变形（弹性滞 后)能力高的材料，且材料的纯度要高，成份的 均匀性要好。选择弹性材料时，还应特别注意材 料的弹性模量E以及材料的弹性后效（蠕变）和 热弹性效应对称重传感器性能的影响。因此材料 选择及成份的确定是第一步；其次，热处理工艺 和与应变片的匹配成为关键点。

(一）弹性元件的材料性能、热处理工艺对传 感器性能的影响

称重传感器是技术、工艺密集型产品，性能 的一致性需要合理严格的工艺作保障，热处理工 艺在称重传感器的生产中是十分重要的。以不锈 钢称重传感器为例的热处理工艺流程为：清洗— 固溶处理—深冷处理—时效处理。热处理工艺的 冷却介质为水冷、油冷或强制惰性气体冷却，冷 却速率有很大区别，同时要考虑弹性元件尺寸的 大小，降温速率要有所不同，使冷却速度达到相 应要求，固溶时的冷却介质、冷却速度对称重传 感器的指标影响很大，工艺参数不合理对称重传 感器指标是有害的。

目前，称重传感器的弹性元件材料主要分为 三类：铝合金（LY12、合金钢（40CrNiM)A、 不锈钢（0Cr17Ni4Cu4NB)，前两种材料应用最为 普遍，加工工艺、热处理工艺、制作工艺已十分 成熟。以不锈钢作为弹性元件材料的称重传感器， 可以进行金属膜片焊接密封，具有防腐、防爆、 高可靠性、高稳定性的特点，在腐蚀性场合、食 品、化工等行业，将成为合金钢称重传感器的替 代品，市场容量逐渐扩大。但目前国内不锈钢称 重传感器的研究、生产处于初级阶段，市场需求 量不大，还没有形成大批量生产不锈钢称重传感 器的市场规模，不锈钢称重传感器准确度低，达 到GB/T 7551-2008《称重传感器》国家标准和JJG669-2003《称重传感器》计量检定规程中C3级的 比率低，只有部分形式及规格的不锈钢称重传感 器可以做到高准确度等级。其原因是不锈钢称重传感器制造成本高，国内厂家对不锈钢称重传感 器的制造技术研究不够，没有完全掌握。

沉淀硬化型不锈钢的特点之一是其弹性后效 (蠕变)大，尤其体现在小量程剪切梁称重传感器 上，若不采取其他措施使用普通应变计贴片，称 重传感器的滞后指标为± 0.030%F.S左右，若再加 上金属膜片焊接后对滞后指标影响± 0.01%F.S左 右。显然，大于± 0.030%F.S的滞后指标，称重传 感器的最大误差不易达到GB/T 7551-2008《称重 传感器》国家标准和OIML R60国际建议中规定的 C3级要求。随着量程的增加，相同量程的不锈钢 与合金钢称重传感器的滞后指标区别不大。因此， 对于小量程不锈钢称重传感器需对滞后指标进行 补偿，通过专用应变计进行滞后补偿成为一种特 殊的补偿技术。该技术实现了不锈钢称重传感器 滞后指标的调整，使滞后补偿可以像蠕变补偿那 样，通过选用不同补偿量的应变计进行补偿，经 过匹配试验，可保证产品的线性、滞后、蠕变性 能指标控制在± 0.02%F.S以内，并可以达到GB/T 7551-2008《称重传感器》国家标准和OIMLR60 国际建议中规定的C3级要求。

综上所述，不锈钢称重传感器弹性元件选择 0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化型不锈钢材料，应控制 其材料成份和含量，通过严格合理的热处理工艺 作保证，尽量降低铁素体含量，使综合机械性能 达 到 弹 性 元 件 要 求 。 弹 性 元 件 材 料 0Cr17Ni4Cu4Nb的热处理工艺成为关键点。经过 大量试验证明，要获得合格的均匀的金相组织， 达到要求的机械性能，不锈钢称重传感器的弹性 元件采用真空固溶、深冷、真空时效效果最佳。

(二）弹性元件切削加工过程中的残余应力对传感器性能的影响

弹性元件中残余应力，主要来自原材料在乳 制或拉制工艺成形过程中产生的残余应力；在热 处理过程中，由于冷却温度不均匀和相变而产生 的残余应力；在机械加工中，因切削力作用而产 生的残余应力。刨、铣、车、磨等机械加工，使 弹性元件表面变形不均匀，而产生较大的残余应 力，切削用量越大，表面的残余应力越大。车削 加工时不同进刀量轴向和径向的残余应力也不相 同，在弹性元件表面为最大残余拉应力，距表面 约40m?80m深处为最大残余压应力。磨削加工 时产生的残余应力最大，磨削深度越大，产生的 残余应力就越大，其最大残余应力位于距表面约 20m?40m处。综合刨、铣、车、磨四种机械加工 方法产生的残余应力。弹性元件在切削加工过程 中产生的应力特征主要表现为：（1）最大残余应 力位于弹性元件表面距深处约20u m?100u m 处。?残余应力衰减很快，在深度为200M m 处已很小。（3)切削用量越大，残余应力越大。（4 )弹性元件精加工为磨削加工时，残余应力最大， 其值可达到900N/mm2。为提高弹性元件的加工精 度，宜采用先进的数控加工工艺提高加工质量。 热处理后弹性元件的精加工尽量不采用磨削加工。

弹性元件切削加工后在弹性元件表面形成变 质层，使其组织处于不稳定状态，随着时间的变 化内应力松弛，而导致尺寸变化，弹性和疲劳寿 命降低。弹性元件任何几何形状的改变，必然伴 随出现一定程度的非线性影响，将造成称重传感 器的非线性误差。

(三 )弹性元件的形位误差对传感器性能的影响

称重传感器一般设计成只受垂直方向的载荷， 而对侧向载荷不敏感，或把力矩和侧向载荷的影 响限制在规定的误差范围内。这样称重传感器的 输出仅仅取决于沿主轴或与主轴平行的载荷的大 小，这就要求弹性元件具有较高的尺寸精度和形 位精度，同时保证应变片粘贴位置的准确性和对 称性。实际上弹性元件的制造精度是有一定限度 的，总存在一定的尺寸、形位误差。所以，称重 传感器对迭加在主分量上的力矩和侧向载荷都是 敏感的，而侧向灵敏度的大小和方向不能预先知 道，且结构量程不同，灵敏度也不同。侧向灵敏 度与弹性元件的形位误差和应变片粘贴位置有关。 有试验证明，若有额定载荷5%侧向载荷存在，对 高精度的称重传感器，侧向灵敏度的影响会出现 满量程± 0.1%的误差；对于一般精度的称重传感 器，此误差可达± 0.6%。因此，为降低称重传感 器的侧向灵敏度，弹性元件的制造和应变片粘贴 应注意以下几点：

(1)结构设计时保证传感器的输出仅仅取决于 沿弹性元件主轴或与主轴平行的的载荷。

(2)轴对称型的称重传感器的弹性元件，制造 时应保证主轴与上下端面及下压垫的垂直度精度要求，并且通过弹性元件的中心。

(3)保证弹性元件内外圆的同轴度精度要求。

(4)机械加工时尽量保证弹性元件的形位误差 在同一方向上的一致性。

(5)应变片粘贴时保证位置和方向的定位精度 和对称性，尽量不要偏离中心线。

(四)弹性元件的表面质量和硬度对传感器性 能的影响

通常称重传感器有两个承受载荷的接触面， 即引入载荷的接触面和传递载荷的接触面。对于 承受压向载荷的称重传感器，两个承受载荷的接 触面为弹性元件的上平面（有时设计成球励和 下底面。与称重传感器的上压头、下压垫接触的 面都影响载荷的引入与传递。一般要求上压头的 硬度小于弹性元件的硬度，但不能太低，因为压 头的硬度越低，弹性元件的表面粗糙度越大，在 较小的载荷下会产生较大的变形，会使合力的作 用点发生变化，从而引起称重传感器灵敏度的变 化。此外，英国物理实验室测力研究室，用环氧 树脂模型进行接触面粗糙度影响试验得出：接触 面表面粗糙度越小，载荷传递性能越好，输出就 越大。

五、结论

根据上述对称重传感器弹性元件的结构设计 和制造精度对称重传感器性能的影响分析，在设 计和制造加工弹性元件时要做到：应保证应力场 分布使电阻应变计贴片区处于最高应力水平，提 高称重传感器的灵敏度；应减小弹性元件的承载 接触面积，利于降低称重传感器的滞后和非线性 误差影响；应变区域应对称，贴电阻应变计时也 应对称，增加称重传感器输出，提高灵敏度；弹 性元件制造选材要严格控制材料的化学成份、组 织结构，采用合理的热处理工艺，提高弹性元件 的综合机械性能，弹性后效（蠕变）大的材料要 进行贴片补偿，减小称重传感器的滞后误差；通 过严格的热处理工艺，降低或消除内应力，减小 称重传感器的非线性误差；确保较高的形位精度， 降低称重传感器的侧向灵敏度，减小满量程误差; 降低弹性元件的表面粗糙度，提高弹性元件的传 力效果，增加称重传感器的输出量.