稱(chēng)重傳感器在大多數稱(chēng)量實(shí)踐中，總是伴隨出現橫向力力矩的干擾， 而產(chǎn)生橫向靈敏度。本文分析了引起橫向靈敏度的諸因素及其對稱(chēng)量結果的影響。指出橫向 靈敏度的大小取決于彈性元件的結構形狀，壓頭、底墊、安裝平臺等附件的性能，若有5%的 橫向力存在，會(huì )在高準確度稱(chēng)重傳感器中出現滿(mǎn)量程±0.1%的偏差；在普通準確度稱(chēng)重傳感 器中出現±0.6%的偏羞并以圓柱式稱(chēng)重傳感器為例，介紹了利用單層或雙層環(huán)形膜片與彈 性元件和外殼焊接，補償橫向力和彎曲力矩的原理和工藝方法，給出了圓形膜片的撓度和應 力計算公式。

一、概述

稱(chēng)重傳感器在組裝電子秤的應用過(guò)程中，總 稱(chēng)量軸向載荷時(shí)同時(shí)出現橫向力力矩、電阻應 是伴隨出現橫向力力矩的干擾因素，諸如稱(chēng) 變計及補償電阻的靈敏系數有1%~2%的公差以及電阻應變計粘貼位置不準確產(chǎn)生的定位誤差等， 這些因素使橫向力在彈性元件應變區的軸向對稱(chēng) 點(diǎn)，引起彎曲變形的代數和不等于零，而生產(chǎn)橫 向靈敏度，這將嚴重影響稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)量結果。 橫向靈敏度的大小取決于稱(chēng)重傳感器彈性元件的 結構形狀，壓頭、底墊、安裝平臺等附件的性能。 因此，在稱(chēng)重傳感器設計過(guò)程中，必須將彈性元 件結構、保護外殼、引入載荷的壓頭、承受載荷 的底墊和安裝平臺進(jìn)行技術(shù)密集型組合，研究各 部件的結構形狀、制造材料、加工方法、熱處理 工藝等對引入載荷的影響以及它們之間的匹配關(guān) 系，才能從源頭上減少橫向力的影響，使得稱(chēng)重 傳感器的準確度和其他性能充分發(fā)揮出來(lái)，保證 電子稱(chēng)重系統的稱(chēng)量準確度。

二、橫向靈敏度

現以圓柱式稱(chēng)重傳感器為例說(shuō)明橫向靈敏度 影響。稱(chēng)重傳感器的結構設計與理論計算是基于 外載荷作用線(xiàn)與彈性元件加荷軸線(xiàn)一致的前提， 且載荷是均勻的沿著(zhù)軸線(xiàn)傳遞。事實(shí)上，稱(chēng)重傳 感器所承受的載荷，即不同軸也不均勻傳遞，因 此會(huì )產(chǎn)生干擾影響。橫向力在圓柱式彈性元件上 將產(chǎn)生一個(gè)彎曲力矩，使稱(chēng)重傳感器的橫向靈敏 度不為零。按理這個(gè)彎曲力矩應由粘貼在彈性元件 上的電阻應變計對稱(chēng)分布而加以補償，但是在制造 工藝中很難做到。實(shí)踐表明若有5%的橫向力存在， 會(huì )在高準確度稱(chēng)重傳感器中出現滿(mǎn)量程± 0.1%的偏 差，在普通準確度稱(chēng)重傳感器中出現±0.6%的偏 差。對橫向力的敏感，主要應歸因于電阻應變計 在圓柱式彈性元件應變區內，彼此相對的粘貼位 置并不能提供完全的補償，因為電阻應變計靈敏 系數有小的分散，并且在彈性元件應變區的粘貼 位置和方向都有小的定位誤差。進(jìn)行零點(diǎn)溫度補 償和零點(diǎn)輸出調整的電阻在較小的范圍內，也是 對橫向力敏感的因素，因為這些補償電阻與橋臂 電阻應變計串聯(lián)，降低了每個(gè)橋臂的有效靈敏度。 生產(chǎn)實(shí)踐表明，在彈性元件應變區粘貼電阻應變 計過(guò)程中，即使非常小心，也必定產(chǎn)生一定轉角 和平移等定位誤差。若電阻應變計在圓周方向產(chǎn) 生a =5。的位置偏差，其相對于軸線(xiàn)的角位移P 就可達到1.5。。要想使圓周方向的位置偏差a 只引起不超過(guò)滿(mǎn)量程0.1%的誤差，那么a必須小 于1。對于直徑為36mm (20i、58mm (50>和 80mm (100i的圓柱式彈性元件而言，這就意味 著(zhù)粘貼電阻應變計沿圓周的位置誤差小于0.02mm, 顯然這是非?？量痰囊?，很難滿(mǎn)足。荷蘭TN0 機械院的試驗表明，電阻應變計沿圓周方向粘貼 位置偏差引起相對于軸線(xiàn)的角位移p=1°時(shí)，將產(chǎn) 生滿(mǎn)量程0.01%左右的誤差。

綜上所述，若使稱(chēng)重傳感器不產(chǎn)生橫向靈敏 度，即完全對橫向力不敏感是很困難的，所以他 們提出了三種將橫向靈敏度限制到最小的方法：

1.測量出每個(gè)稱(chēng)重傳感器對橫向力不敏感的 方向，并在使用過(guò)程中將估計的橫向力方向同此 不敏感方向一致。

2.將稱(chēng)重傳感器安裝在一個(gè)靜壓軸承內，這 樣便無(wú)橫向力可傳遞。

3.減小某一片或幾片電阻應變計靈敏系數， 直到對橫向力的敏感完全消除為止。此工藝方法 是在該電阻應變計上串聯(lián)一個(gè)電阻，再在串聯(lián)電 阻上并聯(lián)一個(gè)電阻進(jìn)行精確調整實(shí)現的。

上述方法，理論上可行但實(shí)際應用較困難。 因此，必須對橫向力敏感的稱(chēng)重傳感器進(jìn)行橫向 力補償。

三、橫向力補償

稱(chēng)重傳感器在大多數稱(chēng)量實(shí)踐中，總是伴隨 出現橫向力力矩的干擾，例如稱(chēng)重傳感器安 裝不正確；承載器結構的熱脹冷縮；稱(chēng)量軸向載 荷時(shí)同時(shí)出現橫向力力矩；電阻應變計及補償 電阻的靈敏系數有1% ~2%的公差；電阻應變計粘 貼位置不準確產(chǎn)生的定位誤差等。試驗測量得出， 稱(chēng)重傳感器軸向加載方向偏斜3°,相當于作用5% 的橫向力，稱(chēng)重傳感器輸出將出現0.2%—0.3%的 誤差?，F以一圓柱式彈性元件為例，其總高度為 4.5d (d為彈性元件直徑，電阻應變計粘貼在距 離底面1.5d處，若有所稱(chēng)量載荷10%的橫向力作 用在彈性元件上（一般高準確度稱(chēng)重傳感器要求 能承受 10%的橫向力）,相當于軸向加載方向偏斜 5.8°,那么在應變區即電阻應變計粘貼處，將引起 23%的附加應變。 若電阻應變計的靈敏系數公差為 2% ,則對稱(chēng)重傳感器有可能引起最大為0.36%的附加誤差。這是相當可觀(guān)的，當然此誤差系按統 計規律出現，這里僅談及極限情況，目的是說(shuō)明 橫向力補償的必要性。

為了減少橫向力的影響，在稱(chēng)重傳感器結構 設計時(shí)，必須將彈性元件結構、保護外殼、引入 載荷的壓頭，承受載荷的底墊和安裝平臺進(jìn)行技 術(shù)密集型組合，研究各部件的結構形狀、制造材 料、加工方法、熱處理工藝等對引入載荷的影響 以及它們之間的匹配關(guān)系。盡量選擇無(wú)摩擦設計， 采用點(diǎn)接觸、線(xiàn)接觸方式引入和傳遞載荷。例如 采用鋼球、雙球面搖柱、鏈環(huán)、馬鞍環(huán)引入載荷， 因為鋼球和雙球面搖柱只感受軸向載荷不傳遞橫 向載荷和力矩，且具有自動(dòng)定心功能。當然，最 重要的還是對稱(chēng)重傳感器進(jìn)行橫向力補償。圓柱 式稱(chēng)重傳感器的橫向力補償主要有三種方法：

1.在稱(chēng)重傳感器設計時(shí)，采用雙球面結構的 彈性元件，引入載荷的上球面和傳遞載荷的下球 面均為無(wú)摩擦設計，且具有自動(dòng)定心功能。

2.采用在彈性元件應變區沿圓周對稱(chēng)粘貼8 片電阻應變計的方案，將處于對稱(chēng)位置的兩片電 阻應變計互相串聯(lián)焊接于電橋的同一個(gè)橋臂中， 使得由彎曲所引起的附加應變相互抵消，而達到 橫向力補償的目的。

3.利用膜片和外殼補償橫向力。即在圓柱式 彈性元件上端與外殼之間焊接單層或雙層環(huán)形膜 片，稱(chēng)重傳感器的橫向力經(jīng)過(guò)膜片傳遞給剛度甚 大的外殼和底座，達到平衡橫向力的目的。很明 顯對膜片的要求是在橫向應有很大的剛度，而在 軸向非常柔軟只有較小的剛度，對稱(chēng)重傳感器的 輸出靈敏度影響小，不破壞軸向變形與所稱(chēng)量載 荷的線(xiàn)性關(guān)系。

四、橫向力補償工藝要點(diǎn)

圓柱式稱(chēng)重傳感器的環(huán)形平膜片或波紋膜片 與彈性元件和外殼焊接后，不僅補償橫向力影響 而且還起防護密封作用。其關(guān)鍵問(wèn)題是補償橫向 力和防護密封，都要求彈性元件與密封外殼之間 有較小的相對運動(dòng)，此問(wèn)題處理不好將產(chǎn)生非線(xiàn) 性誤差。因此，必須對膜片的應用、性質(zhì)和制造 方法進(jìn)行理論和應用研究。

由于橫向力補償膜片與彈性元件和外殼焊接后，組成了超靜定結構，如果三者之間變形不協(xié) 調將產(chǎn)生內應力，同時(shí)導致密封腔內氣體壓力變 化，引起稱(chēng)重傳感器溫度漂移。因此要求圓柱式 稱(chēng)重傳感器的外殼材料盡量與彈性元件材料具有 相同的線(xiàn)膨脹系數，防止環(huán)境溫度變化時(shí)，由于 超靜定結構變形不協(xié)調而產(chǎn)生附加誤差。因此需 要考慮溫度補償方法，主要是溫度變化時(shí)，要求 彈性膜片對內應力和外殼的內外壓差有調節功能。

膜片是一個(gè)平面形狀或壓有同心折皺形狀的 圓形薄板，為便于和彈性元件、外殼焊接在一起， 在膜片中央和外圓周邊須留下一光滑部分，并彎 成2mm高的直角邊，便于焊接作業(yè)。

設平面膜片與外殼焊接處的外徑為2a,與彈 性元件焊接處的內徑為2b,厚度為h。根據板殼 理論膜片的最大軸向變形Fmx可由下式計算：

稱(chēng)重傳感器焊接橫向力補償膜片后，它所消 耗的載荷與所測量載荷之比，即為稱(chēng)重傳感器靈 敏度S的降低值，此值一般應小于額定輸出值的5%。

稱(chēng)重傳感器彈性元件與外殼之間焊接單層膜 片，只能補償橫向力，而不能補償彎曲力矩，此 時(shí)需要將電阻應變計粘貼在彈性元件彎曲力矩為 零的截面上，以消除或減少彎曲力矩的影響。力 學(xué)分析得出，在圓柱式彈性元件高度L方向，距 離底面L/3處為彎曲力矩為零的截面，在此截面粘 貼電阻應變計，即使是單層膜片也能取得較好的 彎曲力矩補償效果。釆用雙層膜片補償工藝，其 優(yōu)點(diǎn)是即可以補償橫向力同時(shí)又能消除彎曲力矩 影響，缺點(diǎn)是必須增加彈性元件高度和外殼厚度, 因而使稱(chēng)重傳感器的縱向尺寸和整體重量增加較 大，對輸出靈敏度的影響也增加一倍。

檢查稱(chēng)重傳感器橫向力補償效果的方法，是 使稱(chēng)重傳感器傾斜的安裝于力標準機上，此傾斜 角的正弦即為橫向力的百分比。一般多將一塊角 度p=1°_2°的斜塊，以底面為基礎安裝在力標準 機的下承載面上，被測量的稱(chēng)重傳感器安裝在斜 塊與力標準機上壓頭之間并對中準確。試驗時(shí)對 稱(chēng)重傳感器施加額定載荷，測量其輸出值，然后 使稱(chēng)重傳感器繞中心軸旋轉90。、180。、270。,并 分別測量出其輸出值，即可看出橫向力補償效果。

還應當指出，膜片與彈性元件、膜片與外殼焊 接工藝至關(guān)重要，焊接不良不但較大降低稱(chēng)重傳感 器的靈敏度，而且還會(huì )增大滯后和重復性誤差。因 此，對焊接技術(shù)和焊接工藝裝備有如下要求：

1焊接時(shí)的熱影響區盡量小，這就要求在進(jìn)行結構設計時(shí)焊縫盡量遠離電阻應變計粘貼位置； Q焊縫應均勻、整齊、美觀(guān)、可靠，盡量不 使膜片變形，因此要求焊接膜片設計成波紋平膜 片、杯形膜片，以減少焊接變形，降低殘余應力 對靈敏度的影響；

0彈性元件的坡口和焊接膜片尖角應符合焊 接工藝要求，焊縫位置開(kāi)敞易于焊接作業(yè)，以保 證焊縫質(zhì)量；

4.工藝簡(jiǎn)單，焊接效率高。

高準確度稱(chēng)重傳感器的橫向力補償膜片，多 釆用電子束焊接和激光焊接。其共同特點(diǎn)是不接 觸焊接，電子束焊接在102pa_103pa壓力真空腔內 進(jìn)行，激光焊也可在透明真空罩內進(jìn)行，不受各 種污染物影響；焊接時(shí)能量快速高度集中，熱影 響區小，被焊件不變形；沒(méi)有焊渣，也不需要清 除氧化膜。