無摩擦技術在稱重傳感器設計中的應用

 無摩擦技術在稱重傳感器設計中的應用

    稱重傳感器的摩擦分為外部摩擦和內部摩擦兩大類：外部摩擦是指彈性元件上承載面與壓頭．

下端面與承壓墊或基礎之間的摩擦；內部摩擦是指彈性元件局部應力集中，造成晶格之間位錯所產

生的摩擦。

    兩種摩擦均使滯后和非線性誤差顯著增加，因此應進行無摩擦設計：

    (l)彈性元件下端面為平面時，或選用低摩擦系數的材料作下壓墊；或選用固定式三滾珠壓

墊；或選用由兩組相互垂直交叉的滾柱組成的自由底座。

    (2)上壓頭、下壓墊采用無摩擦設計（如球面結構），使加載、承載為點接觸（實為接觸圓）。

    (3)大量程的整體三柱、四柱結構可以加大承載部位球面半徑，降低在大載荷和沖擊載荷下

承載球頭的變形程度，減小摩擦影響改善稱重傳感器的靜態和動態應用特性。

    (4)盡量選用整體式結構，使彈性元件與支承無接觸問題，如S型，整體剪切梁型等。

    (5)采用柔性隔離方法，即用鉸接方法把彈性元件和承載底座聯接起來，利用鉸接不傳遞力

矩這一力學特性，將摩擦面與彈性元件隔離。

    (6)正確設計稱重傳感器的加載方式，是保證衡器在使用期限內“承載器受力分配系數”恒定

不變的關鍵。以電子汽車衡為例，我國以橋式結構的雙剪梁稱重傳感器為主，采用3英寸鋼球傳遞

載荷。盡管鋼球只感受軸向載荷不傳遞彎矩和側向載荷的特點明顯，但其缺點也很突出，主要是電

子秤重心高，承載器熱脹冷縮時鋼球不在中心點，需要安裝縱向和橫向限位裝置。國外大多使用單

個雙剪切梁彈性元件，利用組件化或模塊化的馬鞍或鏈環線接觸方式引入載荷，其特點是重心低，

不受承載器熱脹冷縮影響，不需要安裝縱向和橫向限位裝置。加拿大MASS LOAD公司的雙剪切梁

型稱重傳感器，采用線接觸鏈環組件引入載荷。美國RICE LAKE公司銷售的大型電子汽車衡，其

雙剪切梁型稱重傳感器均采用馬鞍形線接觸組件引入載荷。馬鞍形和鏈環線接觸引入載荷的特點是

克服了鋼球傳遞載荷使原始加載狀態改變及由此產生的側向力影響，保持“承載器受力分配系數”不

變，保證電子衡器零點和靈敏度的穩定性。

    (7)彈性元件需要設計保護外殼時，應盡量減少組件、連接件、緊固件數量，把非整體狀態

外殼的緊固、摩擦、接觸影響減至最小。

    (8)合理的應力分布。應力水平過高，將引起彈性元件晶格之間相對位移，產生內部摩擦，

因此應力水平應控制在彈性極限的1/4～1/3左右。

    7．如果必須采用面接觸方式傳遞載荷時，稱重傳感器應具備：允許局部區域有較大變形；輸

出對加載面位置變化不敏感；對局部應力集中不敏感。為此，必須增大應變均勻區，例如加大高度

與直徑比、采用加高的均壓墊等，或將面接觸通過過渡壓墊轉換成點接觸或線接觸。

    8．應變區以外的部分應處于較低的應變水平

    電阻應變計應處于彈性元件應變區均勻的應力場，為彈性元件最高的應變區。非應變區應處于

低應力水平，即應變區之外不能有高于應變區的應力場和應力集中處，以保證彈性元件有較大的剛

性和較高的固有頻率。

    9．彈性元件撓度

    稱重傳感器利用的是小變形原理，必須使彈性元件產生有限的變形，一般控制在0.2mm左右。

因為彈性元件任何幾何形狀的變化必然地伴隨著出現一定程度的非線性響應。彈性元件的剛性不僅

對提高固有頻率有益，而且也有助于把幾何形狀變化引起的非線性減至最小。

    10．防護密封結構的選擇

    粘貼在彈性元件上的電阻應變計，以及所用的應變膠粘劑，都會受到空氣中水份和氧氣的影響，

因為水能滲入幾乎所有的聚合物，而產生增塑。如果防護與密封不良，電阻應變計和應變膠粘劑吸

收空氣中的水份，就會使膠粘劑層膨脹增塑，造成絕緣電阻、粘結強度和剛性下降，引起稱重傳感

器性能波動。因此，必須重視防護密封結構設計，表面密封應有保護膠粘劑臺階；盲孔灌封應有粘

接防護密封蓋板的圓臺；焊接密封的焊口、波紋膜片、焊線出線口等應設計合理，保證防護密封質

量。