关于称重传感器的温度补偿

关于称重传感器的温度补偿

1、电阻应变计?奈露茸圆钩?

高精度称重传感器的核心元件是电阻应变计，它的性能主要取决于两个方面，一是应变计的基底材料，另一是应变计敏感栅的应变合金材料。无论选用哪种应变计，最重要一点其温度特性应是自补偿型，这样才能保证传感器的温度漂移尽量小。

贴在传感器弹性体上的应变计，在不受载荷影响下，除电阻值随着温度的变化而变化外，弹性体材料以及应变合金的其它物理性能也都有些变化，这些变化就是应变计纯属由于温度而产生的虚假应变，这对传感器而言，就产生了温度漂移，即传感器的温度效应。

对电阻应变计的温度效应来说，主要因两个因素引起，一个是应变合金丝（或箔）材料的电阻随温度变化而变化，另一是传感器弹性体和应变合金丝（或箔）材料线膨胀系数不同随着改变而引起的附加变形，使应变计电阻也产生了相应的变化。如果不考虑粘合剂的影响，当温度变化△t 时，设应变计电阻丝栅电阻的改变量为△R1，则

△R1=Rα△t (1)

式中：R—应变计电阻

α—应变计合金丝栅的电阻温度系数

由于应变合金与弹性体材料线膨胀系数不同所引起应变计电阻的改变量为△R2，则

△R2=KR(β材-β丝) (2)

式中：K—应变合金丝（或箔）灵敏系数

β材—弹性体材料的线膨胀系数

β丝—应变合金的线膨胀系数

当温度变化△t时，贴在弹性体上的应变计电阻总的改变量为△R1，则

△Rt=△R1+△R2=R[α+K(β材-β丝)] △t (3)

设αt=α+K(β材-β丝) (4)

则αt=

定义αt为电阻应变计的电阻温度系数。如果使△Rt=0 或接近于0，若△Rt=0,即达到温度自补偿。若△Rt=0，则αt=α+K(β材-β丝)=0

α=K(β丝-β材)

对于一般应变电阻合金材料，β丝、K是不变的，β材也是一个常数。冷加工状态的电阻丝（箔）的电阻温度系数α，可以用热处理的办法在相当大的范围内改变，因此可以使α=K(β材-β丝)。对于一定的电阻丝（箔）和一定的弹性体材料而言，式是消除由于温度改变而引起误差的一个必要条件，但由于温度对材料的影响是非常复杂的，所以α、β材、β丝和温度的关系并非完全呈线性关系，K值也不完全是恒定的，所以（6）式仅是个近似条件。尽管如此，可以根据这个条件对具有已知β材的弹性材料，可以近似选取具有适当β丝、α和K的应变合金丝（箔），就可以制成温度自补偿应变计。

2、制造温度自补偿应变计的材料

对制造应变计所需要的电阻应变合金应具有较高的灵敏系数和电阻率，在工作温度范围内应具有

低的电阻温度系数和好的耐疲劳抗氧化和抗腐蚀性能，还应有良好的加工和焊接性能。当前采用较多的是康铜和改性镍铬合金，其中以镍铬硅锰和卡码合金（镍铬铁铝）为最好。它们不仅有较低的电阻温度系数，而且经一定热处理后，还能把它调到与某种弹性体材料匹配达到温度自补偿电阻温度系数的数值，此外还具有良好的线性和稳定性。

由改性镍铬合金作为补偿制成的应变计，不仅能达到温度零漂自补偿，而且对传感器的灵敏度也能达到或接近到自补偿的程度，这是因为传感器输出灵敏度的改变量为：

式中：

△S—灵敏度随温度的改变量

S—灵敏度

Φ—泊桑系数的温度系数，合金钢Φ≈1×10-4/℃

αk—应变计灵敏度系数的温度系数，对康铜αk =0.9×10-4/℃,对卡码合金=αk=-(1.5~3)×10-4/℃

αE—弹性体弹性模量的温度系数，对于合金钢

αE≈-3× 10-4/℃

β材—弹性体的线膨胀系数

对于合金钢材β材≈11×10-6/℃

因为0.23Φ≈2β材，从（7）式可以看出，当采用改性镍铬合金时，△S/S≈0

3、线路补偿零点温度漂移

称重传感器的温度自补偿，主要在于电阻应变计能够达到温度自补偿。在这一基础，还可以通过线路补偿来弥补传感器的零点温度漂移。在实际工作中，传感器往往不是中恒温条件下工作，因此传感器在不受外力作用时，零点将随温度改变而发生变化，这一变化将会影响传感器的准确度和性能，有时影响到不能使用。为此进行补偿，补偿方法是在电桥下的一个臂上串联一个对温度敏感的电阻，贴在弹性体非变形区，并且具有良好热泪盈眶接触的地方。通过逐步逼近方法切断箔栅使达到需要的补偿值。其电阻值由下式计算：

式中：

△ut—温度变化引起的零点漂移量（mV）

u—拱桥电压（V）

R—桥臂电阻

αm—补偿电阻材料的电阻温度系数

αg—应变计的温度系数

Rt随温度变化而改变阻值，使电桥保持稳定，使由于温度变化而引起的零点漂移尽可能小。

4、传感器输出灵敏度的补偿

任何采用弹性元件的地方都存在由于温度变化而引起传感器灵敏度变化问题，这主要是由于弹性体材料的弹性模量E及应变计温度系数K随温度变化而变化所致。对于大多数弹性体材料，当温度升高时，E要减小，据δ=Eε，应变值ε就增加，这意味着承受相同载荷下，在较高温度时的变形比较低温度时的变形大，所以会导致传感器的输出灵敏度变大。

对输出灵敏度的补偿，可在电桥输入端对称串联一补偿电阻，该电阻由铜丝或镍丝制成，也可用镍箔制成可调电阻片。其补偿的原理是：当温度升高时补偿电阻变大，这就降低了桥压，使电桥随温度升高而减少，这就起到对输出灵敏度补偿作用，补偿电阻由下式计算

式中：αE—弹性材料E的温度系数

αk—应变计灵敏系数的温度系数

由于在实际补偿时，不可能获得αk、αE、αm的准确值。因而，上面的αE公式在实际补偿时，无法直接使用，尤其对高精度传感器，通常生产企业在进行传感器灵敏系数温度补偿时，往往在实测的基础上进行，因此采用以下计算公式进行

其中：St—传感器灵敏系数的温度系数

αNi—镍电阻的温度系数

5、实践

应用于棒材厂的钢坯热滚道称重装置，其传感器因受高温900℃钢坯的辐射热和传导热的影响所带来的计量失准问题，经过现实的观察和检测分析，找到了该称量失准和不稳定的主要因素——是由于制造生产商的高温传感器的灵敏度系数温度补偿或多或少地存在欠补偿和过补偿所致。

为此我们大胆而心细应用了公式对失准的传感器进行了计算和现场补偿实践，从而一举获得成功，使原本不稳定及经常失准的高温滚道秤变成了可靠的结算用秤。

6、结束语

传感器是衡器设备的一次元件，是电子衡系统的基础，它直接影响电子衡的稳定性和准确度。而温度变化又是影响传感器精度的重要因素之一，正如前面论述的那样，温度变化直接影响传感器的零点、灵敏度、线性、重复性、滞后等指标，无一不和温度有关，这些都说明温度补偿是传感器最重要的技术环节，温度漂移是衡量传感器的重要指标。

<<参考文献﹕衡器 2006年第35卷第3期>>

应变计使用方法

一、应变计的类型选择

高精度传感器和高精度应力测量用片，选用我厂BH和BF系列应变计。一般传感器及应力分析用片可选用我厂ZF系列应变计。

二、粘剂的选择

传感器及长期测试请用高温固化粘结剂（H-810、H-808、H-811胶）。

三、性体与试件贴片的打磨

一般钢件与铝件可选用220-320目砂纸打磨，达到贴片面平整与氧化层尽可无杂质，要使砂纸磨痕与应变计工作栅呈45°交叉形。