1 引言

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的使用環(huán)境有時非常惡劣。在這類環(huán)境中, 如果不對傳感器進行可靠有效的密封, 那么外界的濕氣、空氣中的污染物等將會影響應(yīng)變片等關(guān)鍵器件的物理化學(xué)特性, 從而導(dǎo)致稱重傳感器在短期內(nèi)失效。所以, 對于高質(zhì)量高可靠性的稱重傳感器一般采用金屬焊接膜片的全密封方式。然而, 全密封結(jié)構(gòu)在傳感器內(nèi)部形成的密封腔體, 可能導(dǎo)致傳感器的輸出會隨外部氣壓的變化而變得不穩(wěn)定。當(dāng)然, 在實際應(yīng)用方面, 如果周圍環(huán)境狀況穩(wěn)定, 用戶可以在實施加載前對采集儀進行清零操作, 從而保證測量的準(zhǔn)確性。目前存在的問題之一是在計量檢定的時候, 根據(jù)OIML R60, 其中一項測試要求是稱重傳感器對大氣壓的輸出變化不敏感[1]。針對這一問題, 文獻[2]對此做了深入的研究分析。另一個可能存在的問題在于, 焊接密封型傳感器周圍的環(huán)境溫度發(fā)生變化時, 其內(nèi)部密封腔體的氣體因此膨脹或收縮, 從而在傳感器內(nèi)外產(chǎn)生壓差效應(yīng), 同樣可能會導(dǎo)致傳感器的輸出發(fā)生變化。因此, 本文主要針對這一問題進行了實驗驗證和理論分析。

2 實驗方法

本文所用的焊接密封型稱重傳感器的量程為500kg, 外形如圖1所示。

考慮到稱重傳感器的輸出同樣會受到溫度變化的影響。為了將溫度造成的壓差效應(yīng)對傳感器輸出的影響與傳感器自身受溫度變化的影響區(qū)分開, 本文采用了如下的實驗方法:

圖1 實驗用焊接密封型稱重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖  

(1) 將完全焊接密封好的傳感器樣品置于溫箱中, 設(shè)置溫箱的溫度循環(huán)順序如下:25℃, -10℃, 25℃, 60℃, 25℃。記錄傳感器樣品的零點輸出情況。其中, 中間三個溫度點的保溫時間為10個小時;

(2) 在傳感器樣品的應(yīng)力不敏感區(qū)開一個通氣孔, 一般是電纜出線所在區(qū)域, 使得傳感器內(nèi)部密封腔體始終與外部大氣相通。然后重復(fù)上述溫度循環(huán)實驗, 并對兩次的試驗數(shù)據(jù)進行對比。

3 試驗結(jié)果

傳感器樣品在焊接密封狀態(tài)下的零點輸出隨溫度變化的曲線圖, 如圖2所示。傳感器樣品在通氣狀態(tài)下的零點輸出隨溫度變化的曲線圖, 如圖3所示。通過對比試驗可以看出, 傳感器樣品在密封狀態(tài)下, 其零點輸出在溫度恒定狀態(tài)下存在緩慢的漂移現(xiàn)象。當(dāng)傳感器樣品在通氣狀態(tài)下, 其零點輸出在恒溫下保持穩(wěn)定, 沒有出現(xiàn)明顯的漂移現(xiàn)象。因此, 我們可以假設(shè), 傳感器樣品的零點輸出不穩(wěn)定是由于傳感器密封腔體內(nèi)的壓力發(fā)生改變引起的:當(dāng)外界溫度變化時, 傳感器密封腔體中的氣體壓力隨溫度變化而發(fā)生變化, 此時傳感器內(nèi)外壓力不平衡會產(chǎn)生壓力作用于彈性體上, 最終導(dǎo)致傳感器輸出的異常變化。

4 分析與討論

為進一步驗證上述實驗結(jié)果的假設(shè), 我們分析如下:

圖2 傳感器零點輸出隨溫度變化曲線圖 (密封狀態(tài))   

圖3 傳感器零點輸出隨溫度變化曲線圖 (通氣狀態(tài))   

首先, 假設(shè):

(1) 傳感器密封腔體內(nèi)的氣體是在常溫25℃狀態(tài)下被密封;

(2) 忽略傳感器腔體在受力變形后的體積變化。

根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程[3]建立溫度T、壓強P和體積V之間的關(guān)系如下公式 (3-1) 。

其中, n是腔體內(nèi)氣體的物質(zhì)的量, 單位mol。R是氣體常量, 約為8.314J/ (mol.K) 。

根據(jù)公式 (3.1) 和假設(shè) (2) , 可知密封腔體內(nèi)氣體不同溫度下的壓強關(guān)系如下:

根據(jù)式 (2) 計算可知, 如果外界溫度從25℃升溫至60℃, 傳感器內(nèi)外部產(chǎn)生的壓差大約有12kPa。即溫度每變化10℃, 約產(chǎn)生3.4kPa的壓差。

進一步地, 我們建立了傳感器樣品的有限元模型, 并在傳感器內(nèi)部施加一個12kPa的壓力, 評估其對傳感器輸出的影響。加載條件, 如圖4所示。

根據(jù)有限元計算結(jié)果:試驗用傳感器零點輸出誤差約為0.07kgf/kPa。換算為溫度產(chǎn)生的壓差誤差約在0.24kgf/10℃。將上述理論計算結(jié)果與之前的試驗結(jié)果對比, 如表1所示。根據(jù)以上結(jié)果, 可以看出溫度產(chǎn)生的壓差影響在傳感器零點輸出誤差中具有顯著的影響;同時, 由于溫度壓差效應(yīng)的存在, 傳感器的輸出穩(wěn)定時間也變得更長。理論計算得到壓差對零點輸出的影響要大于試驗計算, 可能是由于試驗中實際壓差沒有達到理論計算的壓力值。

圖4 1/4有限元模型   

8結(jié)論

本文通過簡單的試驗設(shè)計驗證了稱重傳感器內(nèi)部密封氣體的氣壓受溫度變化會對傳感器的輸出誤差和輸出穩(wěn)定時間造成明顯的影響。進一步對本文實驗采用的500kg稱重傳感器進行有限元分析后, 結(jié)果表明, 溫度每變化10?C, 傳感器的輸出大約變化0.048%FS, 與試驗結(jié)果0.035%FS相比略高, 但差異不大。根據(jù)理論和試驗結(jié)果可知, 溫度引起的壓差效應(yīng)對傳感器輸出的影響是不可忽視的。不過, 由于本文實驗選用的稱重傳感器結(jié)構(gòu)具有典型性, 對于其他不同結(jié)構(gòu)的焊接密封型傳感器仍有待進一步驗證溫度壓差效應(yīng)對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響。

表1 傳感器零點輸出誤差試驗與理論結(jié)果對比