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關于稱重傳感器零點溫度補償合格率的影響因素與提升方法

發布時間:2020-9-30 15:02:27                  點擊次數:367 次

本文主要介紹了幾種影響稱重傳感器零點溫度漂移的重要因素,并逐 一對這些影響因素進行分析、討論,提出相應的改善措施,從而改善批量生產中 產品的零點溫度漂移補償合格率。

【關鍵詞】零點溫度補償;合格率提升;稱重傳感器;

一、   引言

一直以來,零點溫度補償技術是稱重傳感器研制和批量生產中的重點技術和 核心工藝之一,提升零點溫度補償合格率是提高生產效率、縮短交期的必要手段 之一。影響稱重傳感器零點溫度漂移的因素很多,但減小零點溫度漂移最有效的 方法,就是對稱重傳感器逐個進行零點溫度補償。那么,如何提高零點溫度補償 合格率,則是每個稱重傳感器制造廠家目前所面臨的工藝難題之一。

 二、 稱重傳感器零點溫度漂移的概述

 零點溫度漂移定義:稱重傳感器零點輸出受環境溫度影響,隨溫度變化而變 化。

零點溫度漂移產生的原因:由于惠斯通電橋四個橋臂的電阻溫度系數不一致 性引起的隨溫度變化的輸出偏差。

零點溫度漂移補償機理:在某一較小電阻溫度系數的橋臂中串入溫度系數較 高的電阻,以平衡橋臂間的電阻溫度系數。

零點溫度漂移最常用的補償方法: 惠斯通電橋如圖 1 所示,設常溫 t1 時測得的零點輸出電壓為 UO1,高溫 t2 時測 得的零點輸出電壓為 UO2。 若△UO= UO2- UO1>0,說明當溫度從常溫 t1 升至高溫 t2 期間,橋路 BC+AD 橋 臂電阻增加的值大于橋路 AB+CD 橋臂電阻增加的值,則零點溫度補償電阻 Rt 應串 接在 AB+CD 橋臂中。反之,若△UO= UO2- UO1<0,則 Rt 應串接在 BC+AD 橋臂中。 零點溫度補償電阻 Rt 應選取電阻溫度系數較大的材質,用以抵消橋臂間因溫度 變化引起的電阻增量差值,從而使稱重傳感器的零點輸出保持不變。 A B C D R1 R2 R4 R3 Ui Uo Rt + - 零點溫度補償電路.

 三、零點溫度漂移補償合格率影響因素及改善措施 改善零點溫度漂移補償合格率一般從提升原始零點溫度漂移合格率和提升 零點溫度漂移驗證合格率兩個方面考慮,影響這兩個合格率的主要因素有以下幾 種:

 1、應變計因素 將電阻應變計安裝在彈性體上,彈性體不受任何外力作用的情況下,電阻應 變計的阻值隨環境溫度的變化而變化,這種變化我們稱之為電阻應變計的熱輸 出,是電阻應變計敏感柵材料的電阻溫度系數及敏感柵材料和彈性體之間的線膨 脹系數的差異共同作用,疊加產生的結果。電阻應變計的熱輸出是靜態應變測量 中最大的誤差源,也是影響原始零點溫度漂移的重要因素之一。 因此,為了改善產品的原始零點溫度漂移合格率,我們應盡可能的選用熱輸 出趨于零的電阻應變計。那么,如何選用熱輸出趨于零的電阻應變計呢? 首先,電阻應變計廠家一般會以不同代碼來表示溫度自補償應變計所適用試 件材料的線膨脹系數,我們根據廠家提供的電阻應變計溫度自補償代號,按彈性 體材質選取與其相對應的電阻應變計。 其次,因為電阻應變計在制作過程中,同一整版的電阻應變計之間基底、敏 感柵、粘貼劑、覆蓋層等各種材料的溫度系數一致性要比不同版的好,例如同一 款產品,兩片半橋片組成的惠斯通電橋比隨機四片單電阻應變計組成的惠斯通電 橋原始零點溫度漂移合格率要高。所以,同一彈性體應盡量選取同一整版相鄰且 阻值接近的電阻應變計,最大程度的實現對彈性體的溫度自補償功能,從而提高 原始零點溫度漂移合格率,滿足生產需求。

 2、橋路中導體連接線因素 圖 2 為最簡單的全橋式惠斯通電橋,由四個應變電阻和導體組成。橋路中的 導體一般有導線、金屬絲以及線路板中的金屬導體等。由于橋臂間各導體的熱膨 脹系數不同,會導致電橋零點輸出隨溫度變化而產生漂移,因此橋臂間各導體的 熱膨脹系數也是影響原始零點溫度漂移的重要因素之一。 為消除此影響因素,橋路設計時應盡可能的考慮對稱。即 AB+CD 橋臂間的 導體與 BC+AD 橋臂間的導體盡可能的對稱,包括各導體的材質、粗細以及長度, 同一材質的導體盡量保證電阻相等,若布線時長度無法做到一致,可調整導體的 粗細,例如調整線路板上的銅箔厚度或寬度來達到電阻平衡,實現橋路的溫度自 補償功能,從而提高原始零點溫度漂移合格率。 A B C D R1 R2 R4 R3 Ui Uo + - + - 圖 2 惠斯通電橋

 3、彈性體與附件因素 若稱重傳感器在零點溫度補償后,安裝了如殼體、密封蓋板、底板、壓頭等 附件,或被直接固定在秤臺上,彈性體與附件或秤臺等直接接觸的物品之間如果 材質不同,溫度系數的差異導致彈性體與直接接觸的物品之間產生不同程度的膨 脹,對彈性體產生拉伸或擠壓的力,導致零點溫度漂移疊加了受力后的輸出變化 量,致使實際的稱重傳感器零點溫度漂移超出范圍,影響正常使用。 因此,為避免此現象發生,在設計或選用附件時應盡量采用與彈性體相同的 材質。若材質無法統一,可先驗證安裝附件后的影響量,根據驗證所得的數據, 調整補償范圍,使產品更符合現場應用,提高成品溫漂合格率。 4、設備因素 批量生產時,為保證生產效率,大型步入式數據采集設備已被眾多稱重傳感 器制造廠家廣泛使用。但是,若設備內溫度不均勻則會導致部分產品實際溫度與 設定的溫度偏差大,而溫漂補償數據是以設定溫度進行計算,致使采集數據不準 確而補償不合格。其次,為滿足設備利用率,同一設備中可能含有多種結構產品, 不同結構的產品由于體積不同,產品實際升溫時間各不相同,若產品升溫時間超 過設備設定的保溫時間,數據采集時,產品實際溫度達不到設備設定溫度,也會 出現采集數據不準確而補償不合格的情況。 為改善上述現象,設備在正式投產前需進行溫度均勻性及產品升溫時間、保 溫效果驗證,正常使用后也需定期檢測驗證。對不同體積的產品進行產品實際升 溫時間驗證,按體積設置對應的保溫時間,不同體積產品同時采集數據時,按保 溫時間上限設定。 另外,若采集設備采用鼓風裝置,鼓風開啟時震動明顯,也會導致采集數據 不準,尤其是小量程產品,數據變化更加明顯。因此,采用鼓風裝置的設備應增 加減震裝置,避免震動影響。 采集設備每個通道端口原始溫漂值各不相同,產品在換端口或換設備驗證 時,疊加的溫漂值不同,影響產品驗證合格率。所以,在采集設備正常投產前, 應驗證設備各端口的原始溫漂值,并將這個影響值加進算法中,用以保證采集數 據的準確性。 5、補償電阻溫度系數因素 補償電阻的實際溫度系數與理論值之間存在差異,導致理論計算的補償電阻 不準,影響補償結果,從而導致數據不合格,需反復多次驗證。因此,不同批次 補償電阻在使用前應先驗證溫度系數。

 6、傳感器不同狀態影響因素 稱重傳感器不同方式擺放會導致產品不同程度受力,S 型產品不同 方式擺放所示,圖中 S 型產品三種擺放方式使產品本身產生的力各不相同,采集 的數據疊加了不同受力狀態下的信號輸出,使補償數據不準確,而需反復多次驗 證,量程越小越明顯。S 型產品不同方式擺放 因此,每次采集數據時產品擺放方式應盡量一致,且應與客戶現場使用狀態 保持一致。例如客戶現場是懸掛使用,實際生產中,每次驗證應將產品懸掛采集 數據,使補償數據更符合客戶現場使用。 

7、人為因素影響 實際生產中,由于人為操作因素影響合格率的現象也普遍存在。例如應變計 貼片不良、產品絕緣不良、測試線位置焊接錯誤、測試線與設備端口對接不良、 手工焊接虛假焊等等,都會導致采集數據不穩定,補償電阻值計算錯誤、補償位 置焊接錯誤、產品與采集數據不對應、設備運行程序錯誤等等都會導致補償數據 不準確。 為避免人為因素影響,最好的方法是推進設備自動化,減少人工作業。其次 是進一步落實“三檢制”制度,并加強崗位作業人員業務技術水平培訓,提升操 作技能和意外突發事件的處理能力,在崗位出現問題時,能第一時間進行有效處 理。 三、 結束語 總的來說,在排除人為因素影響后,當不同型號產品出現批量零點溫度漂移 補償合格率低時,優先從設備、補償電阻溫度系數等因素分析。當個別型號出現 零點溫度漂移補償合格率低時,優先從橋路設計、電阻應變計選型、計算參數是 否正確等因素分析,另小量程或微型產品還要考慮產品擺放方式及位置是否合 理,大量程或大體積產品還需考慮保溫時間的設定是否合理。零點溫度漂移補償 合格率提升不僅僅是暫時性的難題,也是一個持續改進的過程。 >。則 Rt 應串接在 BC+AD 橋臂中。 零點溫度補償電阻 Rt 應選取電阻溫度系數較大的材質,用以抵消橋臂間因溫度 變化引起的電阻增量差值,從而使稱重傳感器的零點輸出保持不變。


三、零點溫度漂移補償合格率影響因素及改善措施 改善零點溫度漂移補償合格率一般從提升原始零點溫度漂移合格率和提升 零點溫度漂移驗證合格率兩個方面考慮,影響這兩個合格率的主要因素有以下幾 種:

 1、應變計因素 將電阻應變計安裝在彈性體上,彈性體不受任何外力作用的情況下,電阻應 變計的阻值隨環境溫度的變化而變化,這種變化我們稱之為電阻應變計的熱輸 出,是電阻應變計敏感柵材料的電阻溫度系數及敏感柵材料和彈性體之間的線膨 脹系數的差異共同作用,疊加產生的結果。電阻應變計的熱輸出是靜態應變測量 中最大的誤差源,也是影響原始零點溫度漂移的重要因素之一。 因此,為了改善產品的原始零點溫度漂移合格率,我們應盡可能的選用熱輸 出趨于零的電阻應變計。那么,如何選用熱輸出趨于零的電阻應變計呢? 首先,電阻應變計廠家一般會以不同代碼來表示溫度自補償應變計所適用試 件材料的線膨脹系數,我們根據廠家提供的電阻應變計溫度自補償代號,按彈性 體材質選取與其相對應的電阻應變計。 其次,因為電阻應變計在制作過程中,同一整版的電阻應變計之間基底、敏 感柵、粘貼劑、覆蓋層等各種材料的溫度系數一致性要比不同版的好,例如同一 款產品,兩片半橋片組成的惠斯通電橋比隨機四片單電阻應變計組成的惠斯通電 橋原始零點溫度漂移合格率要高。所以,同一彈性體應盡量選取同一整版相鄰且 阻值接近的電阻應變計,最大程度的實現對彈性體的溫度自補償功能,從而提高 原始零點溫度漂移合格率,滿足生產需求。

2、橋路中導體連接線因素  為最簡單的全橋式惠斯通電橋,由四個應變電阻和導體組成。橋路中的 導體一般有導線、金屬絲以及線路板中的金屬導體等。由于橋臂間各導體的熱膨 脹系數不同,會導致電橋零點輸出隨溫度變化而產生漂移,因此橋臂間各導體的 熱膨脹系數也是影響原始零點溫度漂移的重要因素之一。 為消除此影響因素,橋路設計時應盡可能的考慮對稱。即 AB+CD 橋臂間的 導體與 BC+AD 橋臂間的導體盡可能的對稱,包括各導體的材質、粗細以及長度, 同一材質的導體盡量保證電阻相等,若布線時長度無法做到一致,可調整導體的 粗細,例如調整線路板上的銅箔厚度或寬度來達到電阻平衡,實現橋路的溫度自 補償功能,從而提高原始零點溫度漂移合格率。

3、彈性體與附件因素 若稱重傳感器在零點溫度補償后,安裝了如殼體、密封蓋板、底板、壓頭等 附件,或被直接固定在秤臺上,彈性體與附件或秤臺等直接接觸的物品之間如果 材質不同,溫度系數的差異導致彈性體與直接接觸的物品之間產生不同程度的膨 脹,對彈性體產生拉伸或擠壓的力,導致零點溫度漂移疊加了受力后的輸出變化 量,致使實際的稱重傳感器零點溫度漂移超出范圍,影響正常使用。 因此,為避免此現象發生,在設計或選用附件時應盡量采用與彈性體相同的 材質。若材質無法統一,可先驗證安裝附件后的影響量,根據驗證所得的數據, 調整補償范圍,使產品更符合現場應用,提高成品溫漂合格率。

 4、設備因素 批量生產時,為保證生產效率,大型步入式數據采集設備已被眾多稱重傳感 器制造廠家廣泛使用。但是,若設備內溫度不均勻則會導致部分產品實際溫度與 設定的溫度偏差大,而溫漂補償數據是以設定溫度進行計算,致使采集數據不準 確而補償不合格。其次,為滿足設備利用率,同一設備中可能含有多種結構產品, 不同結構的產品由于體積不同,產品實際升溫時間各不相同,若產品升溫時間超 過設備設定的保溫時間,數據采集時,產品實際溫度達不到設備設定溫度,也會 出現采集數據不準確而補償不合格的情況。 為改善上述現象,設備在正式投產前需進行溫度均勻性及產品升溫時間、保 溫效果驗證,正常使用后也需定期檢測驗證。對不同體積的產品進行產品實際升 溫時間驗證,按體積設置對應的保溫時間,不同體積產品同時采集數據時,按保 溫時間上限設定。 另外,若采集設備采用鼓風裝置,鼓風開啟時震動明顯,也會導致采集數據 不準,尤其是小量程產品,數據變化更加明顯。因此,采用鼓風裝置的設備應增 加減震裝置,避免震動影響。 采集設備每個通道端口原始溫漂值各不相同,產品在換端口或換設備驗證 時,疊加的溫漂值不同,影響產品驗證合格率。所以,在采集設備正常投產前, 應驗證設備各端口的原始溫漂值,并將這個影響值加進算法中,用以保證采集數 據的準確性。

 5、補償電阻溫度系數因素 補償電阻的實際溫度系數與理論值之間存在差異,導致理論計算的補償電阻 不準,影響補償結果,從而導致數據不合格,需反復多次驗證。因此,不同批次 補償電阻在使用前應先驗證溫度系數。

6、傳感器不同狀態影響因素 稱重傳感器不同方式擺放會導致產品不同程度受力,如圖 3、S 型產品不同 方式擺放所示,圖中 S 型產品三種擺放方式使產品本身產生的力各不相同,采集 的數據疊加了不同受力狀態下的信號輸出,使補償數據不準確,而需反復多次驗 證,量程越小越明顯。

因此,每次采集數據時產品擺放方式應盡量一致,且應與客戶現場使用狀態 保持一致。例如客戶現場是懸掛使用,實際生產中,每次驗證應將產品懸掛采集 數據,使補償數據更符合客戶現場使用。

 7、人為因素影響 實際生產中,由于人為操作因素影響合格率的現象也普遍存在。例如應變計 貼片不良、產品絕緣不良、測試線位置焊接錯誤、測試線與設備端口對接不良、 手工焊接虛假焊等等,都會導致采集數據不穩定,補償電阻值計算錯誤、補償位 置焊接錯誤、產品與采集數據不對應、設備運行程序錯誤等等都會導致補償數據 不準確。 為避免人為因素影響,最好的方法是推進設備自動化,減少人工作業。其次 是進一步落實三檢制制度,并加強崗位作業人員業務技術水平培訓,提升操 作技能和意外突發事件的處理能力,在崗位出現問題時,能第一時間進行有效處 理。

三、 結束語 總的來說,在排除人為因素影響后,當不同型號產品出現批量零點溫度漂移 補償合格率低時,優先從設備、補償電阻溫度系數等因素分析。當個別型號出現 零點溫度漂移補償合格率低時,優先從橋路設計、電阻應變計選型、計算參數是 否正確等因素分析,另小量程或微型產品還要考慮產品擺放方式及位置是否合 理,大量程或大體積產品還需考慮保溫時間的設定是否合理。零點溫度漂移補償 合格率提升不僅僅是暫時性的難題,也是一個持續改進的過程。

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