技术文章

一、概述 
圆柱、圆筒式称重传感器以其结构简单紧凑，体积小，量程大，重量轻；弹性元件与保护外壳
的几何形状为简单的圆柱、圆筒形，容易加工出较高的尺寸和形位精度；弹性元件刚度大，固有频
率高，动态响应快；加载承载边界可设计成双平面、一平面一球面、双球面多种结构形式等特点，
在各种结构的大型电子衡器中得到较为广泛的应用。具有相同截面积的圆筒式与圆柱式弹性元件，
对于纯轴向载荷的刚度相同，但圆筒式结构的弹性元件有更大的惯性矩，所以它具有更好的抗弯曲
能力，多应用于大型电子吊钩秤。 【楚承制造】
从称重传感器弹性元件设计原则分析，尽管圆柱、圆筒式弹性元件具有十分突出的特点，但其
固有线性差，容易产生旋转误差等缺点也是非常致命的。因此必须作好弹性元件、保护外壳、压头
底垫结构设计和非线性补偿，控制旋转误差，才能使其达到较高的准确度等级。圆柱、圆筒式称重
传感器产生非线性误差的主要因素是： 
（1）面积效应影响。弹性元件承受拉向、压向载荷时，应变区截面积变化，导致 P—σ 关系的
非线性； 
（2）泊松比效应影响。即弹性元件轴向和环向应变相差较大，致使电桥内某一桥臂电阻的变
化与相邻桥臂电阻的反向变化不匹配，所引起的电桥非线性误差； 
（3）材料性能影响。应力应变关系主要是弹性元件材料的误差，当应变程度较高时，其应力
应变关系并非*线性，且滞后、蠕变及弹性模量不是理想的常数，载荷增加时非线性也增加； 
（4）焊接密封膜片影响。主要是非线性的密封模片对载荷的分路作用，即当环境温度变化时，
由于焊接膜片与外壳组成超静定结构，因变形不协调而产生内应力，外壳尺寸改变导致密封腔内气
体压力变化，引起称重传感器温度漂移。  【楚承制造】
 圆柱、圆筒式弹性元件的旋转误差是附加的非测量应变量的函数，其影响因素是： 
（1）圆柱、圆筒式弹性元件、引入载荷的压头、承受载荷的底垫机械加工的形位误差影响，
主要是同心度、对称度、平行度超差引起的各方位应变量不同； 
（2）电阻应变计工作特性和弹性元件上电阻应变计的定位误差，引起的附加应变量。 
从前，对圆柱、圆筒式称重传感器的非线性误差，多以理论分析为主，其结论大致相同：称重
传感器本身（包括弹性元件、电阻应变计、电桥电路）固有的非线性误差一般比较小，对准确度影
响不大；弹性元件应变区的应变梯度和电阻应变计定位偏差对非线性影响甚大，减小此值可较大减
少非线性误差；弹性元件、压头、底垫尺寸对应变区的应变梯度有影响，结构设计不合理将导致较
大的非线性误差等等，没有跳出传统的理论分析模式。现代称重传感器结构设计与计算，应采用数
学分析手段建立各项特性的数学模型，通过数学拟合公式对相关误差进行分析和推算，给非线性补
偿技术奠定理论基础。为此必须掌握圆柱、圆筒式弹性元件结构特点，非理想加载（如偏心载荷、
侧向载荷）、物理变量（如温度、压力、振动）对非线性的影响。本文通过建立数学模型和数学分
析方法，对圆柱、圆筒式弹性元件应变区面积效应产生的误差，金属材料泊松比引起的电桥电路非
线性误差，焊接密封膜片对载荷分路作用造成的非线性误差和电阻应变计定位偏差产生的旋转加荷
误差进行分析。 

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上海楚承电子有限公司

2015.5.8