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称重传感器的温度特性

梅特勒—托利多精密仪器公司
金荣然

称重传感器的温度特性
1.0 称重传感器温度特性的影响：
大家知道，称重传感器是用在衡器（秤）中的，它的性能的好坏，将直接地影响到衡器的性能，尤其是温度特性。
称重传感器的温度特性主要有两项，一是称重传感器的零点温度系数，相似于现国标中的温度对最小静负荷输出的影响，另一项为称重传感器灵敏度温度系数，即现国标中所述的温度对灵敏度的影响。
为了说明这两项指标（spec.）的重要性，我们来打个比方。
假设有一把杆秤，见图1。一般而言，它由秤杆，秤盘，秤纽和秤砣几部分组成。
L
l1
l2
P1
P2
秤杆
秤砣
秤盘
秤纽
图1

当秤盘中没有放任何负载时，由于秤盘自身的重量，使得秤砣要放在P1的位置上，秤杆能平衡。我们常常在P1的位置上打上一个标记，这个标记通俗地称之为“定盘星”，它表示了这杆秤的称量零点。
当在秤盘中放上了额定负荷（即制作秤时，预期要该秤称量的负荷）时，此时秤砣要放置到P2位置，秤杆又可出现平衡，我们也可在P2处打上标记，以示秤盘中的物重。我们把P1P2间的长度L称为此杆秤的量程。
若我们把此杆秤理解为一只称重传感器，那么，定盘星可以理解为称重传感器的零输出，即秤盘中无载荷时的输出；若要把定盘星理解为最小静负荷输出，那么就把秤盘的重量理解为最小静负荷；当然，我们把L的长度可以理解为称重传感器的额定输出，也就是灵敏度。
我们希望这一个杆秤很准，就需要它在任何环境条件下，定盘星的位置不变，杆长L也不变。但是很遗憾，实际上这两者是随着工作环境的变化而变化的。如图所示，P1的位置会在l1的范围内变化，L的长度会在l2的范围内变化，而且有时变化的范围还相当大。有人可能说，杆秤，我们也见过，没有听说过，定盘星和杆长变化而影响杆秤的准确度的，实际上是因为杆秤的准确度等级很低。例如一杆30斤的秤，每两都有一个标记，它也不过只有300分度，所以，P1，P2位置的变化的影响还看不出来而已，当我们要做的秤达到3000分度，甚而5000分度时，P1，P2位置的变化就会明显影响称量结果。
在称重传感器中，P1的变化就是零输出变化，若它是温度引起的，我们就用零点温度系数（或温度对最小静负荷输出的影响）来描述它；P2的变化，或者说L的变化，就是传感器灵敏度的变化，若它是由温度变化引起的，它就是灵敏度温度系数，也就是温度对灵敏度的影响。
现在，我们很容易想象P1点变化，P2点也变化时，这杆秤还会准吗？尤其是一把高精度的秤。
正因为如此，我们制作称重传感器时，要做严格的零点温度补偿，即让P1不变化，或者说得更确切一点，要让它的变化限制在一个很小的范围内；同时，我们也要做严格的灵敏度温度补偿，使得杆长L不变化（在P1不变的条件下，P2也不变），或者说要让它的变化也控制在一个可以接受的范围内。若我们做不到这一点，那么，制造用于高精度秤的称重传感器就是一句空话了。
2.0 称重传感器温度特性产生的原因：
称重传感器零点温度系数和灵敏度温度系数产生的主要原因是不相同的。现在来分别给予说明。
2.1 零点温度系数产生的主要原因：
我们知道制作传感器时，我们要把一片片的应变片粘贴到弹性体上去，应变片一般总有基底和丝栅两部分组成，粘贴时要用到贴片胶。我们也知道，天下大多数物质有热胀冷缩的特性，即受热时膨胀，冷却时收缩。前面我们提到的应变片丝栅，应变片基底，贴片胶胶层，弹性体它们都具有此特性，而且它们伸缩的大小还不一样；另一方面，应变片丝栅是一种电阻材料制成的，它的材料电阻率也会随着温度的变化而变化。当它们组合在一起时，在温度场中时，最终表现为应变片阻值的变化；又由于应变计制作及传感器制作中大量的人力手工劳作，就使得同一传感器上的各应变片表现出各各不同的阻值变化，后经检测电路把它们汇总成一个零点输出（Z.0），很容易想象，此时的零点输出就变成了温度的函数了，它随着温度的变化而不断变化着。
2.2 灵敏度温度系数产生的主要原因：
前面我们已经提到过，制作称重传感器时，我们要把应变片贴到弹性体上去。
应变片有一个重要参数，即应变片的灵敏系数K，它描述的是丝栅长度方向发生应变时，它本身电阻值的相对变化率。研究证明，应变片的灵敏系数是随着环境温度的变化而变化的，也就是说，一片应变片在不同的温度下，尽管它感受的应变是一样的，但它产生的电阻变化大小却不一样。
此外，我们知道，传感器的弹性体一般是由金属材料制成的，而金属材料有一个重要参数，是它的弹性模量E（也称杨氏模量），它是描述金属材料受力后，产生变形的大小的一个参数。研究证明，弹性模量受温度的影响后会变化，一般是随温度的升高而变小。这就使得传感器在所受外力未变的情况下，随环境温度的升高而产生更大的变形，它和应变计灵敏系数的变化结合在一起，使得传感器的输出会增加。这种增加就意味着，传感器的灵敏度随着环境温度的升高而变大了。这就是所谓的称重传感器的灵敏度温度系数。
3.0 称重传感器温度特性的改善：
3.1 改善的方法：
称重传感器温度特性的改善方法就是做零点温度系数补偿和做灵敏度温度补偿。现在的补偿工艺已相当成熟，都可以达到20ppm / ℃以下。至于具体的补偿方法，由于和具体的检测电路有关，我们就不在此多做阐述了。
3.2 改善方法实现中的难度：
当我们要改善传感器零点温度特性时，我们首先是要测出它，然后才能用补偿的方法改善它。传感器在制作过程中，尤其是在大批量生产时，传感器的零点温度特性的离散性还是很大的，所以无法用统一的补偿参数对各只传感器来完成补偿，只有一只只单独测试，单独补偿；补偿过后，还要一只只地单独复测，以检验补偿的效果。可想而知，当大量生产称重传感器时，这种测试工作量非常大，完成起来也非常吃力的；更何况，这种测试要在不同的环境条件（-10℃~40℃）下完成，其困难程度是可想而知了。
要完成这一工作，首先要准备一个大型环境试验室，它内部的气温要在-10℃~40℃中可任意调节，并且在温室中的不同位置上，只有极小的温度差别，而且温度控制的准确度要相当的高。所以，这种温室的造价是很昂贵的。
其次，因为在温室中一次装载量可能有几百只，所以数据的采集不能再用人工来做（容易出错）。所以，一般均应配备数据采集系统和采用数据库技术，要用计算机管理，这种系统也价格不菲。
当传感器产量很大时，这种温室和数据采集系统需要多套，这就要求有大量的投入。这种资本投入对一个小型企业而言，是很庞大的，很难负担得了。
下面我们来说说灵敏度温度补偿实施中的困难。
首先，还是要有一只高低温试验箱，它的工作温度范围也应为-10℃~40℃，箱内的温度均匀度及温度的准确度均有较高的要求。
其次是这个温箱必须和力机安装在一起，即使传感器处在该温箱中，承受环境温度变化时，还要同时承受外加的力。而这种力机必须是一台高准确度的力机，通常应采用静重式的，有些杠杆机勉强可用，而比对式力机一般说来是不适宜的。而静重式力机的制造要求很高，价格非常昂贵，例如，一台砝码用不锈钢制成的静重力机，估计造价要达数百万元之巨。
可见，这种资本的投入，也不是一个小型企业能承担的。
4.0 结束语：
称重传感器的两个主要温度特性，零点温度系数（温度对最小静负荷输出的影响）和灵敏度温度系数（温度对灵敏度的影响），对秤的性能有直接影响。为了制作出高精度的秤，必须对它们进行有效的补偿，在对它们进行补偿的过程，要进行大量的检测，而这些检测设备的资本投入是很巨大的，只有掌握了先进的传感器制造技术，又实力雄厚的大型企业才能做好这一 方面的工作。而梅特勒-托利多公司（MT）正是这样一个公司。
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