称重传感器在大多数称量实践中，总是伴随出现横向力力矩的干扰， 而产生横向灵敏度。本文分析了引起横向灵敏度的诸因素及其对称量结果的影响。指出横向 灵敏度的大小取决于弹性元件的结构形状，压头、底垫、安装平台等附件的性能，若有5%的 横向力存在，会在高准确度称重传感器中出现满量程±0.1%的偏差；在普通准确度称重传感 器中出现±0.6%的偏羞并以圆柱式称重传感器为例，介绍了利用单层或双层环形膜片与弹 性元件和外壳焊接，补偿横向力和弯曲力矩的原理和工艺方法，给出了圆形膜片的挠度和应 力计算公式。
一、概述
称重传感器在组装电子秤的应用过程中，总 称量轴向载荷时同时出现横向力力矩、电阻应 是伴随出现横向力力矩的干扰因素，诸如称 变计及补偿电阻的灵敏系数有1%~2%的公差以及电阻应变计粘贴位置不准确产生的定位误差等， 这些因素使横向力在弹性元件应变区的轴向对称 点，引起弯曲变形的代数和不等于零，而生产横 向灵敏度，这将严重影响称重传感器的称量结果。 横向灵敏度的大小取决于称重传感器弹性元件的 结构形状，压头、底垫、安装平台等附件的性能。 因此，在称重传感器设计过程中，必须将弹性元 件结构、保护外壳、引入载荷的压头、承受载荷 的底垫和安装平台进行技术密集型组合，研究各 部件的结构形状、制造材料、加工方法、热处理 工艺等对引入载荷的影响以及它们之间的匹配关 系，才能从源头上减少横向力的影响，使得称重 传感器的准确度和其他性能充分发挥出来，保证 电子称重系统的称量准确度。
二、横向灵敏度
现以圆柱式称重传感器为例说明横向灵敏度 影响。称重传感器的结构设计与理论计算是基于 外载荷作用线与弹性元件加荷轴线一致的前提， 且载荷是均匀的沿着轴线传递。事实上，称重传 感器所承受的载荷，即不同轴也不均匀传递，因 此会产生干扰影响。横向力在圆柱式弹性元件上 将产生一个弯曲力矩，使称重传感器的横向灵敏 度不为零。按理这个弯曲力矩应由粘贴在弹性元件 上的电阻应变计对称分布而加以补偿，但是在制造 工艺中很难做到。实践表明若有5%的横向力存在， 会在高准确度称重传感器中出现满量程± 0.1%的偏 差，在普通准确度称重传感器中出现±0.6%的偏 差。对横向力的敏感，主要应归因于电阻应变计 在圆柱式弹性元件应变区内，彼此相对的粘贴位 置并不能提供完全的补偿，因为电阻应变计灵敏 系数有小的分散，并且在弹性元件应变区的粘贴 位置和方向都有小的定位误差。进行零点温度补 偿和零点输出调整的电阻在较小的范围内，也是 对横向力敏感的因素，因为这些补偿电阻与桥臂 电阻应变计串联，降低了每个桥臂的有效灵敏度。 生产实践表明，在弹性元件应变区粘贴电阻应变 计过程中，即使非常小心，也必定产生一定转角 和平移等定位误差。若电阻应变计在圆周方向产 生a =5。的位置偏差，其相对于轴线的角位移P 就可达到1.5。。要想使圆周方向的位置偏差a 只引起不超过满量程0.1%的误差，那么a必须小 于1。对于直径为36mm (20i、58mm (50>和 80mm (100i的圆柱式弹性元件而言，这就意味 着粘贴电阻应变计沿圆周的位置误差小于0.02mm, 显然这是非常苛刻的要求，很难满足。荷兰TN0 机械院的试验表明，电阻应变计沿圆周方向粘贴 位置偏差引起相对于轴线的角位移p=1°时，将产 生满量程0.01%左右的误差。
综上所述，若使称重传感器不产生横向灵敏 度，即完全对横向力不敏感是很困难的，所以他 们提出了三种将横向灵敏度限制到最小的方法：
1.测量出每个称重传感器对横向力不敏感的 方向，并在使用过程中将估计的横向力方向同此 不敏感方向一致。
2.将称重传感器安装在一个静压轴承内，这 样便无横向力可传递。
3.减小某一片或几片电阻应变计灵敏系数， 直到对横向力的敏感完全消除为止。此工艺方法 是在该电阻应变计上串联一个电阻，再在串联电 阻上并联一个电阻进行精确调整实现的。
上述方法，理论上可行但实际应用较困难。 因此，必须对横向力敏感的称重传感器进行横向 力补偿。
三、横向力补偿
称重传感器在大多数称量实践中，总是伴随 出现横向力力矩的干扰，例如称重传感器安 装不正确；承载器结构的热胀冷缩；称量轴向载 荷时同时出现横向力力矩；电阻应变计及补偿 电阻的灵敏系数有1% ~2%的公差；电阻应变计粘 贴位置不准确产生的定位误差等。试验测量得出， 称重传感器轴向加载方向偏斜3°,相当于作用5% 的横向力，称重传感器输出将出现0.2%—0.3%的 误差。现以一圆柱式弹性元件为例，其总高度为 4.5d (d为弹性元件直径，电阻应变计粘贴在距 离底面1.5d处，若有所称量载荷10%的横向力作 用在弹性元件上（一般高准确度称重传感器要求 能承受 10%的横向力）,相当于轴向加载方向偏斜 5.8°,那么在应变区即电阻应变计粘贴处，将引起 23%的附加应变。 若电阻应变计的灵敏系数公差为 2% ,则对称重传感器有可能引起最大为0.36%的附加误差。这是相当可观的，当然此误差系按统 计规律出现，这里仅谈及极限情况，目的是说明 横向力补偿的必要性。
为了减少横向力的影响，在称重传感器结构 设计时，必须将弹性元件结构、保护外壳、引入 载荷的压头，承受载荷的底垫和安装平台进行技 术密集型组合，研究各部件的结构形状、制造材 料、加工方法、热处理工艺等对引入载荷的影响 以及它们之间的匹配关系。尽量选择无摩擦设计， 采用点接触、线接触方式引入和传递载荷。例如 采用钢球、双球面摇柱、链环、马鞍环引入载荷， 因为钢球和双球面摇柱只感受轴向载荷不传递横 向载荷和力矩，且具有自动定心功能。当然，最 重要的还是对称重传感器进行横向力补偿。圆柱 式称重传感器的横向力补偿主要有三种方法：
1.在称重传感器设计时，采用双球面结构的 弹性元件，引入载荷的上球面和传递载荷的下球 面均为无摩擦设计，且具有自动定心功能。
2.采用在弹性元件应变区沿圆周对称粘贴8 片电阻应变计的方案，将处于对称位置的两片电 阻应变计互相串联焊接于电桥的同一个桥臂中， 使得由弯曲所引起的附加应变相互抵消，而达到 横向力补偿的目的。
3.利用膜片和外壳补偿横向力。即在圆柱式 弹性元件上端与外壳之间焊接单层或双层环形膜 片，称重传感器的横向力经过膜片传递给刚度甚 大的外壳和底座，达到平衡横向力的目的。很明 显对膜片的要求是在横向应有很大的刚度，而在 轴向非常柔软只有较小的刚度，对称重传感器的 输出灵敏度影响小，不破坏轴向变形与所称量载 荷的线性关系。
四、横向力补偿工艺要点
圆柱式称重传感器的环形平膜片或波纹膜片 与弹性元件和外壳焊接后，不仅补偿横向力影响 而且还起防护密封作用。其关键问题是补偿横向 力和防护密封，都要求弹性元件与密封外壳之间 有较小的相对运动，此问题处理不好将产生非线 性误差。因此，必须对膜片的应用、性质和制造 方法进行理论和应用研究。
由于横向力补偿膜片与弹性元件和外壳焊接后，组成了超静定结构，如果三者之间变形不协 调将产生内应力，同时导致密封腔内气体压力变 化，引起称重传感器温度漂移。因此要求圆柱式 称重传感器的外壳材料尽量与弹性元件材料具有 相同的线膨胀系数，防止环境温度变化时，由于 超静定结构变形不协调而产生附加误差。因此需 要考虑温度补偿方法，主要是温度变化时，要求 弹性膜片对内应力和外壳的内外压差有调节功能。
膜片是一个平面形状或压有同心折皱形状的 圆形薄板，为便于和弹性元件、外壳焊接在一起， 在膜片中央和外圆周边须留下一光滑部分，并弯 成2mm高的直角边，便于焊接作业。
设平面膜片与外壳焊接处的外径为2a,与弹 性元件焊接处的内径为2b,厚度为h。根据板壳 理论膜片的最大轴向变形Fmx可由下式计算：
称重传感器焊接横向力补偿膜片后，它所消 耗的载荷与所测量载荷之比，即为称重传感器灵 敏度S的降低值，此值一般应小于额定输出值的5%。
称重传感器弹性元件与外壳之间焊接单层膜 片，只能补偿横向力，而不能补偿弯曲力矩，此 时需要将电阻应变计粘贴在弹性元件弯曲力矩为 零的截面上，以消除或减少弯曲力矩的影响。力 学分析得出，在圆柱式弹性元件高度L方向，距 离底面L/3处为弯曲力矩为零的截面，在此截面粘 贴电阻应变计，即使是单层膜片也能取得较好的 弯曲力矩补偿效果。釆用双层膜片补偿工艺，其 优点是即可以补偿横向力同时又能消除弯曲力矩 影响，缺点是必须增加弹性元件高度和外壳厚度, 因而使称重传感器的纵向尺寸和整体重量增加较 大，对输出灵敏度的影响也增加一倍。
检查称重传感器横向力补偿效果的方法，是 使称重传感器倾斜的安装于力标准机上，此倾斜 角的正弦即为横向力的百分比。一般多将一块角 度p=1°_2°的斜块，以底面为基础安装在力标准 机的下承载面上，被测量的称重传感器安装在斜 块与力标准机上压头之间并对中准确。试验时对 称重传感器施加额定载荷，测量其输出值，然后 使称重传感器绕中心轴旋转90。、180。、270。,并 分别测量出其输出值，即可看出横向力补偿效果。
还应当指出，膜片与弹性元件、膜片与外壳焊 接工艺至关重要，焊接不良不但较大降低称重传感 器的灵敏度，而且还会增大滞后和重复性误差。因 此，对焊接技术和焊接工艺装备有如下要求：
1焊接时的热影响区尽量小，这就要求在进行结构设计时焊缝尽量远离电阻应变计粘贴位置； Q焊缝应均匀、整齐、美观、可靠，尽量不 使膜片变形，因此要求焊接膜片设计成波纹平膜 片、杯形膜片，以减少焊接变形，降低残余应力 对灵敏度的影响；
0弹性元件的坡口和焊接膜片尖角应符合焊 接工艺要求，焊缝位置开敞易于焊接作业，以保 证焊缝质量；
4.工艺简单，焊接效率高。
高准确度称重传感器的横向力补偿膜片，多 釆用电子束焊接和激光焊接。其共同特点是不接 触焊接，电子束焊接在102pa_103pa压力真空腔内 进行，激光焊也可在透明真空罩内进行，不受各 种污染物影响；焊接时能量快速高度集中，热影 响区小，被焊件不变形；没有焊渣，也不需要清 除氧化膜。
