使用自重校准重量传感器

显示了使用砝码校准传感器的正确程序，并描述了导致误差增加的典型故障。可以获得量规研究性能优势。

使用MAX1452和MAX1455精密传感器信号调理器集成电路对基于应变片的重量传感器进行校准和温度补偿正变得越来越流行。领先的汽车安全产品供应商越来越多地转向使用力传感器，以优化适合乘员质量和部署情况严重程度的安全气囊部署力。

虽然MAX1452和MAX1455采用16位Δ-Σ数模转换器（DAC）具有非常精细的调整和校准分辨率，但它们无法补偿不良的校准程序和测试设置。这里重点介绍了校准重量传感器时需要考虑的要点以及关键的测试操作员功能。将讨论用于表征和初始原型生产的典型自重测试系统，因为这是通常用于表征和原型生产的类型。

典型的重量传感器表征需要使用自重试验台（有时也称为蠕变测试仪），以获得准确且可重复的传感器负载。为了达到预期的结果，必须遵守几点。

测试台上正负力负载的夹具方向

传感器和电缆方向

传感器安装螺栓的扭矩

重量编号

轴与重量间隙（使用自动配重提升从负载中移除重物时）

传感器安装后的预调节传感器和夹具

单调应用和去除砝码

黄金样本和数据跟踪 （SPC）

安全

要指出的第一点是关于安全。用于砝码传感器校准的砝码如果处理不当，可能会很危险。建议的处理做法应包括以下几点：

始终穿钢头鞋或钢鞋套。

这些可在任何工业服装或鞋类供应店购买。这些重物和固定装置足够重，如果意外掉落，可以骨折脚骨。

堆叠时，始终每隔 3-4 个砝码交替配重安装槽方向。

在卸下重物的过程中，以相同方向堆叠的砝码可能会倾斜并从衣架上掉落到操作员的脚上。为了安全起见，砝码设计为以这种方式交替堆叠。

始终使用腿部肌肉来举起和减轻重量。

弯曲背部以举起 20 磅的重量，除了同一关节上的压缩重量本身外，还可以使下背部骨骼和肌肉产生大约 720 IN-LB 的扭矩。

始终以最大允许的螺纹啮合固定夹具和杆。

只有一两个螺纹（或转弯）的螺纹接头的螺纹啮合不足，并且可能在负载下剥落，导致砝码和夹具掉落。

不幸的是，上述安全预防措施通常不会被注意，直到操作员或旁观者遭受需要急诊室治疗的脚部受到严重打击。小心点，不要成为那个人。

夹具方向

典型双约束S型弯曲重量传感器在正重量下的正确夹具方向如图1所示。标有“A”的量具处于张力载荷状态，标有“B”的量具处于压缩状态。

“空载”条件实际上不是零，而是由悬臂传感器的重量和吊架的重量（吊架包括螺纹杆、链条和配重盘）得出的正值。

图1.用于正重应用的夹具方向。

负重的正确夹具方向如图2所示。标记为“A”的量具现在处于压缩状态，标记为“B”的量具现在处于张力状态。这会产生负传感器输出信号。传感器的方向不会改变。但是，灯具现在长了大约 1 英寸。卸下 C 形支架，垂直翻转它们，然后水平旋转它们，产生此夹具方向。

图2.用于负重应用的夹具方向。

“空载”条件也不是零，而是由悬臂传感器的重量和吊架组件的重量得出的负值。此空载条件与正空载条件的值完全相同，但极性相反。

从空载循环到 +负载和空载到 -负载时，总会有 4 种负载条件。事实上，我们将空载条件定义为 +无负载和 -noload。

夹具布置不正确如图3所示，其中传感器已翻转和旋转，但夹具保持不变。乍一看，这似乎适用于负重量，但是仔细检查量具“A”和“B”会发现它们与上述图1处于相同的拉伸/压缩配置，并产生相同的输出信号极性。

图3.负重应用的夹具方向不正确。

传感器和电缆方向

出于几个原因，在所有测试中保持传感器处于同一方向很重要。首先，传感器主体是悬臂式负载。虽然双重约束的S形弯曲载荷往往会抵消共模悬臂效应，但当简单地关注夹具方向完全消除问题时，最好不要依赖传感器属性来消除。

其次，电缆中的电缆重量和张力将呈现负载。虽然它对空载条件的影响很小，但通过正确约束电缆，根本不需要担心这个错误。当电缆“挂在”传感器的“非活动”负载侧支撑时，可以实现适当的约束。传感器的非主动负载侧是 C 型支架连接到测试台上部安装座的一侧。

图4显示了用于测试的正确和不正确的电缆约束。安装在上轴上的简单衣夹式夹子允许电缆约束的快速连接方法。

图4.正确和不正确的电缆约束，正确显示在顶部。

重量编号

并非所有权重都是平等的。通常，自重可通过合格的校准实验室通过二级或三级可追溯标准追溯到NIST一级标准。有时，廉价的重量根本无法追溯，并且重量之间可能相差多达10%。在任何情况下，砝码都应在边缘和顶部表面上标有唯一的识别号，以便可以重复地应用和移除它们。不相等的重量将导致对传感器施加轻微的非单调力。当以任何随机顺序应用此类权重时，结果是传感器输出曲线相对于线性度不可重复。图 5 以夸张的方式显示了这一点。如前所述，尽管这种随机方差误差很小，但如果每次都以相同的顺序应用权重，则根本不需要担心。

图5.由随机顺序应用的不等权重引起的传感器输出方差。

轴重量比间隙

使用自动配重机构时，需要仔细控制配重槽内的轴位置。图 6 显示了在衣架上带有用于装载和卸载的插槽的重量。当举重器升起以从吊架上卸下重物时，螺纹杆轴和配重槽之间的任何接触都会导致滞后效应和/或对空载条件的误导性测量。

图6.重量接触吊架轴。

当使用自重测试仪进行蠕变测试时，这一方面同样很重要。力传感器的蠕变测试旨在测量传感器在给定方向上长时间承受负载或超过极端温度时发生的半永久性偏移量。蠕变如图7所示。蠕变测试应包括空载测量（经过适当的预处理），测试载荷测量的连续监测，以及最终的空载测量和随后的松弛特性。

图7.蠕变测试测量需要精确应用空载条件。

安装后的预调节传感器和夹具

传感器和夹具组件必须在每次传感器安装、夹具螺栓扭矩和中止运行后反复加载到满量程并返回空载三次。原因是每个夹具周围都有一个小的摩擦组件，可以稍微改变传感器安装位置的应力分布。当施加载荷时，该摩擦区域滑落到空载和满载条件之间的最稳定点。传感器本身也将在覆盖量具本身的保护性聚合物涂层中表现出应力消除。循环负载三次可减轻这些应力，并从传感器建立真正的空载零输出，以开始测试运行。

一个相关的现象是应变计传感器组件从空载循环到满载时的正常滞后。虽然这种类型的迟滞通常会导致小于0.01%的误差，但它是一个已知的误差因素，应尽可能避免。通过使用上述 3 周期满量程负载程序并在必须在某个间歇负载值处中止测试序列并重新开始时应用此过程，可以避免这种情况。

单调应用和去除砝码

在测试序列中，应以连续增加的方式施加重量以进行加载，并在卸载过程中以连续减少的方式移除。这避免了干扰由上述 3 周期预处理建立的迟滞环路。此序列如图 8 所示。

图8.砝码的应用总是在增加或减少。

砝码也应小心应用，以免无意中将砝码掉落到衣架上，从而对传感器产生较大的力。一个 30 磅的重量在落到衣架上时会产生数百甚至数千磅的力量。当小心地使用砝码时，在测量读数之前稳定悬挂砝码也简单得多。

黄金样本和数据跟踪 （SPC）

测试组或质量保证组应维护几个“黄金样本”传感器（带或不带电子设备），以确认或验证测试台是否准备好使用。这些样品应在测试台上定期测量，并将数据记录在日志中。只有在黄金样本运行且数据结果被视为可接受的数据后，才应准予释放设备以供使用。该日志成为测试仪整个生命周期内设备功能的主要可追溯记录。只要满足以下条件之一，就应运行黄金样本：

测试台被移动。

测试台或夹具被修改和/或更换。

砝码被替换或更改。

在测试任何供客户使用的传感器之前，进行设计或过程验证测试。

测试仪之间的重现性检查

结语

在生产重量传感器原型时，拥有记录在案的测试程序并为操作员提供自重测试设备培训可以同样宝贵的时间和精力。MAX1452和MAX1455器件的校准和温度补偿程序集成在整个校准序列中。MAX1452评估板和MAX1455评估板为评估板，用于快速评估传感器原型。遵循整个过程将提供新传感器设计的可靠表征数据，并且将更加可靠和可重复，从而改善工程设计和概念评估时间。最重要的是，可以避免因重物和固定装置坠落而导致的潜在操作员伤害。

审核编辑：郭婷