地磅傳感器性能淺析

目前在地磅設(shè)計(jì)制造中采用的傳感器主要為柱式傳感器與橋式傳感器，本文通過理論分析、試驗(yàn)論證，對兩種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，對適用范圍提出了觀點(diǎn)，可以為地磅設(shè)計(jì)、選型提供一些參考。
一、引言
目前，我國的地磅制造業(yè)所采用的稱重傳感器以柱式傳感器和橋式傳感器最為普遍，關(guān)于柱式傳感器與橋式傳感器的優(yōu)劣問題也一直爭論不休，那么柱式傳感器與橋式傳感器各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？今天把自己在長期從事衡器設(shè)計(jì)、制造中對這兩種傳感器的一些理解、思考、體會拿出來與大家做一個交流，希望能起到一個拋磚引玉的作用，引起更多人的思考、研究。不足之處，希望大家給予批評指正。
電子衡器所用的傳感器基本上都是應(yīng)變式稱重傳感器，應(yīng)變式稱重傳感器從設(shè)計(jì)原理上分為正應(yīng)力傳感器與剪切應(yīng)力傳感器。正應(yīng)力傳感器是通過測量拉伸、壓縮和彎曲應(yīng)力來進(jìn)行工作的；剪切應(yīng)力傳感器是通過測量剪切應(yīng)力進(jìn)行工作的。正應(yīng)力傳感器的典型代表是柱式傳感器，剪切應(yīng)力傳感器的典型代表是橋式傳感器。
二、權(quán)威文獻(xiàn)對柱式傳感器與橋式傳感器的描述
(一)柱式稱重傳感器
關(guān)于柱式傳感器的特點(diǎn)，《中國衡器實(shí)用技術(shù)手冊》中的描述如下：結(jié)構(gòu)緊湊，幾何形狀簡單，設(shè)計(jì)計(jì)算、機(jī)械加工、熱處理、電阻應(yīng)變計(jì)粘貼等均較容易；剛性較大，固有頻率高，動態(tài)響應(yīng)快；通過外殼和膜片易于實(shí)現(xiàn)焊接密封和抽真空充氮新工藝。但其缺點(diǎn)也很突出，主要有：固有線性差，最大可達(dá)0.3%FS以上。這是因?yàn)閳A柱式彈性元件在承受拉向載荷時，隨著載荷的增加橫截面由于橫向收縮而減小，故應(yīng)力與應(yīng)變超比例的增加，使輸出大于線性值。當(dāng)承受壓向載荷時，隨著載荷的增加，彈性元件橫截面由于橫向變粗而增大，故應(yīng)力與應(yīng)變小于比例增加，使輸出小于線性值。外載荷越大，非線性誤差越大。只有進(jìn)行非線性補(bǔ)償，才能使稱重傳感器達(dá)到較高的準(zhǔn)確度等級。
試驗(yàn)證明，在一般情況下，單柱式稱重傳感器抗水平側(cè)向載荷的能力，在其額定載荷的10% 以下，而整體三柱式傳感器可達(dá)30%，整體四柱式傳感器可達(dá)50%，作為傳感器的應(yīng)用性能是至關(guān)重要的。
而整體三柱式、四柱式傳感器由于加工工藝復(fù)雜，制造成本太高，因此在市場上見不到，目前市場上的柱式傳感器均為單柱式傳感器。
(二）橋式稱重傳感器
20世紀(jì)70年代中期，為克服測量正應(yīng)力應(yīng)變式負(fù)荷傳感器的各項(xiàng)缺點(diǎn)，美國學(xué)者霍格斯特姆開創(chuàng)了不應(yīng)用彈性元件的正應(yīng)力而利用剪切應(yīng)力設(shè)計(jì)和制造傳感器的先例，為剪切應(yīng)力傳感器的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。由于剪切應(yīng)力傳感器的彈性元件多為受剪的直梁結(jié)構(gòu)，剪力沿梁的長度方向?yàn)橐粋€常量，所以輸出靈敏度對加載點(diǎn)變化不敏感；剪切梁在拉伸、壓縮載荷作用下，變形量幾乎一致，使得拉壓靈敏度對稱性好；利用結(jié)構(gòu)對稱和貼片組橋技巧，極大地提高了抗側(cè)向和偏心載荷能力；并且外形低、剛度大、固有線性好、容易防護(hù)密封。正是這些正應(yīng)力傳感器無法具備的特點(diǎn)，使得剪切應(yīng)力稱重傳感器在電子衡器制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，形成了一個強(qiáng)大的發(fā)展潮流。
橋式稱重傳感器有如下特點(diǎn)：
(1）剪力沿應(yīng)變梁長度方向?yàn)橐怀Ａ?，稱重傳感器輸出與梁彎矩?zé)o關(guān)，只與剪切應(yīng)力成比例，因而輸出對加載點(diǎn)變化不敏感；
（2）由于應(yīng)變區(qū)為工字梁，在腹板上中性軸處的應(yīng)力單元為純剪狀態(tài)，在外載荷作用下受剪的截面積不發(fā)生變化，各電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生基本相同的電阻變化，固有線性好；
（3）因?yàn)楣ぷ中徒孛婕羟袘?yīng)力分布比較均勻，電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在四個盲孔內(nèi)的最小寄生應(yīng)力區(qū)，應(yīng)用貼片和組橋技巧，可以提高抗側(cè)向和偏心載荷的能力；
(4）電阻應(yīng)變計(jì)及補(bǔ)償元器件均在盲孔內(nèi)，不僅得到了最好的保護(hù)，還便于用聚胺酯灌封，防護(hù)等級高；
(5)加載點(diǎn)和兩個支撐點(diǎn)自成平衡力系，安裝維護(hù)方便；
(6）鋼球與球座接觸傳遞外載荷理論上為點(diǎn)接觸，實(shí)際是一個很小的接觸圓。由于鋼球只傳遞軸載荷，不傳遞橫向載荷和橫向扭矩，保證了測量準(zhǔn)確度。
三、行業(yè)對于對柱式傳感器與橋式傳感器的爭論焦點(diǎn)
(一)柱式傳感器較橋式傳感器動態(tài)響應(yīng)快
柱式傳感器固有頻率高（幾萬到十幾萬赫茲），動態(tài)響應(yīng)快。
橋式傳感器固有頻率低（幾千赫茲），動態(tài)響應(yīng)相對較慢。
(二）柱式傳感器較橋式傳感器安裝要求高，調(diào)整麻煩。
四、對這兩個問題的理解
(一)動態(tài)響應(yīng)速度問題的理論分析
單純看兩種傳感器的固有頻率，確實(shí)柱式傳感器的固有頻率數(shù)十倍于橋式傳感器，這是不爭的事實(shí)。然而，秤是由秤體、傳感器和儀表組成的，秤的響應(yīng)速度才是決定使用性能的最終因素。秤的響應(yīng)速度主要由秤體的響應(yīng)速度、儀表的響應(yīng)速度、傳感器的響應(yīng)速度共同決定。
關(guān)于儀表的響應(yīng)速度，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，制造高分辨率、高響應(yīng)速度的儀表已經(jīng)不是難事。但是提高秤體的響應(yīng)速度確實(shí)不易，目前各生產(chǎn)廠家的秤體結(jié)構(gòu)、使用材料大同小異，秤體的固有頻率通常在3hz?5hz，且無法進(jìn)一步提高。經(jīng)過多次試驗(yàn)測得100t秤體的固有頻率約為4.2hz，其他噸位的秤體也差異不大。即秤體震蕩一個完整的波形需要1/4.2秒（238.1m)。即秤體的響應(yīng)時間為238.1ms。因此，一臺秤的響應(yīng)時間取決于秤體的響應(yīng)時間。
實(shí)驗(yàn)測試
我們設(shè)計(jì)了一個實(shí)驗(yàn)，以期分析柱式傳感器與橋式傳感器在汽車衡中的應(yīng)用性能差別，試驗(yàn)方法如圖1所示。

在同一臺秤上同時安裝柱式傳感器與橋式傳感器，將它們的信號同時引入儀表，采集車輛通過秤臺時的信號波形。結(jié)果采集到的兩種傳感器的輸出波形驚人的一致，如圖2、圖3所示。為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢？因?yàn)槌芋w固有頻率只有幾赫茲，而橋式傳感器固有頻率在上千赫茲，已完全滿足衡器數(shù)據(jù)采集需要，柱式傳感器更高的固有頻率發(fā)揮不出優(yōu)勢。

通過實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論：兩種傳感器應(yīng)用在地磅中時，他們的性能沒有差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析完全吻合。
(二)關(guān)于傳感器安裝
(1)柱式傳感器安裝
柱式傳感器安裝時要求傳感器中心線與地面垂直，這是大家共知的事實(shí)。這是傳感器自身結(jié)構(gòu)所決定的。關(guān)于柱式傳感器為什么要豎直安裝，學(xué)術(shù)界有兩種理論。
1）分力學(xué)說
如圖4所示，如果安裝不豎直，當(dāng)傳感器受到外力F的作用時，力F會分解為Fy、Fx兩個分力，F(xiàn)y平行于傳感器軸線，使傳感器產(chǎn)生變形。也就是說傳感器所檢測到的力為Fy。因此會產(chǎn)生誤差。

2）截面變化學(xué)說
如圖5所示，當(dāng)傳感器傾斜安裝時，其彈性體的截面積發(fā)生了變化，為與力的作用線垂直的截面1，所以會產(chǎn)生誤差。

這兩種學(xué)說從兩個不同的角度分析了柱式傳感器安裝不豎直時，產(chǎn)生誤差的原因。按照這兩種理論計(jì)算出來的結(jié)果是一致的。
(2)橋式傳感器安裝
橋式傳感器，由于剪力沿應(yīng)變梁長度方向?yàn)橐怀Ａ?，稱重傳感器輸出與梁彎矩?zé)o關(guān)，只與剪切應(yīng)力成比例，因而輸出對加載點(diǎn)變化不敏感。所以橋式傳感器的安裝精度要求遠(yuǎn)低于柱式傳感器。
五、柱式傳感器與橋式傳感器應(yīng)用體會
(一)兩種傳感器對基礎(chǔ)的要求
經(jīng)過多年的實(shí)踐積累，我們總結(jié)出柱式傳感器對基礎(chǔ)預(yù)埋板的水平度要求較高，預(yù)埋板水平度達(dá)到1/500時（預(yù)埋板為500x 500mm時，傾斜度不大于1mn)，傳感器可正常工作。橋式傳感器預(yù)埋板水平度1/200時，即可正常工作。
(二)關(guān)于坡道安裝問題
由于柱式傳感器抗側(cè)向力較差，安裝時傳感器中心線應(yīng)與地面垂直。因此，國內(nèi)知名度較高的衡器企業(yè)使用柱式傳感器時，均采取秤體水平安裝的方式。當(dāng)秤體安裝在有坡度的高速公路收費(fèi)站時，秤體兩端采取調(diào)坡處理的方式。
而橋式傳感器輸出與梁的彎矩?zé)o關(guān)，只與剪切應(yīng)力成比例，輸出對加載點(diǎn)的變化不敏感，且其抗偏載能力強(qiáng)，所以使用橋式傳感器的秤體可以實(shí)現(xiàn)順坡安裝。目前在高速公路收費(fèi)站順坡安裝的秤體已超過3000臺，其中最大安裝坡度為 5.6%，均工作正常。
(三)溫度變化的影響
在我國大部分地區(qū)，夏季正午陽光直射下，秤體表面溫度可達(dá)60°C以上，而夜間又會降至 30°C以下，一天之內(nèi)溫差達(dá)30°C以上，對于21m 長的秤體，熱脹冷縮可達(dá)10mm，因此無法保證傳感器始終垂直于地面。而冬季與夏季秤面溫差甚至可達(dá)60°C以上，秤面熱脹冷縮可達(dá)20mm以上。如何消除熱脹冷縮對傳感器工作的影響，目前行業(yè)上沒有成熟的解決方案。
為研究秤體熱脹冷縮對計(jì)量性能的影響，筆者設(shè)計(jì)了一個試驗(yàn)：選用一臺汽車衡分別安裝柱式傳感器與橋式傳感器，測量隨著溫度變化，其稱量精度變化情況。
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：
秤臺尺寸：3.4mx 21m，安裝10只30t傳感器；
試驗(yàn)氣候條件：8月中旬，晴天，枰體露天安裝；
傳感器：柱式傳感器為進(jìn)口某國際知名品牌，橋式傳感器為國產(chǎn)某知名品牌；
試驗(yàn)載荷：30t標(biāo)準(zhǔn)柱碼，靜態(tài)測量；
測量時間點(diǎn):8:00，14:00，20:00。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如表1所示：

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，尺寸大且安裝柱式傳感器的衡器確實(shí)會因?yàn)闇囟茸兓芋w出現(xiàn)熱脹冷縮，導(dǎo)致傳感器傾斜，引起較大誤差；而安裝橋式傳感器的衡器會好得多。
六、柱式傳感器與橋式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)
(一）柱式傳感器
（1）彈性體為回轉(zhuǎn)體，主要采用車削加工，生產(chǎn)效率高；
(2)因?yàn)椴牧峡箟盒阅茌^好，柱式傳感器可以做得體積很小，但超載性能依然不降低；
(3)抗偏載性能不好，對加載點(diǎn)變化敏感，安裝要求高。
(二）橋式傳感器
(1)抗偏載能力強(qiáng)，對加載點(diǎn)的變化不敏感，安裝要求低，調(diào)整方便；
(2)體積龐大，制造材料消耗多，要求安裝空間大，搬運(yùn)笨重。
七、兩種傳感器的適用范圍
根據(jù)多年的衡器設(shè)計(jì)、制造、安裝經(jīng)驗(yàn)，以及理論研究分析，筆者對衡器設(shè)計(jì)時傳感器選用有以下幾點(diǎn)體會，僅供參考。
(1)在一些大型的煤倉秤、料斗秤、室內(nèi)使用的衡器以及傳感器安裝空間受限的衡器中，柱式傳感器由于體積小，過載能力好，有較大的優(yōu)勢。
(2)在幾何尺寸較大且室外安裝，熱脹冷縮影響較嚴(yán)重的衡器中，橋式傳感器更為適用。
(3)需要在坡道安裝的大型衡器，由于橋式傳感器抗偏載能力強(qiáng)，對加載點(diǎn)變化不敏感，宜選用橋式傳感器。
(4）在大多數(shù)常見衡器中，兩種傳感器都能適用。

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