地磅傳感器性能淺析

目前在地磅設計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、試驗論證，對兩種傳感器的優缺點進行了分析，對適用范圍提出了觀點，可以為地磅設計、選型提供一些參考。
一、引言
目前，我國的地磅制造業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，關于柱式傳感器與橋式傳感器的優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缺點呢？今天把自己在長期從事衡器設計、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變式稱重傳感器，應變式稱重傳感器從設計原理上分為正應力傳感器與剪切應力傳感器。正應力傳感器是通過測量拉伸、壓縮和彎曲應力來進行工作的；剪切應力傳感器是通過測量剪切應力進行工作的。正應力傳感器的典型代表是柱式傳感器，剪切應力傳感器的典型代表是橋式傳感器。
二、權威文獻對柱式傳感器與橋式傳感器的描述
(一)柱式稱重傳感器
關于柱式傳感器的特點，《中國衡器實用技術手冊》中的描述如下：結構緊湊，幾何形狀簡單，設計計算、機械加工、熱處理、電阻應變計粘貼等均較容易；剛性較大，固有頻率高，動態響應快；通過外殼和膜片易于實現焊接密封和抽真空充氮新工藝。但其缺點也很突出，主要有：固有線性差，最大可達0.3%FS以上。這是因為圓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，故應力與應變超比例的增加，使輸出大于線性值。當承受壓向載荷時，隨著載荷的增加，彈性元件橫截面由于橫向變粗而增大，故應力與應變小于比例增加，使輸出小于線性值。外載荷越大，非線性誤差越大。只有進行非線性補償，才能使稱重傳感器達到較高的準確度等級。
試驗證明，在一般情況下，單柱式稱重傳感器抗水平側向載荷的能力，在其額定載荷的10% 以下，而整體三柱式傳感器可達30%，整體四柱式傳感器可達50%，作為傳感器的應用性能是至關重要的。
而整體三柱式、四柱式傳感器由于加工工藝復雜，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70年代中期，為克服測量正應力應變式負荷傳感器的各項缺點，美國學者霍格斯特姆開創了不應用彈性元件的正應力而利用剪切應力設計和制造傳感器的先例，為剪切應力傳感器的發展奠定了理論基礎。由于剪切應力傳感器的彈性元件多為受剪的直梁結構，剪力沿梁的長度方向為一個常量，所以輸出靈敏度對加載點變化不敏感；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；利用結構對稱和貼片組橋技巧，極大地提高了抗側向和偏心載荷能力；并且外形低、剛度大、固有線性好、容易防護密封。正是這些正應力傳感器無法具備的特點，使得剪切應力稱重傳感器在電子衡器制造業得到了廣泛應用，形成了一個強大的發展潮流。
橋式稱重傳感器有如下特點：
(1）剪力沿應變梁長度方向為一常量，稱重傳感器輸出與梁彎矩無關，只與剪切應力成比例，因而輸出對加載點變化不敏感；
（2）由于應變區為工字梁，在腹板上中性軸處的應力單元為純剪狀態，在外載荷作用下受剪的截面積不發生變化，各電阻應變計產生基本相同的電阻變化，固有線性好；
（3）因為工字型截面剪切應力分布比較均勻，電阻應變計粘貼在四個盲孔內的最小寄生應力區，應用貼片和組橋技巧，可以提高抗側向和偏心載荷的能力；
(4）電阻應變計及補償元器件均在盲孔內，不僅得到了最好的保護，還便于用聚胺酯灌封，防護等級高；
(5)加載點和兩個支撐點自成平衡力系，安裝維護方便；
(6）鋼球與球座接觸傳遞外載荷理論上為點接觸，實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，保證了測量準確度。
三、行業對于對柱式傳感器與橋式傳感器的爭論焦點
(一)柱式傳感器較橋式傳感器動態響應快
柱式傳感器固有頻率高（幾萬到十幾萬赫茲），動態響應快。
橋式傳感器固有頻率低（幾千赫茲），動態響應相對較慢。
(二）柱式傳感器較橋式傳感器安裝要求高，調整麻煩。
四、對這兩個問題的理解
(一)動態響應速度問題的理論分析
單純看兩種傳感器的固有頻率，確實柱式傳感器的固有頻率數十倍于橋式傳感器，這是不爭的事實。然而，秤是由秤體、傳感器和儀表組成的，秤的響應速度才是決定使用性能的最終因素。秤的響應速度主要由秤體的響應速度、儀表的響應速度、傳感器的響應速度共同決定。
關于儀表的響應速度，隨著電子技術的飛速發展，制造高分辨率、高響應速度的儀表已經不是難事。但是提高秤體的響應速度確實不易，目前各生產廠家的秤體結構、使用材料大同小異，秤體的固有頻率通常在3hz?5hz，且無法進一步提高。經過多次試驗測得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)。即秤體的響應時間為238.1ms。因此，一臺秤的響應時間取決于秤體的響應時間。
實驗測試
我們設計了一個實驗，以期分析柱式傳感器與橋式傳感器在汽車衡中的應用性能差別，試驗方法如圖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。為什么會出現這樣的情況呢？因為秤體固有頻率只有幾赫茲，而橋式傳感器固有頻率在上千赫茲，已完全滿足衡器數據采集需要，柱式傳感器更高的固有頻率發揮不出優勢。

通過實驗，可以得出結論：兩種傳感器應用在地磅中時，他們的性能沒有差異。實驗結果與理論分析完全吻合。
(二)關于傳感器安裝
(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。這是傳感器自身結構所決定的。關于柱式傳感器為什么要豎直安裝，學術界有兩種理論。
1）分力學說
如圖4所示，如果安裝不豎直，當傳感器受到外力F的作用時，力F會分解為Fy、Fx兩個分力，Fy平行于傳感器軸線，使傳感器產生變形。也就是說傳感器所檢測到的力為Fy。因此會產生誤差。

2）截面變化學說
如圖5所示，當傳感器傾斜安裝時，其彈性體的截面積發生了變化，為與力的作用線垂直的截面1，所以會產生誤差。

這兩種學說從兩個不同的角度分析了柱式傳感器安裝不豎直時，產生誤差的原因。按照這兩種理論計算出來的結果是一致的。
(2)橋式傳感器安裝
橋式傳感器，由于剪力沿應變梁長度方向為一常量，稱重傳感器輸出與梁彎矩無關，只與剪切應力成比例，因而輸出對加載點變化不敏感。所以橋式傳感器的安裝精度要求遠低于柱式傳感器。
五、柱式傳感器與橋式傳感器應用體會
(一)兩種傳感器對基礎的要求
經過多年的實踐積累，我們總結出柱式傳感器對基礎預埋板的水平度要求較高，預埋板水平度達到1/500時（預埋板為500x 500mm時，傾斜度不大于1mn)，傳感器可正常工作。橋式傳感器預埋板水平度1/200時，即可正常工作。
(二)關于坡道安裝問題
由于柱式傳感器抗側向力較差，安裝時傳感器中心線應與地面垂直。因此，國內知名度較高的衡器企業使用柱式傳感器時，均采取秤體水平安裝的方式。當秤體安裝在有坡度的高速公路收費站時，秤體兩端采取調坡處理的方式。
而橋式傳感器輸出與梁的彎矩無關，只與剪切應力成比例，輸出對加載點的變化不敏感，且其抗偏載能力強，所以使用橋式傳感器的秤體可以實現順坡安裝。目前在高速公路收費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，夏季正午陽光直射下，秤體表面溫度可達60°C以上，而夜間又會降至 30°C以下，一天之內溫差達30°C以上，對于21m 長的秤體，熱脹冷縮可達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60°C以上，秤面熱脹冷縮可達20mm以上。如何消除熱脹冷縮對傳感器工作的影響，目前行業上沒有成熟的解決方案。
為研究秤體熱脹冷縮對計量性能的影響，筆者設計了一個試驗：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。
實驗設計：
秤臺尺寸：3.4mx 21m，安裝10只30t傳感器；
試驗氣候條件：8月中旬，晴天，枰體露天安裝；
傳感器：柱式傳感器為進口某國際知名品牌，橋式傳感器為國產某知名品牌；
試驗載荷：30t標準柱碼，靜態測量；
測量時間點:8:00，14:00，20:00。
實驗結果對比如表1所示：

通過實驗可以看出，尺寸大且安裝柱式傳感器的衡器確實會因為溫度變化秤體出現熱脹冷縮，導致傳感器傾斜，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缺點
(一）柱式傳感器
（1）彈性體為回轉體，主要采用車削加工，生產效率高；
(2)因為材料抗壓性能較好，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，對加載點變化敏感，安裝要求高。
(二）橋式傳感器
(1)抗偏載能力強，對加載點的變化不敏感，安裝要求低，調整方便；
(2)體積龐大，制造材料消耗多，要求安裝空間大，搬運笨重。
七、兩種傳感器的適用范圍
根據多年的衡器設計、制造、安裝經驗，以及理論研究分析，筆者對衡器設計時傳感器選用有以下幾點體會，僅供參考。
(1)在一些大型的煤倉秤、料斗秤、室內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，有較大的優勢。
(2)在幾何尺寸較大且室外安裝，熱脹冷縮影響較嚴重的衡器中，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，對加載點變化不敏感，宜選用橋式傳感器。
(4）在大多數常見衡器中，兩種傳感器都能適用。

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