地磅传感器性能浅析

目前在地磅设计制造中采用的传感器主要为柱式传感器与桥式传感器，本文通过理论分析、试验论证，对两种传感器的优缺点进行了分析，对适用范围提出了观点，可以为地磅设计、选型提供一些参考。
一、引言
目前，我国的地磅制造业所采用的称重传感器以柱式传感器和桥式传感器最为普遍，关于柱式传感器与桥式传感器的优劣问题也一直争论不休，那么柱式传感器与桥式传感器各有什么优缺点呢？今天把自己在长期从事衡器设计、制造中对这两种传感器的一些理解、思考、体会拿出来与大家做一个交流，希望能起到一个抛砖引玉的作用，引起更多人的思考、研究。不足之处，希望大家给予批评指正。
电子衡器所用的传感器基本上都是应变式称重传感器，应变式称重传感器从设计原理上分为正应力传感器与剪切应力传感器。正应力传感器是通过测量拉伸、压缩和弯曲应力来进行工作的；剪切应力传感器是通过测量剪切应力进行工作的。正应力传感器的典型代表是柱式传感器，剪切应力传感器的典型代表是桥式传感器。
二、权威文献对柱式传感器与桥式传感器的描述
(一)柱式称重传感器
关于柱式传感器的特点，《中国衡器实用技术手册》中的描述如下：结构紧凑，几何形状简单，设计计算、机械加工、热处理、电阻应变计粘贴等均较容易；刚性较大，固有频率高，动态响应快；通过外壳和膜片易于实现焊接密封和抽真空充氮新工艺。但其缺点也很突出，主要有：固有线性差，最大可达0.3%FS以上。这是因为圆柱式弹性元件在承受拉向载荷时，随着载荷的增加横截面由于横向收缩而减小，故应力与应变超比例的增加，使输出大于线性值。当承受压向载荷时，随着载荷的增加，弹性元件横截面由于横向变粗而增大，故应力与应变小于比例增加，使输出小于线性值。外载荷越大，非线性误差越大。只有进行非线性补偿，才能使称重传感器达到较高的准确度等级。
试验证明，在一般情况下，单柱式称重传感器抗水平侧向载荷的能力，在其额定载荷的10% 以下，而整体三柱式传感器可达30%，整体四柱式传感器可达50%，作为传感器的应用性能是至关重要的。
而整体三柱式、四柱式传感器由于加工工艺复杂，制造成本太高，因此在市场上见不到，目前市场上的柱式传感器均为单柱式传感器。
(二）桥式称重传感器
20世纪70年代中期，为克服测量正应力应变式负荷传感器的各项缺点，美国学者霍格斯特姆开创了不应用弹性元件的正应力而利用剪切应力设计和制造传感器的先例，为剪切应力传感器的发展奠定了理论基础。由于剪切应力传感器的弹性元件多为受剪的直梁结构，剪力沿梁的长度方向为一个常量，所以输出灵敏度对加载点变化不敏感；剪切梁在拉伸、压缩载荷作用下，变形量几乎一致，使得拉压灵敏度对称性好；利用结构对称和贴片组桥技巧，极大地提高了抗侧向和偏心载荷能力；并且外形低、刚度大、固有线性好、容易防护密封。正是这些正应力传感器无法具备的特点，使得剪切应力称重传感器在电子衡器制造业得到了广泛应用，形成了一个强大的发展潮流。
桥式称重传感器有如下特点：
(1）剪力沿应变梁长度方向为一常量，称重传感器输出与梁弯矩无关，只与剪切应力成比例，因而输出对加载点变化不敏感；
（2）由于应变区为工字梁，在腹板上中性轴处的应力单元为纯剪状态，在外载荷作用下受剪的截面积不发生变化，各电阻应变计产生基本相同的电阻变化，固有线性好；
（3）因为工字型截面剪切应力分布比较均匀，电阻应变计粘贴在四个盲孔内的最小寄生应力区，应用贴片和组桥技巧，可以提高抗侧向和偏心载荷的能力；
(4）电阻应变计及补偿元器件均在盲孔内，不仅得到了最好的保护，还便于用聚胺酯灌封，防护等级高；
(5)加载点和两个支撑点自成平衡力系，安装维护方便；
(6）钢球与球座接触传递外载荷理论上为点接触，实际是一个很小的接触圆。由于钢球只传递轴载荷，不传递横向载荷和横向扭矩，保证了测量准确度。
三、行业对于对柱式传感器与桥式传感器的争论焦点
(一)柱式传感器较桥式传感器动态响应快
柱式传感器固有频率高（几万到十几万赫兹），动态响应快。
桥式传感器固有频率低（几千赫兹），动态响应相对较慢。
(二）柱式传感器较桥式传感器安装要求高，调整麻烦。
四、对这两个问题的理解
(一)动态响应速度问题的理论分析
单纯看两种传感器的固有频率，确实柱式传感器的固有频率数十倍于桥式传感器，这是不争的事实。然而，秤是由秤体、传感器和仪表组成的，秤的响应速度才是决定使用性能的最终因素。秤的响应速度主要由秤体的响应速度、仪表的响应速度、传感器的响应速度共同决定。
关于仪表的响应速度，随着电子技术的飞速发展，制造高分辨率、高响应速度的仪表已经不是难事。但是提高秤体的响应速度确实不易，目前各生产厂家的秤体结构、使用材料大同小异，秤体的固有频率通常在3hz?5hz，且无法进一步提高。经过多次试验测得100t秤体的固有频率约为4.2hz，其他吨位的秤体也差异不大。即秤体震荡一个完整的波形需要1/4.2秒（238.1m)。即秤体的响应时间为238.1ms。因此，一台秤的响应时间取决于秤体的响应时间。
实验测试
我们设计了一个实验，以期分析柱式传感器与桥式传感器在汽车衡中的应用性能差别，试验方法如图1所示。

在同一台秤上同时安装柱式传感器与桥式传感器，将它们的信号同时引入仪表，采集车辆通过秤台时的信号波形。结果采集到的两种传感器的输出波形惊人的一致，如图2、图3所示。为什么会出现这样的情况呢？因为秤体固有频率只有几赫兹，而桥式传感器固有频率在上千赫兹，已完全满足衡器数据采集需要，柱式传感器更高的固有频率发挥不出优势。

通过实验，可以得出结论：两种传感器应用在地磅中时，他们的性能没有差异。实验结果与理论分析完全吻合。
(二)关于传感器安装
(1)柱式传感器安装
柱式传感器安装时要求传感器中心线与地面垂直，这是大家共知的事实。这是传感器自身结构所决定的。关于柱式传感器为什么要竖直安装，学术界有两种理论。
1）分力学说
如图4所示，如果安装不竖直，当传感器受到外力F的作用时，力F会分解为Fy、Fx两个分力，Fy平行于传感器轴线，使传感器产生变形。也就是说传感器所检测到的力为Fy。因此会产生误差。

2）截面变化学说
如图5所示，当传感器倾斜安装时，其弹性体的截面积发生了变化，为与力的作用线垂直的截面1，所以会产生误差。

这两种学说从两个不同的角度分析了柱式传感器安装不竖直时，产生误差的原因。按照这两种理论计算出来的结果是一致的。
(2)桥式传感器安装
桥式传感器，由于剪力沿应变梁长度方向为一常量，称重传感器输出与梁弯矩无关，只与剪切应力成比例，因而输出对加载点变化不敏感。所以桥式传感器的安装精度要求远低于柱式传感器。
五、柱式传感器与桥式传感器应用体会
(一)两种传感器对基础的要求
经过多年的实践积累，我们总结出柱式传感器对基础预埋板的水平度要求较高，预埋板水平度达到1/500时（预埋板为500x 500mm时，倾斜度不大于1mn)，传感器可正常工作。桥式传感器预埋板水平度1/200时，即可正常工作。
(二)关于坡道安装问题
由于柱式传感器抗侧向力较差，安装时传感器中心线应与地面垂直。因此，国内知名度较高的衡器企业使用柱式传感器时，均采取秤体水平安装的方式。当秤体安装在有坡度的高速公路收费站时，秤体两端采取调坡处理的方式。
而桥式传感器输出与梁的弯矩无关，只与剪切应力成比例，输出对加载点的变化不敏感，且其抗偏载能力强，所以使用桥式传感器的秤体可以实现顺坡安装。目前在高速公路收费站顺坡安装的秤体已超过3000台，其中最大安装坡度为 5.6%，均工作正常。
(三)温度变化的影响
在我国大部分地区，夏季正午阳光直射下，秤体表面温度可达60°C以上，而夜间又会降至 30°C以下，一天之内温差达30°C以上，对于21m 长的秤体，热胀冷缩可达10mm，因此无法保证传感器始终垂直于地面。而冬季与夏季秤面温差甚至可达60°C以上，秤面热胀冷缩可达20mm以上。如何消除热胀冷缩对传感器工作的影响，目前行业上没有成熟的解决方案。
为研究秤体热胀冷缩对计量性能的影响，笔者设计了一个试验：选用一台汽车衡分别安装柱式传感器与桥式传感器，测量随着温度变化，其称量精度变化情况。
实验设计：
秤台尺寸：3.4mx 21m，安装10只30t传感器；
试验气候条件：8月中旬，晴天，枰体露天安装；
传感器：柱式传感器为进口某国际知名品牌，桥式传感器为国产某知名品牌；
试验载荷：30t标准柱码，静态测量；
测量时间点:8:00，14:00，20:00。
实验结果对比如表1所示：

通过实验可以看出，尺寸大且安装柱式传感器的衡器确实会因为温度变化秤体出现热胀冷缩，导致传感器倾斜，引起较大误差；而安装桥式传感器的衡器会好得多。
六、柱式传感器与桥式传感器优缺点
(一）柱式传感器
（1）弹性体为回转体，主要采用车削加工，生产效率高；
(2)因为材料抗压性能较好，柱式传感器可以做得体积很小，但超载性能依然不降低；
(3)抗偏载性能不好，对加载点变化敏感，安装要求高。
(二）桥式传感器
(1)抗偏载能力强，对加载点的变化不敏感，安装要求低，调整方便；
(2)体积庞大，制造材料消耗多，要求安装空间大，搬运笨重。
七、两种传感器的适用范围
根据多年的衡器设计、制造、安装经验，以及理论研究分析，笔者对衡器设计时传感器选用有以下几点体会，仅供参考。
(1)在一些大型的煤仓秤、料斗秤、室内使用的衡器以及传感器安装空间受限的衡器中，柱式传感器由于体积小，过载能力好，有较大的优势。
(2)在几何尺寸较大且室外安装，热胀冷缩影响较严重的衡器中，桥式传感器更为适用。
(3)需要在坡道安装的大型衡器，由于桥式传感器抗偏载能力强，对加载点变化不敏感，宜选用桥式传感器。
(4）在大多数常见衡器中，两种传感器都能适用。

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