柱式傳感器與橋式傳感器的區(qū)別及其在汽車衡領(lǐng)域的應(yīng)用

柱式傳感器與橋式傳感器的區(qū)別及其在汽車衡領(lǐng)域的應(yīng)用（來源：上海本熙測控設(shè)備科技有限公司）

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。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；剪應(yīng)力傳感器的典型代表是橋式傳感器。那么柱式傳感器與橋式傳感器各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？在應(yīng)用中存在哪些問題？本文將對此展開分析。

柱式稱重傳感器介紹：

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，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)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。

橋式稱重傳感器介紹：

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。由于銅球只傳遞軸載荷，不傳遞橫向載荷和橫向扭矩保證了測量準(zhǔn)確度。

三、柱式傳感器與橋式傳感器的爭論焦點(diǎn)分析

1、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。

2、柱式傳感器較橋式傳感器安裝要求高，調(diào)整麻煩。

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，枰是由枰體、傳感器和儀表組成的，枰的響應(yīng)速度才是決定使用性能的終因素。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。

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。但是枰體響應(yīng)速度的提高確實(shí)不易，目前各生產(chǎn)廠家的抨體結(jié)構(gòu)、使用材料大同小異，秤體的固有頻率通常在 3~5Hz,且無法進(jìn)一步提高。經(jīng)過多次試驗(yàn)測得100噸坪體的固有頻率為約4.2Hz,其他噸位的坪體差異也不大，即枰體震蕩一個完整的波形需要1/4.2秒(238.1ms ),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。

本文設(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應(yīng)用在地磅中的性能差別，在同一臺枰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)果采集到的兩沖傳感器的輸出波形驚人的一致。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*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：當(dāng)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*吻合。

四、兩種傳感器安裝難易度

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，這是傳感器自身的結(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。分力學(xué)說以及截面變化學(xué)說，傳感器傾斜安裝時會產(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。

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的應(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，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，當(dāng)預(yù)埋板水平度達(dá)到1/500時（預(yù)埋板為 500 x 500mm,傾斜度不大于1mm ),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）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)度較高的衡器企業(yè)使用柱式傳感器時，均采取抨體水平安裝的方式。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，枰體表面溫度可達(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。而冬季與夏季枰面溫差甚至可達(dá)60°C以上， 坪面熱脹冷縮可達(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。

為研究枰體熱脹冷縮對計(jì)量性能的影響，筆者設(shè)計(jì)了一個試驗(yàn)：選用一臺地磅分別安裝柱式傳感器與橋式傳感器，測量隨著溫度變化’其稱麗度變化情況。

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下。

秤臺尺寸：3.4x21m；安裝10只30噸傳感器。

試驗(yàn)氣候條件：8月中旬；晴天；抨體露天安裝。

傳感器：柱式傳感器為進(jìn)口某；橋式傳感器為國產(chǎn)某。

試驗(yàn)載荷：30噸標(biāo)準(zhǔn)砝碼，靜態(tài)測量。

測量時間點(diǎn)：8.00； 14.00； 20.00。

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，對于尺寸大且安裝柱式傳感器的衡器，確實(shí)會因?yàn)闇囟茸兓牦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的優(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、a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)時傳感器的選用有以下幾點(diǎn)體會，僅供參考。

1、在一些大型的煤倉抨、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受熱脹冷縮影響較嚴(yán)重的衡器中，橋式傳感器更為適用。

3、對于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。