柱式傳感器與橋式傳感器的區別及其在汽車(chē)衡領(lǐng)域的應用

柱式傳感器與橋式傳感器的區別及其在汽車(chē)衡領(lǐng)域的應用（來(lái)源：上海本熙測控設備科技有限公司）

目前，我國的地磅制造業(yè)所采用的稱(chēng)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(wèn)題也一直爭論不休。電子衡器所用的傳感器基本上都是應變式稱(chēng)重傳感器，應變式稱(chēng)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(guò)測量拉伸、壓縮和彎曲應力進(jìn)行工作的；剪切應力傳感器是通過(guò)測量剪切應力進(jìn)行工作的。正應力傳感器的典型代表是柱式傳感器；剪應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？在應用中存在哪些問(wèn)題？本文將對此展開(kāi)分析。

柱式稱(chēng)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：結構緊湊，幾何形狀簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)響應快;通過(guò)外殼和膜片易于實(shí)現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(xiàn)性差，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(shí)，隨著(zhù)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(xiàn)性值。當承受壓向載荷時(shí)，隨著(zhù)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(xiàn)性值。外載荷越大非線(xiàn)性誤差越大。只有進(jìn)行非線(xiàn)性補償，才能使稱(chēng)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(chēng)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作為傳感器的應用性能是至 關(guān)重要的。而整體三柱式、四柱式傳感器由于加工工藝復雜，制造成本太高，因此在市場(chǎng)上見(jiàn)不到，目前市場(chǎng)上的柱式傳感器均為單柱式傳感器。

橋式稱(chēng)重傳感器介紹：

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(diǎn)，美國學(xué)者霍格斯特姆開(kāi)創(chuàng )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(fā)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(cháng)度方向為一個(gè)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(chēng)性好；利用結構對稱(chēng)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(xiàn)性好，容易防護密封。正是這些正應力傳感器無(wú)法具備的特點(diǎn)，使剪切應力稱(chēng)重傳感器在電子衡器制造業(yè)得到了廣泛應用，形成了一個(gè)強大的發(fā)展潮流。

橋式稱(chēng)重傳感器有如下特點(diǎn)

（1）剪力沿應變梁長(cháng)度方向為一常量，稱(chēng)重傳感器輸出與梁彎矩無(wú)關(guān)，只與剪切應力成比例，因而輸出對加載點(diǎn)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(tài)，在外載荷作用下受剪的截面積不發(fā)生變化，各電阻應變計產(chǎn)生基本相同的電阻變化，固有線(xiàn)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(gè)盲孔內的小寄生應力區，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，不僅得到了保護，還便于用聚胺酯灌封，防護等級高；

（5）加載點(diǎn)和兩個(gè)支撐點(diǎn)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(diǎn)接觸，實(shí)際是一個(gè)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(dòng)態(tài)響應快。柱式傳感器固有頻率高（幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)赫茲),動(dòng)態(tài)響應快。橋式傳感器固有頻率低（幾千赫茲），動(dòng)態(tài)響應相對較慢。

2、柱式傳感器較橋式傳感器安裝要求高，調整麻煩。

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，枰的響應速度才是決定使用性能的終因素。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。

隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，制造高分辨率、高響應速度的儀表已經(jīng)不是難事。但是枰體響應速度的提高確實(shí)不易，目前各生產(chǎn)廠(chǎng)家的抨體結構、使用材料大同小異，秤體的固有頻率通常在 3~5Hz,且無(wú)法進(jìn)一步提高。經(jīng)過(guò)多次試驗測得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(gè)完整的波形需要1/4.2秒(238.1ms ),秤體的響應時(shí)間為238.1ms。因此，一臺秤的響應時(shí)間取決于秤體的響應時(shí)間。

本文設計了一個(gè)實(shí)驗，以期分析柱式傳感器與橋式傳感器應用在地磅中的性能差別，在同一臺枰上同時(shí)安裝柱式傳感器與橋式傳感器，將它們的信號同時(shí)引入儀表，采集車(chē)輛通過(guò)秤臺時(shí)的信號波形。結果采集到的兩沖傳感器的輸出波形驚人的一致。為什么會(huì )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*衡器數據采集需要，柱式傳感器更高的固有頻率發(fā)揮不出優(yōu)勢。通過(guò)實(shí)驗，可以得出結論：當兩種傳感器應用在地磅中時(shí)，他們的性能沒(méi)有差異。實(shí)驗結果與理論分析*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(shí)要求傳感器中心線(xiàn)與地面垂直，這是傳感器自身的結構所決定的。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(shuō)以及截面變化學(xué)說(shuō)，傳感器傾斜安裝時(shí)會(huì )產(chǎn)生誤差。這兩種學(xué)說(shuō)從兩個(gè)不同的角度分析了柱式傳感器安裝不豎直時(shí),產(chǎn)生誤差的原因。按照這兩種理論計算出來(lái)的結果是一致的。

由于剪力沿應變梁長(cháng)度方向為一常量，稱(chēng)重傳感器輸出與梁彎矩無(wú)關(guān)，只與剪切應力成比例，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低于柱式傳感器。

五、柱式傳感器與橋式傳感器的應用體會(huì )

(一）兩種傳感器對基礎的要求

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐積累，總結出柱式傳感器對基礎預埋板的水平度要求較高，當預埋板水平度達到1/500時(shí)（預埋板為 500 x 500mm,傾斜度不大于1mm ),傳感器可正常工作。橋式傳感器預埋板水平度1/200時(shí)，即可正常工作。

(二）坡道安裝問(wèn)題

由于柱式傳感器抗側向力較差，安裝時(shí)傳感器中心線(xiàn)應與地面垂直。因此，國內度較高的衡器企業(yè)使用柱式傳感器時(shí)，均采取抨體水平安裝的方式。當秤體安裝在有坡度的高速公路收費站時(shí)，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(wú)關(guān),只與剪切應力成比例，輸出對加載點(diǎn)的變化不敏感,且其抗偏載能力強,所以使用橋式傳感 器的秤體可以實(shí)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(guò)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，夏季正午陽(yáng)光直射下，枰體表面溫度可達60°C以上，而夜間又會(huì )降至30°C以下，一天之內溫差達30°C以上，對于21m長(cháng)的秤體，熱脹冷縮可達10mm，因此無(wú)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60°C以上， 坪面熱脹冷縮可達20mm以上。如何消除熱脹冷縮對傳感器工作的影響，目前行業(yè)上沒(méi)有成熟的解決方案。

為研究枰體熱脹冷縮對計量性能的影響，筆者設計了一個(gè)試驗：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(zhù)溫度變化’其稱(chēng)麗度變化情況。

實(shí)驗參數設計如下。

秤臺尺寸：3.4x21m；安裝10只30噸傳感器。

試驗氣候條件：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。

試驗載荷：30噸標準砝碼，靜態(tài)測量。

測量時(shí)間點(diǎn)：8.00； 14.00； 20.00。

通過(guò)實(shí)驗可以看出，對于尺寸大且安裝柱式傳感器的衡器，確實(shí)會(huì )因為溫度變化，抨體出現熱脹冷縮，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(huì )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、彈性體為回轉體，主要采用車(chē)削加工，生產(chǎn)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(diǎn)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(diǎn)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、a兩種傳感器的適用范圍

根據多年的衡器設計、制造、安裝經(jīng)驗，以及理論研究分析，筆者對衡器設計時(shí)傳感器的選用有以下幾點(diǎn)體會(huì )，僅供參考。

1、在一些大型的煤倉抨、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(guò)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，對加載點(diǎn)變化不敏感，宜選用橋式傳感器。

4、在大多數常見(jiàn)衡器中，兩種傳感器都能適用。