橋式傳感器與柱式傳感器性能分析

柱式傳感器與橋式傳感器的性能分析目前，我國的電子衡器制造業(yè)所承受的稱重傳感器以柱式傳感器和橋式傳感器最為普器各有什么優(yōu)缺點(diǎn)呢？今日我想把自己在長期從事衡器設(shè)計(jì)、制造中對(duì)這兩種傳感器的一些理解、思考、體會(huì)拿出來與大家做一個(gè)溝通，期望能起到一個(gè)拋磚引玉的作用，引起更多人的思考，爭辯。對(duì)本人觀點(diǎn)中的缺乏之處，期望大家賜予批判指正。電子衡器所用的傳感器根本上都是應(yīng)變式稱重傳感器，應(yīng)變式稱重傳感器從設(shè)計(jì)原理柱式傳感器；剪應(yīng)力傳感器的典型代表是橋式傳感器。一、權(quán)威文獻(xiàn)對(duì)對(duì)柱式傳感器與橋式傳感器的描述1、柱式稱重傳感器關(guān)于柱式傳感器的特點(diǎn)，《中國衡器有用技術(shù)手冊》中是如下描述的：構(gòu)造緊湊，幾何外形簡潔，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(dòng)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。這是由于圓柱式彈性元件在承受拉向載荷時(shí)，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(shí)，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)展非線性補(bǔ)償，才能使稱重傳感器到達(dá)較高的準(zhǔn)確度等級(jí)〔摘自《中國衡器有用技術(shù)手冊》P319〕。試驗(yàn)證明，在一般狀況下，單柱式稱重傳感器抗水平側(cè)向載荷的力量，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?！舱浴吨袊馄饔杏眉夹g(shù)手冊》P323〕目前市場上的柱式傳感器均為單柱式傳感器。2、橋式稱重傳感器2070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)力傳感器的進(jìn)展奠定了理論根底。由于剪切應(yīng)力傳感器的彈性元件多為受剪的直梁構(gòu)造，剪力沿梁的長度方向?yàn)橐粋€(gè)常量，所以輸出靈敏度對(duì)加載點(diǎn)變化不敏感；剪切梁在拉伸、壓縮載荷作用下，變形量幾乎全都，使得拉壓靈敏度對(duì)稱性好；利用構(gòu)造對(duì)稱和貼片組橋技巧，極大地提高了抗側(cè)向和偏心載荷力量；并且外形低，剛度大，固有線性好，簡潔防護(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〔P336〕橋式稱重傳感器有如下特點(diǎn)：剪力沿應(yīng)變梁長度方向?yàn)橐怀Ａ浚Q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(duì)加載點(diǎn)變化不敏感；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)生根本一樣的電阻變化，固有線性好；由于工字型截面剪切應(yīng)力分布比較均勻，電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在四個(gè)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)向和偏心載荷的力量；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(jí)高；加載點(diǎn)和兩個(gè)支撐點(diǎn)自成平衡力系，安裝維護(hù)便利；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?！舱浴吨袊馄饔杏眉夹g(shù)手冊》P338~339〕二、行業(yè)對(duì)于對(duì)柱式傳感器與橋式傳感器的爭辯焦點(diǎn)1、柱式傳感器較橋式傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。柱式傳感器固有頻率高〔幾萬到十幾萬hz〕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。橋式傳感器固有頻率低〔幾千hz〕，動(dòng)態(tài)響應(yīng)相對(duì)較慢。2、柱式傳感器較橋式傳感器安裝要求高，調(diào)整麻煩。三、本人對(duì)這兩個(gè)問題的理解1、動(dòng)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，這是打算地。關(guān)于儀表的響應(yīng)速度，隨著電子技術(shù)的飛速進(jìn)展，制造高區(qū)分率、高響應(yīng)速度的儀表3—5hz100噸秤體的固有頻率為約4.2hz，其他噸位的秤體也差異不大。即秤體震蕩一個(gè)完整的波形需要1/4.2秒〔238.1ms〕。即秤體的響應(yīng)時(shí)間為238.1ms。因此，一臺(tái)秤的響應(yīng)時(shí)間取決于秤體的響應(yīng)時(shí)間。2本人曾設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)，以期分析柱式傳感器與橋式傳感器應(yīng)用在汽車衡中的性能差異1所示：圖1 試驗(yàn)方法示意圖這樣的狀況呢？由于秤體固有頻率只有幾hz，而橋式傳感器固有頻率在上千hz，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。圖2 柱式傳感器數(shù)據(jù)波形3橋式傳感器數(shù)據(jù)波形結(jié)果與理論分析完全吻合。3a身的構(gòu)造所打算的。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4所示，假設(shè)安裝不豎直，當(dāng)傳感器受到外力FFFy、Fx兩個(gè)分力，F(xiàn)yFy。因此會(huì)產(chǎn)生誤差。圖4受力分析圖 圖5 截面變化圖截面變化學(xué)說如圖51，所以會(huì)產(chǎn)生誤差。這兩種理論計(jì)算出來的結(jié)果是全都的。b、橋式傳感器安裝柱式傳感器。四、柱式傳感器與橋式傳感器應(yīng)用體會(huì)1、兩種傳感器對(duì)根底的要求1/500時(shí)〔500x500mm1mm〕，傳感器可正常工作。1/200時(shí)，即可正常工作。2、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(shí)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)〔如陜西四維、梅特勒托利多、濟(jì)南金鐘等〕使用柱式傳感器時(shí)，均實(shí)行方式。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(duì)加載點(diǎn)的變化不敏30005.6%，均工作正常。3、溫度變化的影響在我國大局部地區(qū)，夏季正午陽光直射下，秤體外表溫度可達(dá)60°C以上，而夜間又會(huì)3030°以上，對(duì)于21m10mm，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度以上，秤面熱脹冷縮可達(dá)20mm以上。如何消退熱脹冷縮對(duì)傳感器工作的影響，目前行業(yè)上沒有成熟的解決方案。裝柱式傳感器與橋式傳感器，測量隨著溫度變化，其稱量精度變化狀況。試驗(yàn)設(shè)計(jì)：秤臺(tái)尺寸：3.4x21m1030試驗(yàn)氣候條件：8月中旬；晴天；秤體露天安裝；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：30時(shí)間誤差傳感器柱式傳感器8.0014.0020.000120kg時(shí)間誤差傳感器柱式傳感器8.0014.0020.000120kg10kg橋式傳感器025kg0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(huì)好得多。五、柱式傳感器與橋式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)柱式傳感器：1不降低；3橋式傳感器：1、抗偏載力量強(qiáng)，對(duì)加載點(diǎn)的變化不敏感，安裝要求低，調(diào)整便利；2、體積浩大，材料消耗多，要求安裝空間大，搬運(yùn)笨重。六、兩種傳感器的適用范圍計(jì)時(shí)傳感器選用有以下幾點(diǎn)體會(huì)，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