柱式傳感器與橋式傳感器在汽車衡中的應(yīng)用性能

目前在汽車衡設(shè)計制造中采用的傳感器主要為柱式傳感器與橋式傳感器，了分析，對他們的適用范圍提出了的觀點，可以為汽車衡設(shè)計、選型提供一些參考。
目前，我國的汽車衡制造業(yè)所采用的稱重傳感器以柱式傳感器和橋式傳感器最為普遍。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)力進行工作的；剪切應(yīng)力傳感器是通過測量剪切應(yīng)力進行工作的。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)缺點呢？在應(yīng)用中存在哪些問題？本文將對此展開分析。
一、權(quán)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(guān)于柱式傳感器的特點，《中國衡器實用技術(shù)手冊》中的描述如下：結(jié)構(gòu)緊湊，幾何形狀簡單，設(shè)計計算、機械加工、熱處理、電阻應(yīng)變計粘貼等均較容易；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現(xiàn)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(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(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 30%,整體四柱式傳感器可達作為傳感器的應(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。
(二）橋式稱重傳感器
20世紀70年代中期，為克服測量正應(yīng)力應(yīng)變式負荷傳感器的各項缺點，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，容易防護密封。正是這些正應(yīng)力傳感器無法具備的特點，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，形成了一個強大的發(fā)展潮流。
橋式稱重傳感器有如下特點
（1）剪力沿應(yīng)變梁長度方向為一常量，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)變計產(chǎn)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(yīng)力分布比較均勻，電阻應(yīng)變計粘貼在四個盲孔內(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)向和偏心載荷的能力；
（4）電阻應(yīng)變計及補償元器件均在盲孔內(nèi)，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。
二、柱式傳感器與橋式傳感器的爭論焦點
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。
三、問題分析
(一)動態(tài)響應(yīng)速度分析
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(shù)十倍于橋式傳感器，這是不爭的事實。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最終因素。抨的響應(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,且無法進一步提高。經(jīng)過多次試驗測得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)計了一個實驗，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別，試驗方法示意如圖1所示。

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。柱式傳感器數(shù)據(jù)波形如圖2所示，橋式傳感器數(shù)據(jù)波形如圖3所示。為什么會出現(xiàn)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(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。

通過實驗，可以得出結(jié)論：當(dāng)兩種傳感器應(yīng)用在汽車衡中時，他們的性能沒有差異。實驗結(jié)果與理論分析完全吻合。
(二)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。
(1 )分力學(xué)說
受力分析如圖4所示。如果安裝不豎直，當(dāng)傳感器受到外力 F的作用時，力F會分解為Fy、Fx兩個分力，F(xiàn)y平行于傳感器軸線，使傳感器產(chǎn)生變形。也就是說傳感器所檢測到的力為Fy,因此會產(chǎn)生誤差。

(2 )截面變化學(xué)說
截面變化如圖5所示，當(dāng)傳感器傾斜安裝時,其彈性體的截面積發(fā)生了變化，為與力的作用線垂直的截面1,所以會產(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。按照這兩種理論計算出來的結(jié)果是一致的。
由于剪力沿應(yīng)變梁長度方向為一常量，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。
四、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)知名度較高的衡器企業(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(xiàn)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(qū)，夏季正午陽光直射下，枰體表面溫度可達60°C以上，而夜間又會降至30°C以下，一天之內(nèi)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(shè)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’其稱麗度變化情況。
實驗參數(shù)設(shè)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：柱式傳感器為進口某國際知名品牌；橋式傳感器為國產(chǎn)某知名品牌。
試驗載荷：30噸標準砝碼，靜態(tài)測量。
測量時間點：8.00； 14.00； 20.00。
實驗結(jié)果對比表1所示。

通過實驗可以看出，對于尺寸大且安裝柱式傳感器的衡器，確實會因為溫度變化，抨體出現(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。
五、柱式傳感器與橋式傳感器的優(yōu)缺點
(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(diào)整方便。
2、體積龐大’制造材料消耗多’要求安裝空間大’搬運笨重。
六、兩種傳感器的適用范圍
根據(jù)多年的衡器設(shè)計、制造、安裝經(jīng)驗，以及理論研究分析，筆者對衡器設(shè)計時傳感器的選用有以下幾點體會，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汽車衡，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(shù)常見衡器中，兩種傳感器都能適用

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