柱式傳感器與橋式傳感器在汽車(chē)衡中的應(yīng)用性能

目前在汽車(chē)衡設(shè)計(jì)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(duì)他們的適用范圍提出了的觀點(diǎn)，可以為汽車(chē)衡設(shè)計(jì)、選型提供一些參考。
目前，我國(guó)的汽車(chē)衡制造業(yè)所采用的稱(chēng)重傳感器以柱式傳感器和橋式傳感器最為普遍。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(zhēng)論不休。電子衡器所用的傳感器基本上都是應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器，應(yīng)變式稱(chēng)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(guò)測(cè)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(guò)測(cè)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(wèn)題？本文將對(duì)此展開(kāi)分析。
一、權(quán)威文獻(xiàn)對(duì)柱式傳感器與橋式傳感器的描述
(一）柱式稱(chēng)重傳感器
關(guān)于柱式傳感器的特點(diǎn)，《中國(guó)衡器實(shí)用技術(shù)手冊(cè)》中的描述如下：結(jié)構(gòu)緊湊，幾何形狀簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快;通過(guò)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，最大可達(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(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)行非線性補(bǔ)償，才能使稱(chēng)重傳感器達(dá)到較高的準(zhǔn)確度等級(jí)。
試驗(yàn)證明，在一般情況下，單柱式稱(chēng)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(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。
(二）橋式稱(chēng)重傳感器
20世紀(jì)70年代中期，為克服測(cè)量正應(yīng)力應(yīng)變式負(fù)荷傳感器的各項(xiàng)缺點(diǎn)，美國(guó)學(xué)者霍格斯特姆開(kāi)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(zhǎng)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，變形量幾乎一致，使拉壓靈敏度對(duì)稱(chēng)性好；利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)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(wú)法具備的特點(diǎn)，使剪切應(yīng)力稱(chēng)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(gè)強(qiáng)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(yīng)變梁長(zhǎng)度方向?yàn)橐怀Ａ?，稱(chēng)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；
（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(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)，不僅得到了最好的保護(hù)，還便于用聚胺酯灌封，防護(hù)等級(jí)高；
（5）加載點(diǎn)和兩個(gè)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(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(cè)量準(zhǔn)確度。
二、柱式傳感器與橋式傳感器的爭(zhēng)論焦點(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(wàn)到十幾萬(wàn)赫茲),動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。橋式傳感器固有頻率低（幾千赫茲），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、問(wèn)題分析
(一)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度分析
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，這是不爭(zhēng)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(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(wú)法進(jìn)一步提高。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)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(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。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，以期分析柱式傳感器與橋式傳感器應(yīng)用在汽車(chē)衡中的性能差別，試驗(yàn)方法示意如圖1所示。

在同一臺(tái)枰上同時(shí)安裝柱式傳感器與橋式傳感器，將它們的信號(hào)同時(shí)引入儀表，采集車(chē)輛通過(guò)秤臺(tái)時(shí)的信號(hào)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(huì)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，已完全滿(mǎn)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(shì)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論：當(dāng)兩種傳感器應(yīng)用在汽車(chē)衡中時(shí)，他們的性能沒(méi)有差異。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shuō)
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(shí)，力F會(huì)分解為Fy、Fx兩個(gè)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(shuō)傳感器所檢測(cè)到的力為Fy,因此會(huì)產(chǎn)生誤差。

(2 )截面變化學(xué)說(shuō)
截面變化如圖5所示，當(dāng)傳感器傾斜安裝時(shí),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(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(jì)算出來(lái)的結(jié)果是一致的。
由于剪力沿應(yīng)變梁長(zhǎng)度方向?yàn)橐怀Ａ?，稱(chēng)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。所以橋式傳感器的安裝精度要求遠(yuǎn)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(huì)
(一）兩種傳感器對(duì)基礎(chǔ)的要求
經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐積累，總結(jié)出柱式傳感器對(duì)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(shí)（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(shí)，即可正常工作。
(二）坡道安裝問(wèn)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(guó)內(nèi)知名度較高的衡器企業(yè)使用柱式傳感器時(shí)，均采取抨體水平安裝的方式。當(dāng)秤體安裝在有坡度的高速公路收費(fèi)站時(shí)，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(duì)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(guò)3000臺(tái),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(guó)大部分地區(qū)，夏季正午陽(yáng)光直射下，枰體表面溫度可達(dá)60°C以上，而夜間又會(huì)降至30°C以下，一天之內(nèi)溫差達(dá)30°C以上，對(duì)于21m長(zhǎng)的秤體，熱脹冷縮可達(dá)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(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(duì)傳感器工作的影響，目前行業(yè)上沒(méi)有成熟的解決方案。
為研究秤體熱脹冷縮對(duì)計(jì)量性能的影響，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)：選用一臺(tái)汽車(chē)衡分別安裝柱式傳感器與橋式傳感器，測(cè)量隨著溫度變化’其稱(chēng)麗度變化情況。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下。
秤臺(tái)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)口某國(guó)際知名品牌；橋式傳感器為國(guó)產(chǎn)某知名品牌。
試驗(yàn)載荷：30噸標(biāo)準(zhǔn)砝碼，靜態(tài)測(cè)量。
測(cè)量時(shí)間點(diǎn)：8.00； 14.00； 20.00。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表1所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于尺寸大且安裝柱式傳感器的衡器，確實(shí)會(huì)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(huì)好得多。
五、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(chē)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(duì)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(duì)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。
六、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(duì)衡器設(shè)計(jì)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(cāng)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(guò)載能力好，有較大的優(yōu)勢(shì)。
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(duì)于需要在坡道安裝的大型汽車(chē)衡，由于橋式傳感器抗偏載能力強(qiáng)，對(duì)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(jiàn)衡器中，兩種傳感器都能適用

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