桥式传感器与柱式传感器性能分析

柱式传感器与桥式传感器的性能分析目前，我国的电子衡器制造业所承受的称重传感器以柱式传感器和桥式传感器最为普器各有什么优缺点呢？今日我想把自己在长期从事衡器设计、制造中对这两种传感器的一些理解、思考、体会拿出来与大家做一个沟通，期望能起到一个抛砖引玉的作用，引起更多人的思考，争辩。对本人观点中的缺乏之处，期望大家赐予批判指正。电子衡器所用的传感器根本上都是应变式称重传感器，应变式称重传感器从设计原理柱式传感器；剪应力传感器的典型代表是桥式传感器。一、权威文献对对柱式传感器与桥式传感器的描述1、柱式称重传感器关于柱式传感器的特点，《中国衡器有用技术手册》中是如下描述的：构造紧凑，几何外形简洁，设计计算、机械加工、热处理、电阻应变计粘贴等均较容易；刚性较大，固有频率高，动态响应快；通过外壳和膜片易于实现焊接密封和抽真空充氮工艺。但其缺点也很突出，主要有：固有线性差，最大可达0.3%FS以上。这是由于圆柱式弹性元件在承受拉向载荷时，随着载荷的增加横截面由于横向收缩而减小，故应力与应变超比例的增加，使输出大于线性值。当承受压向载荷时，随着载荷的增加，弹性元件横截面由于横向变粗而增大，故应力与应变小于比例增加，使输出小于线性值。外载荷越大，非线性误差越大。只有进展非线性补偿，才能使称重传感器到达较高的准确度等级〔摘自《中国衡器有用技术手册》P319〕。试验证明，在一般状况下，单柱式称重传感器抗水平侧向载荷的力量，在其额定载荷的10%以下，而整体三柱式传感器可达30%，整体四柱式传感器可达50%，作为传感器的应用性能是至关重要的。〔摘自《中国衡器有用技术手册》P323〕目前市场上的柱式传感器均为单柱式传感器。2、桥式称重传感器2070特姆开创了不应用弹性元件的正应力而利用剪切应力设计和制造传感器的先例，为剪切应力传感器的进展奠定了理论根底。由于剪切应力传感器的弹性元件多为受剪的直梁构造，剪力沿梁的长度方向为一个常量，所以输出灵敏度对加载点变化不敏感；剪切梁在拉伸、压缩载荷作用下，变形量几乎全都，使得拉压灵敏度对称性好；利用构造对称和贴片组桥技巧，极大地提高了抗侧向和偏心载荷力量；并且外形低，刚度大，固有线性好，简洁防护密封。正是这些正应力传感器无法具备的特点，使得剪切应力称重传感器在电子衡器制〔P336〕桥式称重传感器有如下特点：剪力沿应变梁长度方向为一常量，称重传感器输出与梁弯矩无关，只与剪切应力成比例，因而输出对加载点变化不敏感；由于应变区为工字梁，在腹板上中性轴处的应力单元为纯剪状态，在外载荷作用下受剪的截面积不发生变化，各电阻应变计产生根本一样的电阻变化，固有线性好；由于工字型截面剪切应力分布比较均匀，电阻应变计粘贴在四个盲孔内的最小寄生应力区，应用贴片和组桥技巧，可以提高抗侧向和偏心载荷的力量；电阻应变计及补偿元器件均在盲孔内，不仅得到了最好的保护，还便于用聚胺酯灌封，防护等级高；加载点和两个支撑点自成平衡力系，安装维护便利；钢球与球座接触传递外载荷理论上为点接触，实际是一个很小的接触圆。由于钢球只传递轴载荷，不传递横向载荷和横向扭矩，保证了测量准确度。〔摘自《中国衡器有用技术手册》P338~339〕二、行业对于对柱式传感器与桥式传感器的争辩焦点1、柱式传感器较桥式传感器动态响应快。柱式传感器固有频率高〔几万到十几万hz〕，动态响应快。桥式传感器固有频率低〔几千hz〕，动态响应相对较慢。2、柱式传感器较桥式传感器安装要求高，调整麻烦。三、本人对这两个问题的理解1、动态响应速度问题的理论分析单纯看两种传感器的固有频率，确实柱式传感器的固有频率数十倍于桥式传感器，这是打算地。关于仪表的响应速度，随着电子技术的飞速进展，制造高区分率、高响应速度的仪表3—5hz100吨秤体的固有频率为约4.2hz，其他吨位的秤体也差异不大。即秤体震荡一个完整的波形需要1/4.2秒〔238.1ms〕。即秤体的响应时间为238.1ms。因此，一台秤的响应时间取决于秤体的响应时间。2本人曾设计了一个试验，以期分析柱式传感器与桥式传感器应用在汽车衡中的性能差异1所示：图1 试验方法示意图这样的状况呢？由于秤体固有频率只有几hz，而桥式传感器固有频率在上千hz，已完全满足衡器数据采集需要，柱式传感器更高的固有频率发挥不出优势。图2 柱式传感器数据波形3桥式传感器数据波形结果与理论分析完全吻合。3a身的构造所打算的。关于柱式传感器为什么要竖直安装，学术界有两种理论。分力学说4所示，假设安装不竖直，当传感器受到外力FFFy、Fx两个分力，FyFy。因此会产生误差。图4受力分析图 图5 截面变化图截面变化学说如图51，所以会产生误差。这两种理论计算出来的结果是全都的。b、桥式传感器安装柱式传感器。四、柱式传感器与桥式传感器应用体会1、两种传感器对根底的要求1/500时〔500x500mm1mm〕，传感器可正常工作。1/200时，即可正常工作。2、关于坡道安装问题由于柱式传感器抗侧向力较差，安装时传感器中心线应与地面垂直。因此，国内知名度较高的衡器企业〔如陕西四维、梅特勒托利多、济南金钟等〕使用柱式传感器时，均实行方式。而桥式传感器输出与梁的弯矩无关，只与剪切应力成比例，输出对加载点的变化不敏30005.6%，均工作正常。3、温度变化的影响在我国大局部地区，夏季正午阳光直射下，秤体外表温度可达60°C以上，而夜间又会3030°以上，对于21m10mm，因此无法保证传感器始终垂直于地面。而冬季与夏季秤面温差甚至可达60度以上，秤面热胀冷缩可达20mm以上。如何消退热胀冷缩对传感器工作的影响，目前行业上没有成熟的解决方案。装柱式传感器与桥式传感器，测量随着温度变化，其称量精度变化状况。试验设计：秤台尺寸：3.4x21m1030试验气候条件：8月中旬；晴天；秤体露天安装；传感器：柱式传感器为进口某国际知名品牌；桥式传感器为国产某知名品牌试验载荷：30时间误差传感器柱式传感器8.0014.0020.000120kg时间误差传感器柱式传感器8.0014.0020.000120kg10kg桥式传感器025kg0胀冷缩，导致传感器倾斜，引起较大误差；而安装桥式传感器的衡器会好得多。五、柱式传感器与桥式传感器优缺点柱式传感器：1不降低；3桥式传感器：1、抗偏载力量强，对加载点的变化不敏感，安装要求低，调整便利；2、体积浩大，材料消耗多，要求安装空间大，搬运笨重。六、两种传感器的适用范围计时传感器选用有以下几点体会，仅供参考。1、在一些大型的煤仓秤、料斗秤、室内使用的衡器以及传