柱式傳感器與橋式傳感器的區(qū)別及其在汽車衡領(lǐng)域的應(yīng)用(來源:上海本熙測控設(shè)備科技有限公司)
目前,我國的地磅制造業(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(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)力傳感器是通過測量拉伸、壓縮和彎曲應(yīng)力進(jìn)行工作的;剪切應(yīng)力傳感器是通過測量剪切應(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)用中存在哪些問題?本文將對此展開分析。
柱式稱重傳感器介紹:
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(jié)構(gòu)緊湊,幾何形狀簡單,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新工 藝。但其缺點(diǎn)也很突出,主要有:固有線性差,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,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(jìn)行非線性補(bǔ)償,才能使稱重傳感器達(dá)到較高的準(zhǔn)確度等級。
試驗(yàn)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(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,因此在市場上見不到,目前市場上的柱式傳感器均為單柱式傳感器。
橋式稱重傳感器介紹:
20世紀(jì)70年代中期,為克服測量正應(yīng)力應(yīng)變式負(fù)荷傳感器的各項(xiàng)缺點(diǎn),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(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),剪力沿梁的長度方向?yàn)橐粋€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(hù)密封。正是這些正應(yīng)力傳感器無法具備的特點(diǎn),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(qiáng)大的發(fā)展潮流。
橋式稱重傳感器有如下特點(diǎn)
(1)剪力沿應(yīng)變梁長度方向?yàn)橐怀A?,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(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)粘貼在四個盲孔內(nèi)的小寄生應(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),不僅得到了保護(hù),還便于用聚胺酯灌封,防護(hù)等級高;
(5)加載點(diǎn)和兩個支撐點(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(zhǔn)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。
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終因素。秤的響應(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,且無法進(jìn)一步提高。經(jīng)過多次試驗(yàn)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(jì)了一個實(shí)驗(yàn),以期分析柱式傳感器與橋式傳感器應(yīng)用在地磅中的性能差別,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。為什么會出現(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*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(shí)驗(yàn),可以得出結(jié)論:當(dāng)兩種傳感器應(yīng)用在地磅中時,他們的性能沒有差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)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。分力學(xué)說以及截面變化學(xué)說,傳感器傾斜安裝時會產(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(jì)算出來的結(jié)果是一致的。
由于剪力沿應(yīng)變梁長度方向?yàn)橐怀A?,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(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。
五、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(shí)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(dá)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)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(fèi)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(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(qū),夏季正午陽光直射下,枰體表面溫度可達(dá)60°C以上,而夜間又會降至30°C以下,一天之內(nèi)溫差達(dá)30°C以上,對于21m長的秤體,熱脹冷縮可達(dá)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(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。
為研究枰體熱脹冷縮對計(jì)量性能的影響,筆者設(shè)計(jì)了一個試驗(yàn):選用一臺地磅分別安裝柱式傳感器與橋式傳感器,測量隨著溫度變化’其稱麗度變化情況。
實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下。
秤臺尺寸: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;橋式傳感器為國產(chǎn)某。
試驗(yàn)載荷:30噸標(biāo)準(zhǔn)砝碼,靜態(tài)測量。
測量時間點(diǎn):8.00; 14.00; 20.00。
通過實(shí)驗(yàn)可以看出,對于尺寸大且安裝柱式傳感器的衡器,確實(shí)會因?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(zhuǎn)體,主要采用車削加工,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。
七、a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,筆者對衡器設(shè)計(jì)時傳感器的選用有以下幾點(diǎn)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(yán)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(qiáng),對加載點(diǎn)變化不敏感,宜選用橋式傳感器。
4、在大多數(shù)常見衡器中,兩種傳感器都能適用。
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