關于小型橋式傳感器的研究和分析

一、引言

目前國內(nèi)對雙剪梁型稱重傳感器的研究已經(jīng)很多，參考文獻1中講述了彈性體的應變與外加載荷有較好的線性，彈性體的結(jié)構(gòu)參數(shù)、載荷等各種因素對貼片區(qū)應變的影響。參考文獻2中詳細闡述了貼片區(qū)應力、應變對整個彈性體性能的影響。參考文獻3中作者重點論述了雙剪梁型稱重傳感器滯后誤差產(chǎn)生的原因，提出減小或消除稱重傳感器的接觸滯后誤差的方法?？梢姡P于雙剪梁式稱重傳感器的研究資料已經(jīng)很多，各生產(chǎn)廠家也是不勝枚舉，常規(guī)橋式傳感器已經(jīng)普及化，通過精細化控制達到的性價比是市場競爭之重點。在這種情況下，橋式傳感器的競爭就是成本和服務的競爭，終衡器市場上出現(xiàn)了不斷縮小體積尺寸的小型橋式傳感器。本文重點介紹目前市場上各種小型橋式傳感器的使用情況，并對存在的問題進行深入分析，給出一些應用或選型的參考性建議。

二、小型橋式傳感器在市場上的應用情況

目前衡器市場上小型橋式傳感器大致分幾種：小型橋式傳感器 A 采用一體式彈性體結(jié)構(gòu)，螺桿從上部連接底板和彈性體；小型橋式傳感器 B 采用一體式結(jié)構(gòu)，螺桿從下部連接底板和彈性體。小型橋式傳感器 C 采用鉸支結(jié)構(gòu)，通過螺桿從上部和支撐輥連接底板和彈性體。無論哪類小型橋式傳感器都是為了降低成本而采取的彈性體小型化設計，去除了所謂的強度冗余結(jié)構(gòu)，從而減小了產(chǎn)品體積，降低了鋼材消耗成本。下面是相同量程的幾種小型橋式傳感器外形尺寸與常規(guī)橋式傳感器外形尺寸的比較。 

小型橋式傳感器和常規(guī)橋式傳感器主要尺寸比較種類

彈性體外形（長×寬×高）(mm)        貼片孔距(mm)

常規(guī)橋式傳感器 240×52×56             80

小型橋式傳感器 A 160×76×52           70

小型橋式傳感器 B 160×85×56           68

小型橋式傳感器 C 190×52×48           75

目前上表中的小型橋式傳感器生產(chǎn)廠家已有好幾家，市場上使用小型橋式傳感器的衡器廠家雖然不是很多，但也有一部分試用客戶，根據(jù)這些客戶收集的意見大致有幾種情況：小型橋式傳感器用在大量程（60t 以上）承載器（以下簡稱秤臺）上會出現(xiàn)線性不佳；重車過磅后出現(xiàn)負數(shù)，不回零；秤臺偏載誤差和段差較大；四角誤差也不好調(diào)整。下面以這些小型橋式傳感器為例進行研究分析。

三、重車上秤發(fā)生撓度變化后，秤臺及安裝對傳感器的影響

汽車衡秤臺的剛度要求：[f]=1/800，1/1000，1/1200，剛度太低會影響衡器的回零、蠕變性能表現(xiàn)不良，在這樣的剛度下，秤臺形變的傾角一般不會超過 1°。因此，秤臺在其剛度足夠的情況下，肯定不會出現(xiàn)較大的彎曲變形問題，也不會引起鋼球“爬坡”的現(xiàn)象。但是，當秤臺剛度不足時就會出現(xiàn)傳感器受力方向不垂直于傳感器本身，如圖 1 所示，當秤臺剛度足夠時，重車上秤時，其發(fā)生的彎曲變形可以忽略不計，力值 F 的方向近似為豎直向下秤臺剛度不足時，重車上秤后秤臺發(fā)生較大的彎曲變形，其偏轉(zhuǎn)角度為大約 5°。

即使秤臺剛度足夠時，如果由于安裝位置對位偏差較大也有可能造成載荷方向偏轉(zhuǎn)，安裝對位偏差影響載荷方向左表示秤臺在剛度足夠的情況下而且安裝對位準確時，載荷方向豎直向下，但是如果安裝位置水平偏移了 4.47mm時，鋼球中心就不可能位于傳感器球窩中心位置，此時傳感器載荷方向也同樣偏轉(zhuǎn) 5°。因此，不管是秤臺的剛度不足或者傳感器安裝位置對位偏移都有可能造成傳感器載荷方向發(fā)生改變。假設傳感器受到的實際載荷為 F1，則

根據(jù)合力和分力的關系式： F1 = FCOS(5°) （1） 實際誤差： △F = F- F1 （2）

1、當秤臺剛度不足時，重車下秤后，秤臺不能完全馬上復位，秤臺自重不能完全作用于傳感器之上，因此，會出現(xiàn)下秤后的重量小于上秤前的重量，由于剛開始標定的重車上秤前的重量為 0，故重車下秤后，重量為負值，即出現(xiàn)了負零點不回零現(xiàn)象。

2、當安裝位置偏移量較大時，初始位置時傳感器受力就是分力 F1，重車上秤后，鋼球偏移方向的不同，其下秤后儀表示值可能為正也可能為負，也同樣出現(xiàn)了不回零的情況。

四、用有限元 I-DEAS 對小型橋式傳感器和常規(guī)橋式傳感器進行分析比較

1、當載荷方向偏轉(zhuǎn) 5°時，載荷對小型橋式傳感器應變區(qū)域等效應力（von-Mises）的影響

本文選取外形尺寸為 160mm×85mm×56mm，中心距大約 68mm 的小型橋式傳感器為例進行分析比較，為了簡化模擬計算，模擬定義材料為理想材料，各接觸面均為固定連接。單元劃分為程序自由劃分，為了節(jié)約計算時間并提高運算精度，僅將貼片區(qū)進行二次細化。這樣終得到的單元數(shù)為 46774，由于單節(jié)點受力過于集中，效果不易觀察，因此假設整個彈性體球窩表面均布壓力。 球冠面積公式： S r = 2π h （3） 式中：r——球冠半徑，h——球冠的高 這里， r m = 61 m mPah mm = 5由公式（3）可以得到： 2 S m =1915.4

再假設傳感器量程為 30t 故，均布壓力：P M =156.6 因此，球窩內(nèi)施加的受力為156.6MPa。

載荷方向豎直向下和與豎直方向偏角為 5°的受力情況，在傳感器底面完全固支狀態(tài)下，通過 I-DEAS 對這兩種情況下的傳感器分別進行仿真模擬， 載荷方向豎直向下的受力狀態(tài)5 載荷方向與豎直向下成 5°夾角的受力狀態(tài)載荷方向豎直向下的仿真結(jié)果 圖 7 載荷方向與豎直向下成 5°夾角的仿真結(jié)果 模擬結(jié)果顯示，當受力 156.55MPa時，正常情況下應力為 664.85MPa，而載荷方向偏轉(zhuǎn)5°后，應力達到了 767.64MPa，而貼片區(qū)內(nèi)的應力變化，選取 10 個節(jié)點應力并求取平均值。載荷方向偏轉(zhuǎn) 5°前后，貼片區(qū)應力值變化情況對比載荷方向豎直向下的仿真結(jié)果 載荷方向與豎直方向成 5°夾角的仿真結(jié)果 序號

左貼片孔應力值(MPa) 右貼片孔應力值(MPa) 左貼片孔應力值(MPa) 右貼片孔應力值(MPa)

 290.26                   291.41            343.17            275.79

282.5                    290.42            336.01            278.44

288.35                   283.45            335.79            280.89

 287.04                   295.97            338.09            288.33

285.47                   287.08            317.72            284.66

290.18                   287.92            331.01            270.33

293.79                   289.16            329.24            296.5

 297.49                   295.4             331.78            287.47

 310.1                    290.5             324.07            281.69

301.39                    280.82            327.81            295.74

均值 292.66    289.21    331.47    283.98

利用同樣方法對常規(guī)橋式傳感器進行仿真模擬（本文對仿真過程不再重復），模擬結(jié)果載荷方向偏轉(zhuǎn) 5°前后，貼片區(qū)應力值變化情況對比載荷方向豎直向下的仿真結(jié)果 載荷方向與豎直方向成 5°夾角的仿真結(jié)果

序號左貼片孔應力值(MPa) 右貼片孔應力值(MPa) 左貼片孔應力值(MPa) 右貼片孔應力(MPa)

1         293.23             294.86                   307.13           272.54

2         291.01             298.23                   308.17           274.99

3         291.31             289.07                   311.58           272.53

4         288.1              291.55                   303.08           277

5         287.66             296.44                   306.92           281.75

6         289.14             297.98                   310.60           277.6

7         289.36             297.51                   310.26           278.22

8        293.01             293.85                  311.23         279.34

9        295.52             287.5                   308.07         280.54

10       294.76             297.74                  312.87         281.59

均值  291.31    294.47    308.99    277.61

通過以上數(shù)據(jù)對比，可以明顯看出，當載荷方向按偏轉(zhuǎn) 5°時，載荷對小型橋式傳感器左貼片孔的影響較大，應力值增加 38.81MPa，而對右貼片孔的影響較小，僅減小 6.23MPa，而且左右貼片孔應力值之和增加了 32.58MPa；而對常規(guī)橋式傳感器的應變區(qū)的影響，左貼片孔應力增加 17.68MPa，右貼片孔應力減小 16.86，而左右貼片孔應力值之和僅增加了 0.82MPa。因此，載荷方向偏轉(zhuǎn)對小體積的小型橋式傳感器的影響相對常規(guī)橋式傳感器來說較為敏感，而且應力梯度較大。其他類型結(jié)構(gòu)的小型橋式傳感器，經(jīng)理論分析，具有同樣的近似結(jié)果，在此不再一一分析。

五、實際組秤驗證分析

為了驗證我們理論分析的可信度，我們選取結(jié)構(gòu)為四節(jié)臺面 80t 的汽車衡一臺，分別準備上述小型橋式傳感器和常規(guī)橋式傳感器進行試驗，在相同秤臺、相同載荷和調(diào)試條件下，秤臺滿量程為80t，分度值設 10kg，秤臺兩頭的前后縱向、左右側(cè)向限位距離調(diào)整在 5mm以內(nèi)，調(diào)整傳感器垂直安裝使受力良好。利用測試車輛為 52t 左右鋼材重車，重車以不超過 5 公里/小時的速度沿同一個方向上秤。實際獲得的數(shù)據(jù)記錄比較如下：

1、選擇小型橋式傳感器 10只，按上述要求安裝調(diào)試就位用 52t 左右重車進行壓秤，稱重儀表顯示數(shù)據(jù)記錄如下：

次數(shù)        前       中        后         段差

1         52540kg    52490kg   52440kg     100kg

2         52530kg    52450kg   52410kg     120kg

3         52530kg    52420kg   52400kg     130kg 

2、選擇常規(guī)橋式傳感器 10只，按上述要求安裝調(diào)試就位 用 52t 左右重車進行壓秤，稱重儀表顯示數(shù)據(jù)記錄如下：

次數(shù)       前         中         后           段差

1       52720kg     52730kg     52700kg       30kg

2       52680kg     52730kg     52710kg       50kg

3       52670kg     52720kg     52700kg       50kg

上述實踐驗證的結(jié)論基本與理論分析的結(jié)論相吻合，在同樣安裝和調(diào)試條件下，同一稱重車輛在前中后三處表現(xiàn)出的示值誤差不同。因為試驗車輛屬于半掛車，鋼材重量比較容易集中作用在其中一節(jié)臺面上，在同樣載荷導致秤臺發(fā)生撓度的情況下，小型橋式傳感器表現(xiàn)出的段差明顯大于常規(guī)橋式傳感器，由此基本可以證明我們理論分析的可信度。

六、總結(jié)

根據(jù)以上分析，盡管小型橋式傳感器有一定的成本優(yōu)勢，但由于小型橋式傳感器體積小，貼片孔間距較小，一旦秤臺撓度過大或者安裝位置對位偏差稍大時，都會造成傳感器受力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而且在相同的偏角下，小型橋式傳感器的貼片區(qū)應力值變化要敏感于常規(guī)橋式傳感器，從而帶來比較大的誤差。建議選擇小型橋式傳感器時，一定要考慮秤臺本身的剛度條件適合性，如果用戶不能判斷秤臺剛度是否滿足時，通過組秤利用盡量接近滿秤量的重車做實際驗證。另外，對傳感器的安裝對位準確性也要比常規(guī)橋式傳感器的安裝更加仔細嚴格，同樣也要考慮大量程秤臺在重車上秤后，使秤臺發(fā)生較大變形情況下的影響情況分析，而且需要日常及時將限位裝置調(diào)整到合適的限位距離，防止日后車輛沖擊導致秤臺偏位后出現(xiàn)應用時不回零或不準確等問題?？傊?，相比縮小體積尺寸的小型橋式傳感器對汽車衡的秤臺剛度和安裝、限位等都提出了很高的要求，希望大家選擇時盡量考慮這些實際因素，以避免實際稱量的不準確或不回零等問題。