關(guān)于小型橋式傳感器的研究和分析

一、引言

目前國(guó)內(nèi)對(duì)雙剪梁型稱重傳感器的研究已經(jīng)很多，參考文獻(xiàn)1中講述了彈性體的應(yīng)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(duì)貼片區(qū)應(yīng)變的影響。參考文獻(xiàn)2中詳細(xì)闡述了貼片區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)整個(gè)彈性體性能的影響。參考文獻(xiàn)3中作者重點(diǎn)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(guān)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(guò)精細(xì)化控制達(dá)到的性價(jià)比是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)之重點(diǎn)。在這種情況下，橋式傳感器的競(jìng)爭(zhēng)就是成本和服務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)，終衡器市場(chǎng)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(diǎn)介紹目前市場(chǎng)上各種小型橋式傳感器的使用情況，并對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行深入分析，給出一些應(yīng)用或選型的參考性建議。

二、小型橋式傳感器在市場(chǎng)上的應(yīng)用情況

目前衡器市場(chǎng)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(guò)螺桿從上部和支撐輥連接底板和彈性體。無(wú)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(shè)計(jì)，去除了所謂的強(qiáng)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(zhǎng)×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(chǎng)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(jiǎn)稱秤臺(tái)）上會(huì)出現(xiàn)線性不佳；重車過(guò)磅后出現(xiàn)負(fù)數(shù)，不回零；秤臺(tái)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(jìn)行研究分析。

三、重車上秤發(fā)生撓度變化后，秤臺(tái)及安裝對(duì)傳感器的影響

汽車衡秤臺(tái)的剛度要求：[f]=1/800，1/1000，1/1200，剛度太低會(huì)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(tái)形變的傾角一般不會(huì)超過(guò) 1°。因此，秤臺(tái)在其剛度足夠的情況下，肯定不會(huì)出現(xiàn)較大的彎曲變形問(wèn)題，也不會(huì)引起鋼球“爬坡”的現(xiàn)象。但是，當(dāng)秤臺(tái)剛度不足時(shí)就會(huì)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(dāng)秤臺(tái)剛度足夠時(shí)，重車上秤時(shí)，其發(fā)生的彎曲變形可以忽略不計(jì)，力值 F 的方向近似為豎直向下秤臺(tái)剛度不足時(shí)，重車上秤后秤臺(tái)發(fā)生較大的彎曲變形，其偏轉(zhuǎn)角度為大約 5°。

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

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

1、當(dāng)秤臺(tái)剛度不足時(shí)，重車下秤后，秤臺(tái)不能完全馬上復(fù)位，秤臺(tái)自重不能完全作用于傳感器之上，因此，會(huì)出現(xiàn)下秤后的重量小于上秤前的重量，由于剛開始標(biāo)定的重車上秤前的重量為 0，故重車下秤后，重量為負(fù)值，即出現(xiàn)了負(fù)零點(diǎn)不回零現(xiàn)象。

2、當(dāng)安裝位置偏移量較大時(shí)，初始位置時(shí)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(fù)，也同樣出現(xiàn)了不回零的情況。

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

1、當(dāng)載荷方向偏轉(zhuǎn) 5°時(shí)，載荷對(duì)小型橋式傳感器應(yīng)變區(qū)域等效應(yīng)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(jìn)行分析比較，為了簡(jiǎn)化模擬計(jì)算，模擬定義材料為理想材料，各接觸面均為固定連接。單元?jiǎng)澐譃槌绦蜃杂蓜澐?，為了?jié)約計(jì)算時(shí)間并提高運(yùn)算精度，僅將貼片區(qū)進(jìn)行二次細(xì)化。這樣終得到的單元數(shù)為 46774，由于單節(jié)點(diǎn)受力過(guò)于集中，效果不易觀察，因此假設(shè)整個(gè)彈性體球窩表面均布?jí)毫Α?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(shè)傳感器量程為 30t 故，均布?jí)毫Γ篜 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(guò) I-DEAS 對(duì)這兩種情況下的傳感器分別進(jìn)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(dāng)受力 156.55MPa時(shí)，正常情況下應(yīng)力為 664.85MPa，而載荷方向偏轉(zhuǎn)5°后，應(yīng)力達(dá)到了 767.64MPa，而貼片區(qū)內(nèi)的應(yīng)力變化，選取 10 個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力并求取平均值。載荷方向偏轉(zhuǎn) 5°前后，貼片區(qū)應(yīng)力值變化情況對(duì)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(hào)

左貼片孔應(yīng)力值(MPa) 右貼片孔應(yīng)力值(MPa) 左貼片孔應(yīng)力值(MPa) 右貼片孔應(yīng)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(duì)常規(guī)橋式傳感器進(jìn)行仿真模擬（本文對(duì)仿真過(guò)程不再重復(fù)），模擬結(jié)果載荷方向偏轉(zhuǎn) 5°前后，貼片區(qū)應(yīng)力值變化情況對(duì)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(hào)左貼片孔應(yīng)力值(MPa) 右貼片孔應(yīng)力值(MPa) 左貼片孔應(yīng)力值(MPa) 右貼片孔應(yīng)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(guò)以上數(shù)據(jù)對(duì)比，可以明顯看出，當(dāng)載荷方向按偏轉(zhuǎn) 5°時(shí)，載荷對(duì)小型橋式傳感器左貼片孔的影響較大，應(yīng)力值增加 38.81MPa，而對(duì)右貼片孔的影響較小，僅減小 6.23MPa，而且左右貼片孔應(yīng)力值之和增加了 32.58MPa；而對(duì)常規(guī)橋式傳感器的應(yīng)變區(qū)的影響，左貼片孔應(yīng)力增加 17.68MPa，右貼片孔應(yīng)力減小 16.86，而左右貼片孔應(yīng)力值之和僅增加了 0.82MPa。因此，載荷方向偏轉(zhuǎn)對(duì)小體積的小型橋式傳感器的影響相對(duì)常規(guī)橋式傳感器來(lái)說(shuō)較為敏感，而且應(yīng)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(shí)際組秤驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證我們理論分析的可信度，我們選取結(jié)構(gòu)為四節(jié)臺(tái)面 80t 的汽車衡一臺(tái)，分別準(zhǔn)備上述小型橋式傳感器和常規(guī)橋式傳感器進(jìn)行試驗(yàn)，在相同秤臺(tái)、相同載荷和調(diào)試條件下，秤臺(tái)滿量程為80t，分度值設(shè) 10kg，秤臺(tái)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(cè)試車輛為 52t 左右鋼材重車，重車以不超過(guò) 5 公里/小時(shí)的速度沿同一個(gè)方向上秤。實(shí)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(jìn)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(jìn)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(shí)踐驗(yàn)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?yàn)樵囼?yàn)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(tái)面上，在同樣載荷導(dǎo)致秤臺(tái)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(shì)，但由于小型橋式傳感器體積小，貼片孔間距較小，一旦秤臺(tái)撓度過(guò)大或者安裝位置對(duì)位偏差稍大時(shí)，都會(huì)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(yīng)力值變化要敏感于常規(guī)橋式傳感器，從而帶來(lái)比較大的誤差。建議選擇小型橋式傳感器時(shí)，一定要考慮秤臺(tái)本身的剛度條件適合性，如果用戶不能判斷秤臺(tái)剛度是否滿足時(shí)，通過(guò)組秤利用盡量接近滿秤量的重車做實(shí)際驗(yàn)證。另外，對(duì)傳感器的安裝對(duì)位準(zhǔn)確性也要比常規(guī)橋式傳感器的安裝更加仔細(xì)嚴(yán)格，同樣也要考慮大量程秤臺(tái)在重車上秤后，使秤臺(tái)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(shí)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(dǎo)致秤臺(tái)偏位后出現(xiàn)應(yīng)用時(shí)不回零或不準(zhǔn)確等問(wèn)題。總之，相比縮小體積尺寸的小型橋式傳感器對(duì)汽車衡的秤臺(tái)剛度和安裝、限位等都提出了很高的要求，希望大家選擇時(shí)盡量考慮這些實(shí)際因素，以避免實(shí)際稱量的不準(zhǔn)確或不回零等問(wèn)題。