目前在汽車衡設(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，本 文通過理論分析、試驗(yàn)論證，對兩種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，對適用范圍提出了觀點(diǎn)， 可以為汽車衡設(shè)計(jì)、選型提供一些參考。

一、引言

目前，我國的汽車衡制造業(yè)所采用的稱重傳 感器以柱式傳感器和橋式傳感器最為普遍，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，那么柱式傳感器與橋式傳感器各有什么優(yōu) 缺點(diǎn)呢？今天把自己在長期從事衡器設(shè)計(jì)、制造 中對這兩種傳感器的一些理解、思考、體會拿出 來與大家做一個(gè)交流，希望能起到一個(gè)拋磚引玉 的作用，引起更多人的思考、研究。不足之處， 希望大家給予批評指正。

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)力來進(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，剪切應(yīng) 力傳感器的典型代表是橋式傳感器。

二、權(quán)威文獻(xiàn)對柱式傳感器與橋式傳感器的描述

(一)柱式稱重傳感器

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(dòng)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，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)50%，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。

(二）橋式稱重傳感器

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€(gè)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，使得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 得剪切應(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(gè)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(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。由于鋼球只傳遞 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、行業(yè)對于對柱式傳感器與橋式傳感器的 爭論焦點(diǎn)

(一)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（幾萬到十幾萬赫 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)相對較慢。

(二）柱式傳感器較橋式傳感器安裝要求高， 調(diào)整麻煩。

四、對這兩個(gè)問題的理解

(一)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度問題的理論分析

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 的事實(shí)。然而，秤是由秤體、傳感器和儀表組成 的，秤的響應(yīng)速度才是決定使用性能的最終因素。 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。

關(guān)于儀表的響應(yīng)速度，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。但是提高秤體的響應(yīng)速度確實(shí)不易，目 前各生產(chǎn)廠家的秤體結(jié)構(gòu)、使用材料大同小異， 秤體的固有頻率通常在3hz?5hz，且無法進(jìn)一步 提高。經(jīng)過多次試驗(yàn)測得100t秤體的固有頻率約 為4.2hz，其他噸位的秤體也差異不大。即秤體震 蕩一個(gè)完整的波形需要1/4.2秒（238.1m)。即秤 體的響應(yīng)時(shí)間為238.1ms。因此，一臺秤的響應(yīng)時(shí) 間取決于秤體的響應(yīng)時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)測試

我們設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，以期分析柱式傳感器 與橋式傳感器在汽車衡中的應(yīng)用性能差別，試驗(yàn) 方法如圖1所示。

在同一臺秤上同時(shí)安裝柱式傳感器與橋式傳 感器，將它們的信號同時(shí)引入儀表，采集車輛通 過秤臺時(shí)的信號波形。結(jié)果采集到的兩種傳感器 的輸出波形驚人的一致，如圖2、圖3所示。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 完全滿足衡器數(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。

通過實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論：兩種傳感器應(yīng)用 在汽車衡中時(shí)，他們的性能沒有差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 與理論分析完全吻合。

(二)關(guān)于傳感器安裝

 (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，這是大家共知的事實(shí)。這是傳感器自身結(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

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會分解為Fy、Fx兩個(gè)分 力，Fy平行于傳感器軸線，使傳感器產(chǎn)生變形。 也就是說傳感器所檢測到的力為Fy。因此會產(chǎn)生誤差。

2）截面變化學(xué)說

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，所以會產(chǎn)生誤差。

這兩種學(xué)說從兩個(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)算出來的結(jié)果是一致的。

(2）橋式傳感器安裝

橋式傳感器，由于剪力沿應(yīng)變梁長度方向?yàn)?一常量，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，我們總結(jié)出柱式傳感 器對基礎(chǔ)預(yù)埋板的水平度要求較高，預(yù)埋板水平 度達(dá)到1/500時(shí)（預(yù)埋板為500x 500mm時(shí)，傾斜 度不大于1mn)，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）關(guān)于坡道安裝問題

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)，均采取秤體水平 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

在我國大部分地區(qū)，夏季正午陽光直射下， 秤體表面溫度可達(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。而冬季與夏季秤面溫差甚 至可達(dá)60°C以上，秤面熱脹冷縮可達(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。

為研究秤體熱脹冷縮對計(jì)量性能的影響，筆 者設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)：選用一臺汽車衡分別安裝柱 式傳感器與橋式傳感器，測量隨著溫度變化，其 稱量精度變化情況。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

秤臺尺寸：3.4mx 21m，安裝10只30t傳感器；

試驗(yàn)氣候條件：8月中旬，晴天，秤體露天安裝；

傳感器：柱式傳感器為進(jìn)口某國際知名品牌， 橋式傳感器為國產(chǎn)某知名品牌；

試驗(yàn)載荷：30t標(biāo)準(zhǔn)柱碼，靜態(tài)測量；

測量時(shí)間點(diǎn):8:00，14:00，20:00。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如表1所示：

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，尺寸大且安裝柱式傳感 器的衡器確實(shí)會因?yàn)闇囟茸兓芋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；

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；

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、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(shí)傳感器選用 有以下幾點(diǎn)體會，僅供參考。

(1)在一些大型的煤倉秤、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，熱脹冷縮影 響較嚴(yán)重的衡器中，橋式傳感器更為適用。

(3)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。