再谈如何正确使用称重传感器

一、概述
       随着时间的变化，我国电子衡器的飞速发展，在大型衡器方面，重型长规格承载器汽车衡的普遍投入使用，一些新的问题又出现在我们面前。特别是由于钢结构承载器受到热胀冷缩影响而长度产生的变化，一是会直接使称重传感器不能垂直传递力值；二是会影响限位装置的间隙大小，甚至顶死。为了保证计量性能的准确性，应该选择什么结构的称重传感器是此篇文章想要传递的指导思想。目前国内外用于大型衡器上的称重传感器大致有：柱式称重传感器、桥式称重传感器、双剪切梁吊环称重传感器、轴对称扭环型称重传感器、轮辐式称重传感器等。
二、几种称重传感器的特点
1．柱式称重传感器（如图1）

优点：结构紧凑、过载能力比较强、固有频率高动态响应快、安装较方便、制造成本低。
缺点：抗侧向和偏载能力较差（双膜片结构的较好）、固有线性较差、称重传感器不易固定易旋转。
柱式称重传感器由于以上的诸多优点，目前在汽车衡上使用的比较多，但是其缺点也不能回避。针对柱式称重传感器的抗侧向和偏载能力较差的问题，一些公司的产品样本上专门推荐了“不影响计量性能”的偏载角度。

（如图 2）

按照这些介绍资料，高230mm 的称重传感器按照偏载5°，允许位移量是20mm；按照
偏载3°，允许位移量是12mm。
而一台长度 18m 的承载器，当使用地点一年内的环境温度
变化在60℃范围内时，按照金属的线膨胀系数，长度变化为：
11.3×10-6 ℃× ⎡⎣50 - （-10）⎤⎦℃×18000mm = 12.2mm
在实际应用中，由于承载器都是由多段组成的，可能承载
器的变化没有如此大，但这起码给设计者一个参考依据，对于
设计时应该考虑的承载器长度尺寸，不要因为温度变化，使承图 2
载器长度变化超出称重传感器装置单位给出的允许位移量，从而影响产品的计量性能。
还出现一种情况，就是称重传感器在使用时会不断微量旋转，甚至会将电缆线拉断。为什么在
汽车衡上安装的柱式称重传感器会产生旋转现象？在自动轨道衡上使用的历史比较长了，而安装现
场很少出现旋转现象？这是因为自动轨道衡的承载器一般长度只有3.7m～4m，其限位采用的是张
拉式结构，使得承载器在水平状态基本处于不移动状态，同时保证又不影响垂直力的作用。而汽车
衡的承载器长度比较大，采用的限位装置是水平状态下允许承载器有一定的位移，这样称重传感器
也可能随之晃动。也就是在这种不断的晃动中，电缆线就不断被缠绕到称重传感器上，直至被拉断。
第三个就是偏载分力的问题，为什么使用柱式称重传感器的汽车衡其段差（即是：偏载误差）
比较大？这里固然与承载器的加工带来的“边界条件”影响有关，但是从理论角度分析，由于热胀冷
缩影响使承载器两端柱式称重传感器产生倾斜度大，从而带来偏载分力，称量量值越大造成的偏载
误差就越大。同时，这个分力还与称重传感器的高度有关，高度大的称重传感器相对影响量就小一
些，高度低的相对影响量就大一些。

2．桥式称重传感器（如图3）

优点：对加载点变化不敏感、抗偏载性能好、固有线性好、安装方便、称重传感器固定不旋转、制造成本低。
缺点：重心较高、过载能力较差，大秤量的称重传感器难以达到高的准确度等级。
采用桥式称重传感器的长承载器衡器，在使用过程中其球状压头随着承载器长度变化，压头也在弹性体的球窝内沿长度方向滚动，使作用力加载方向偏移，从而产生偏载。虽然此类称重传感器的抗偏载性能比较好，但是位移量较大时也会影响一定的计量性能。为此笔者在1991年针对数字指示轨道衡产品承载器比较长的状况，考虑多只称重传感器受热胀冷缩的影响因素，申请了一个实用新型的

（如图4），

将称重传感器上压头设计成两种形式，一种是保留了原设计的球面形状，用于中间四只称重传感器，起到定位作用；一种是按照球面的zui高点设计成平面形状，用于端部的称重传感器，不论热胀冷缩时承载器的长度如何变化，可以保证其承载器上的作用力总是垂直作用于称重传感器上。

3．双剪切梁吊环称重传感器（如图5）

优点：抗偏载性能好、称重传感器固定不旋转。
缺点：结构复杂、安装麻烦、制造成本高、过载能力差、占用空间大，此类产品也不宜制造大秤量结构。
这种形式的称重传感器在使用中，与以前机械杠杆秤的吊环绕刀子摆动结构一样，作用点总是绕着称重传感器摆动，始终将作用力垂直作用在称重传感器上，既是承载器热胀冷缩的尺寸变化较大也不会影响计量性能。这种结构的关键点是作用力总是在称重传感器下面，从而保证了系统的稳定性。所以美国在大型衡器上普遍采用此类称重传感器，以下所选用的图5就是在一台大型衡器上截取的。
4．轴对称扭环型称重传感器（如图6）
优点：结构紧凑、体积小、高度低、重量轻、固有线性好、准确度高、受载后底环无变形或变形很小几乎没有滞后、对于偏心载荷和侧向载荷不敏感、输入输出阻抗大、称重传感器固定不旋转。
缺点：安装稍复杂、附件的制造成本较高。
正是由于此类产品的阻抗大，所以输出信号大、功耗比较小，在欧洲多个国家习惯选用这种称重传感器做汽车衡等大型衡器。笔者所见到多家公司在一台混凝土结构的汽车衡上，只使用四只此类称重传感器支撑一个18m长、重42t的钢筋混凝土承载器。如果使用于有冲击载荷的环境下时，选用的上压头可以是专门制作的有缓冲层的结构；如果使用于热胀冷缩较大的承载器时，可以将压头的高度设计的高一些，如图7。
5．轮辐式称重传感器（如图8）
优点：抗偏载性和侧向载荷能力强、过载能力强、不受加载点和支撑边界影响、应力发布均匀、线性好、称重传感器固定不旋转。
缺点：机械加工难度大、制造成本较高、固有滞后大且不易控制。

此类称重传感器在我国80年代初中期，被大量使用于汽车衡类的大型衡器上，但是由于其本身存在的机械加工问题和滞后误差等，被后来的悬臂梁称重传感器和桥式称重传感器所替代。
三、结论
从以上五类称重传感器结构可以清楚看出，只有柱式称重传感器弹性体在使用中是随着承载器的晃动而移动的，即在安装时垂直的称重传感器柱体，由于承载器长度热胀冷缩变化，称重传感器的柱体产生了偏移，也就使作用力产生了分力，从而称重传感器出现称量误差。而其他四类称重传感器由于弹性体是固定的，当热胀冷缩影响承载器长度变化和承载器晃动，仅仅是其压头产生了偏移，作为传递作用力的弹性体是不会随承载器的变化而移动，使得在称重传感器上的作用力还能垂直传递，对汽车衡称量性能的影响比较小；同时，由于弹性体不是随承载器晃动，弹性体也不会产生旋转，电缆线就不会缠绕弹性体。