桥式传感器与柱式传感器性能分析.doc

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1、柱式传感器与桥式传感器的性能分析目前，我国的电子衡器制造业所采用的称重传感器以柱式传感器和桥式传感器最为普遍。关于柱式传感器与桥式传感器的优劣问题也一直争论不休。那么柱式传感器与桥式传感器各有什么优缺点呢？今天我想把自己在长期从事衡器设计、制造中对这两种传感器的一些理解、思考、体会拿出来与大家做一个交流，希望能起到一个抛砖引玉的作用，引起更多人的思考，研究。对本人观点中的不足之处，希望大家给予批评指正。电子衡器所用的传感器基本上都是应变式称重传感器，应变式称重传感器从设计原理上分为正应力传感器与剪切应力传感器。正应力传感器是通过测量拉伸、

2、压缩和弯曲应力来进行工作的；剪切应力传感器是通过测量剪切应力进行工作的。正应力传感器的典型代表是柱式传感器；剪应力传感器的典型代表是桥式传感器。一、权威文献对对柱式传感器与桥式传感器的描述1、柱式称重传感器关于柱式传感器的特点，《中国衡器实用技术手册》中是如下描述的：结构紧凑，几何形状简单，设计计算、机械加工、热处理、电阻应变计粘贴等均较容易；刚性较大，固有频率高，动态响应快；通过外壳和膜片易于实现焊接密封和抽真空充氮新工艺。但其缺点也很突出，主要有：固有线性差，最大可达0.3%FS以上。这是因为圆柱式弹性元件在承受拉向载荷时，随着载荷的

3、增加横截面由于横向收缩而减小，故应力与应变超比例的增加，使输出大于线性值。当承受压向载荷时，随着载荷的增加，弹性元件横截面由于横向变粗而增大，故应力与应变小于比例增加，使输出小于线性值。外载荷越大，非线性误差越大。只有进行非线性补偿，才能使称重传感器达到较高的准确度等级（摘自《中国衡器实用技术手册》P319）。试验证明，在一般情况下，单柱式称重传感器抗水平侧向载荷的能力，在其额定载荷的10%以下，而整体三柱式传感器可达30%，整体四柱式传感器可达50%，作为传感器的应用性能是至关重要的。（摘自《中国衡器实用技术手册》P323）而整体三柱式

4、、四柱式传感器由于加工工艺复杂，制造成本太高，因此在市场上见不到，目前市场上的柱式传感器均为单柱式传感器。2、桥式称重传感器20世纪70年代中期，为克服测量正应力应变式负荷传感器的各项缺点，美国学者霍格斯特姆开创了不应用弹性元件的正应力而利用剪切应力设计和制造传感器的先例，为剪切应力传感器的发展奠定了理论基础。由于剪切应力传感器的弹性元件多为受剪的直梁结构，剪力沿梁的长度方向为一个常量，所以输出灵敏度对加载点变化不敏感；剪切梁在拉伸、压缩载荷作用下，变形量几乎一致，使得拉压灵敏度对称性好；利用结构对称和贴片组桥技巧，极大地提高了抗侧向和偏

5、心载荷能力；并且外形低，刚度大，固有线性好，容易防护密封。正是这些正应力传感器无法具备的特点，使得剪切应力称重传感器在电子衡器制造业得到了广泛应用，形成了一个强大的发展潮流。（摘自《中国衡器实用技术手册》P336）桥式称重传感器有如下特点：（1）剪力沿应变梁长度方向为一常量，称重传感器输出与梁弯矩无关，只与剪切应力成比例，因而输出对加载点变化不敏感；（2）由于应变区为工字梁，在腹板上中性轴处的应力单元为纯剪状态，在外载荷作用下受剪的截面积不发生变化，各电阻应变计产生基本相同的电阻变化，固有线性好；（3）因为工字型截面剪切应力分布比较均匀，

6、电阻应变计粘贴在四个盲孔内的最小寄生应力区，应用贴片和组桥技巧，可以提高抗侧向和偏心载荷的能力；（4）电阻应变计及补偿元器件均在盲孔内，不仅得到了最好的保护，还便于用聚胺酯灌封，防护等级高；（5）加载点和两个支撑点自成平衡力系，安装维护方便；（6）钢球与球座接触传递外载荷理论上为点接触，实际是一个很小的接触圆。由于钢球只传递轴载荷，不传递横向载荷和横向扭矩，保证了测量准确度。（摘自《中国衡器实用技术手册》P338~339）二、行业对于对柱式传感器与桥式传感器的争论焦点1、柱式传感器较桥式传感器动态响应快。柱式传感器固有频率高（几万到十几万

7、hz），动态响应快。桥式传感器固有频率低（几千hz），动态响应相对较慢。2、柱式传感器较桥式传感器安装要求高，调整麻烦。三、本人对这两个问题的理解1、动态响应速度问题的理论分析单纯看两种传感器的固有频率，确实柱式传感器的固有频率数十倍于桥式传感器，这是不争的事实。然而，秤是由秤体、传感器和仪表组成的，秤的响应速度才是决定使用性能的最终因素。秤的响应速度主要由秤体的响应速度、仪表的响应速度、传感器的响应速度共同决定地。关于仪表的响应速度，随着电子技术的飞速发展，制造高分辨率、高响应速度的仪表已经不是难事。但是秤体的响应速度提高确实不易，目前

8、各生产厂家的秤体结构、使用材料大同小异，秤体的固有频率通常在3—5hz，且无法进一步提高。我们经过多次试验测得100吨秤体的固有频率为约4.2hz，其他吨位的秤体也差异不大。即秤体震荡一个完整