再談如何正確使用稱重傳感器

一、概述
       隨著時間的變化，我國電子衡器的飛速發展，在大型衡器方面，重型長規格承載器汽車衡的普遍投入使用，一些新的問題又出現在我們面前。特別是由于鋼結構承載器受到熱脹冷縮影響而長度產生的變化，一是會直接使稱重傳感器不能垂直傳遞力值；二是會影響限位裝置的間隙大小，甚至頂死。為了保證計量性能的準確性，應該選擇什么結構的稱重傳感器是此篇文章想要傳遞的指導思想。目前國內外用于大型衡器上的稱重傳感器大致有：柱式稱重傳感器、橋式稱重傳感器、雙剪切梁吊環稱重傳感器、軸對稱扭環型稱重傳感器、輪輻式稱重傳感器等。
二、幾種稱重傳感器的特點
1．柱式稱重傳感器（如圖1）

優點：結構緊湊、過載能力比較強、固有頻率高動態響應快、安裝較方便、制造成本低。
缺點：抗側向和偏載能力較差（雙膜片結構的較好）、固有線性較差、稱重傳感器不易固定易旋轉。
柱式稱重傳感器由于以上的諸多優點，目前在汽車衡上使用的比較多，但是其缺點也不能回避。針對柱式稱重傳感器的抗側向和偏載能力較差的問題，一些公司的產品樣本上專門推薦了“不影響計量性能”的偏載角度。

（如圖 2）

按照這些介紹資料，高230mm 的稱重傳感器按照偏載5°，允許位移量是20mm；按照
偏載3°，允許位移量是12mm。
而一臺長度 18m 的承載器，當使用地點一年內的環境溫度
變化在60℃范圍內時，按照金屬的線膨脹系數，長度變化為：
11.3×10-6 ℃× ??50 - （-10）??℃×18000mm = 12.2mm
在實際應用中，由于承載器都是由多段組成的，可能承載
器的變化沒有如此大，但這起碼給設計者一個參考依據，對于
設計時應該考慮的承載器長度尺寸，不要因為溫度變化，使承圖 2
載器長度變化超出稱重傳感器裝置單位給出的允許位移量，從而影響產品的計量性能。
還出現一種情況，就是稱重傳感器在使用時會不斷微量旋轉，甚至會將電纜線拉斷。為什么在
汽車衡上安裝的柱式稱重傳感器會產生旋轉現象？在自動軌道衡上使用的歷史比較長了，而安裝現
場很少出現旋轉現象？這是因為自動軌道衡的承載器一般長度只有3.7m～4m，其限位采用的是張
拉式結構，使得承載器在水平狀態基本處于不移動狀態，同時保證又不影響垂直力的作用。而汽車
衡的承載器長度比較大，采用的限位裝置是水平狀態下允許承載器有一定的位移，這樣稱重傳感器
也可能隨之晃動。也就是在這種不斷的晃動中，電纜線就不斷被纏繞到稱重傳感器上，直至被拉斷。
第三個就是偏載分力的問題，為什么使用柱式稱重傳感器的汽車衡其段差（即是：偏載誤差）
比較大？這里固然與承載器的加工帶來的“邊界條件”影響有關，但是從理論角度分析，由于熱脹冷
縮影響使承載器兩端柱式稱重傳感器產生傾斜度大，從而帶來偏載分力，稱量量值越大造成的偏載
誤差就越大。同時，這個分力還與稱重傳感器的高度有關，高度大的稱重傳感器相對影響量就小一
些，高度低的相對影響量就大一些。

2．橋式稱重傳感器（如圖3）

優點：對加載點變化不敏感、抗偏載性能好、固有線性好、安裝方便、稱重傳感器固定不旋轉、制造成本低。
缺點：重心較高、過載能力較差，大秤量的稱重傳感器難以達到高的準確度等級。
采用橋式稱重傳感器的長承載器衡器，在使用過程中其球狀壓頭隨著承載器長度變化，壓頭也在彈性體的球窩內沿長度方向滾動，使作用力加載方向偏移，從而產生偏載。雖然此類稱重傳感器的抗偏載性能比較好，但是位移量較大時也會影響一定的計量性能。為此筆者在1991年針對數字指示軌道衡產品承載器比較長的狀況，考慮多只稱重傳感器受熱脹冷縮的影響因素，申請了一個實用新型的

（如圖4），

將稱重傳感器上壓頭設計成兩種形式，一種是保留了原設計的球面形狀，用于中間四只稱重傳感器，起到定位作用；一種是按照球面的zui高點設計成平面形狀，用于端部的稱重傳感器，不論熱脹冷縮時承載器的長度如何變化，可以保證其承載器上的作用力總是垂直作用于稱重傳感器上。

3．雙剪切梁吊環稱重傳感器（如圖5）

優點：抗偏載性能好、稱重傳感器固定不旋轉。
缺點：結構復雜、安裝麻煩、制造成本高、過載能力差、占用空間大，此類產品也不宜制造大秤量結構。
這種形式的稱重傳感器在使用中，與以前機械杠桿秤的吊環繞刀子擺動結構一樣，作用點總是繞著稱重傳感器擺動，始終將作用力垂直作用在稱重傳感器上，既是承載器熱脹冷縮的尺寸變化較大也不會影響計量性能。這種結構的關鍵點是作用力總是在稱重傳感器下面，從而保證了系統的穩定性。所以美國在大型衡器上普遍采用此類稱重傳感器，以下所選用的圖5就是在一臺大型衡器上截取的。
4．軸對稱扭環型稱重傳感器（如圖6）
優點：結構緊湊、體積小、高度低、重量輕、固有線性好、準確度高、受載后底環無變形或變形很小幾乎沒有滯后、對于偏心載荷和側向載荷不敏感、輸入輸出阻抗大、稱重傳感器固定不旋轉。
缺點：安裝稍復雜、附件的制造成本較高。
正是由于此類產品的阻抗大，所以輸出信號大、功耗比較小，在歐洲多個國家習慣選用這種稱重傳感器做汽車衡等大型衡器。筆者所見到多家公司在一臺混凝土結構的汽車衡上，只使用四只此類稱重傳感器支撐一個18m長、重42t的鋼筋混凝土承載器。如果使用于有沖擊載荷的環境下時，選用的上壓頭可以是專門制作的有緩沖層的結構；如果使用于熱脹冷縮較大的承載器時，可以將壓頭的高度設計的高一些，如圖7。
5．輪輻式稱重傳感器（如圖8）
優點：抗偏載性和側向載荷能力強、過載能力強、不受加載點和支撐邊界影響、應力發布均勻、線性好、稱重傳感器固定不旋轉。
缺點：機械加工難度大、制造成本較高、固有滯后大且不易控制。

此類稱重傳感器在我國80年代初中期，被大量使用于汽車衡類的大型衡器上，但是由于其本身存在的機械加工問題和滯后誤差等，被后來的懸臂梁稱重傳感器和橋式稱重傳感器所替代。
三、結論
從以上五類稱重傳感器結構可以清楚看出，只有柱式稱重傳感器彈性體在使用中是隨著承載器的晃動而移動的，即在安裝時垂直的稱重傳感器柱體，由于承載器長度熱脹冷縮變化，稱重傳感器的柱體產生了偏移，也就使作用力產生了分力，從而稱重傳感器出現稱量誤差。而其他四類稱重傳感器由于彈性體是固定的，當熱脹冷縮影響承載器長度變化和承載器晃動，僅僅是其壓頭產生了偏移，作為傳遞作用力的彈性體是不會隨承載器的變化而移動，使得在稱重傳感器上的作用力還能垂直傳遞，對汽車衡稱量性能的影響比較小；同時，由于彈性體不是隨承載器晃動，彈性體也不會產生旋轉，電纜線就不會纏繞彈性體。