一体化小桥式称重传感器的设计

0 引 言

在我国电子汽车衡是衡器应用中最为广泛的产品之一，是大宗物料称重计量和贸易结算的主要计量设备，具有准确、方便、快捷的特点，广泛应用于煤炭、冶金、建材、电力、粮食等各行各业。国内现有的电子汽车衡使用中，剪切梁传感器的使用占有一定的比例。而双剪切梁称重传感器俗称桥式称重传感器。在我国绝大多数钢制桥式传感器以其独特的两端支撑、中间受力的结构形式，使大吨位传感器进入了高准确度、高可靠性的计量领域。同时，传力组件采用球面压头，充分发挥了钢球可自动复位和调心的优势，具有良好的抗侧向力和抗冲击性能，安装方便，互换性好，在我国的汽车衡称重领域发挥着独领风骚的作用。

1 工作原理及特点

一体化小桥式传感器的工作原理与桥式传感器原理相同，它不是测量正压力，而是测量由剪切力引起的切应力。切应力本身是测量不出的，它能产生与工字梁中心轴线成45°的互相垂直的主应力，也就是产生由切应力而引起的拉伸应力与压缩应力。因此，此传感器应变梁的截面形状呈现矩形截面工字梁结构，在两个工字梁的腹板两侧布置八片（每侧各四片），将应变计的丝栅方向与中心轴线方向成45°或135°。这八片应变计组成全桥，当传感器承受载荷时，四片应变计电阻值增加，另外四片电阻值减小，其结果是在电桥的对角线上，产生与载荷成正比的不平衡输出。利用这一原理可测量力或载荷的大小。

2 分体桥式传感器的缺陷

目前，国内绝大多数传感器生产厂家所生产的桥式传感器是将弹性体与底座组件分开的，在弹性体两个端部与底座组件用两个螺栓连接成一个整体。图1所示是分体桥式称重传感器的组件图。

首先，在桥式称重传感器的使用过程中，虽然弹性体两端已用螺栓与底座组件旋紧，但毕竟弹性体与底座组件是分体的，所以弹性体与底座组件的接触面处就会产生微量的滑动，这个微量的滑动作用在弹性体上，与摩擦力的方向也相反。这样会导致在弹性体的应变区处同一载荷（加载或卸载）下的剪应力发生一定的变化。弹性体在加载和卸载的过程中底座组件对弹性体的摩擦力方向不同，造成弹性体应变区处剪应力的变化也有一定的差异，这样会导致传感器迟滞误差的波动，从而降低了传感器在使用过程中的测量精度。

其次，为了减少或消除弹性体与底座组件接触面间的滑动摩擦，就必须提高弹性体和底座组件相互接触表面的加工表面粗糙度，提高接触表面的加工质量，但这给机械加工带来了一定的难度。为了提高接触面的表面粗糙度，同一加工表面必须经过多次走刀，甚至需要磨削加工，才能提高加工表面的粗糙度要求。这样不仅增加了加工工序，延长了加工周期，而且底座组件是组焊接，当各个零件进行组装焊接时，不可避免造成零件的变形。为了传感器的使用精度要求，就必须对底座组件的相关表面提出形位公差的要求。要想保证这些形位公差，必定要对底座组件的相关表面进行二次加工。这样造成机械加工成本增加，同时也降低了工作效率，所以不适应大批量生产加工。


再有就是这种分体桥式称重传感器为了在弹性体的两端连接螺栓，就必须在弹性体的两端留有一定空间，所以造成弹性体长度方向的几何形体较大，增加了自身重量。这样不仅增加了原材料的成本，还给运输、安装和维护带来许多不便。

3 一体化小桥式传感器的设计结构

陕西电器研究所生产的一体化小桥式传感器是将弹性体与底座组件融为一体的一种结构，这种形式的传感器结构如图2所示。

这种一体化小桥式传感器与原分体桥式传感器相比，其最大的优势是取消了两端部弹性体与底座组件的连接螺栓。一体化小桥式称重传感器的总长比原来分体式桥式传感器总长缩短了三分之一，高度也降低了三分之一。这样，几何尺寸缩小了，重量也降低了，也节省了原材料的成本，同时更便于运输、安装和维护。再有由于弹性体与底座组件融为一体，所以避免了在加载和卸载过程中弹性体与底座组件之间接触面微量滑动，从而提高了传感器的测量精度。由于不需要加工底座组件，所以降低了机械加工难度和生产工序的繁琐。为了降低加工难度，将一体化小桥式称重传感器的弹性体与安装底板的接触面积缩小，面积越小，加工表面的精度越易于保证，故也提高了生产效率，所以适合大批量生产加工。

4 一体化小桥式传感器的优点

一体化小桥式传感器具有以下优点：

第一，输出信号不受测力点位置变化的影响。由于此结构的称重传感器所测的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，只与剪应力成比例，因而输出对加载点变化不敏感。

第二，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切状态，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，所以固有线性好，精度高。

第三，因为工字形截面剪切应力分布比较均匀，电阻应变计粘贴在四个盲孔内的最小寄生应力区，利用贴片与组桥技巧，可以提高抗侧向和偏心载荷的能力。

第四，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，而且还便于密封胶的灌封，更有益于焊接密封防护，防护等级可达到IP67。

第五，由于采用了钢球作为传力机构，钢球与球座接触外载荷理论上是点接触，实际是一个很小的接触圆。由于钢球只传递轴向载荷，不传递横向载荷和横向扭矩，保证了测量准确度。

第六，由于重量轻，生产过程中的劳动强度降低了，生产效率提高了，比较适合于批量生产，同时更便于安装和维护。

5 结 语

陕西电器研究所生产的一体化小桥式称重传感器，它的使用和测量精度高，长期稳定性好。几何形体缩小了，传感器的自重减小，更便于运输、安装和维护。从经济方面，缩短了生产和安装的周期，提高了生产效率，降低了加工成本，最主要的是提高了衡器产品的质量及用户满意度。