一體化小橋式稱重傳感器的設(shè)計(jì)

引言

在我國(guó)電子汽車衡是衡器應(yīng)用中最為廣泛的產(chǎn)品之一，是大宗物料稱重計(jì)量和貿(mào)易結(jié)算的主要計(jì)量設(shè)備，具有準(zhǔn)確、方便、快捷的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于煤炭、冶金、建材、電力、糧食等各行各業(yè)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的電子汽車衡使用中，剪切梁傳感器的使用占有一定的比例。而雙剪切梁稱重傳感器俗稱橋式稱重傳感器。在我國(guó)絕大多數(shù)鋼制橋式傳感器以其獨(dú)特的兩端支撐、中間受力的結(jié)構(gòu)形式，使大噸位傳感器進(jìn)入了高準(zhǔn)確度、高可靠性的計(jì)量領(lǐng)域。同時(shí)，傳力組件采用球面壓頭，充分發(fā)揮了鋼球可自動(dòng)復(fù)位和調(diào)心的優(yōu)勢(shì)，具有良好的抗側(cè)向力和抗沖擊性能，安裝方便，互換性好，在我國(guó)的汽車衡稱重領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的作用。

1工作原理及特點(diǎn)

一體化小橋式傳感器的工作原理與橋式傳感器原理相同,它不是測(cè)量正壓力，而是測(cè)量由剪切力引起的切應(yīng)力。切應(yīng)力本身是測(cè)量不出的，它能產(chǎn)生與工字梁中心軸線成45。的互相垂直的主應(yīng)力，也就是產(chǎn)生由切應(yīng)力而引起的拉伸應(yīng)力與壓縮應(yīng)力。因此，此傳感器應(yīng)變梁的截面形狀呈現(xiàn)矩形截面工字梁結(jié)構(gòu)，在兩個(gè)工字梁的腹板兩側(cè)布置八片（每側(cè)各四片），將應(yīng)變計(jì)的絲柵方向與中心軸線方向成45。或135。。這八片應(yīng)變計(jì)組成全橋，當(dāng)傳感器承受載荷時(shí)，四片應(yīng)變計(jì)電阻值增加，另外四片電阻值減小，其結(jié)果是在電橋的對(duì)角線上，產(chǎn)生與載荷成正比的不平衡輸出。利用這一原理可測(cè)量力或載荷的大小。

2分體橋式傳感器的缺陷

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)傳感器生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的橋式傳感器是將彈性體與底座組件分開的，在彈性體兩個(gè)端部與底座組件用兩個(gè)螺栓連接成一個(gè)整體。圖1所示是分體橋式稱重傳感器的組件圖。

首先，在橋式稱重傳感器的使用過(guò)程中，雖然彈性體兩端已用螺栓與底座組件旋緊，但畢竟彈性體與底座組件是分體的，所以彈性體與底座組件的接觸面處就會(huì)產(chǎn)生微量的滑動(dòng),這個(gè)微量的滑動(dòng)作用在彈性體上，與摩擦力的方向也相反。這樣會(huì)導(dǎo)致在彈性體的應(yīng)變區(qū)處同一載荷（加載或卸載）下的剪應(yīng)力發(fā)生一定的變化。彈性體在加載和卸載的過(guò)程中底座組件對(duì)彈性體的摩擦力方向不同，造成彈性體應(yīng)變區(qū)處剪應(yīng)力的變化也有一定的差異，這樣會(huì)導(dǎo)致傳感器遲滯誤差的波動(dòng)，從而降低了傳感器在使用過(guò)程中的測(cè)量精度。

其次，為了減少或消除彈性體與底座組件接觸面間的滑動(dòng)摩擦，就必須提高彈性體和底座組件相互接觸表面的加工表面粗糙度，提高接觸表面的加工質(zhì)量，但這給機(jī)械加工帶來(lái)了一定的難度。為了提高接觸面的表面粗糙度，同一加工表面必須經(jīng)過(guò)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。這樣不僅增加了加工工序，延長(zhǎng)了加工周期,而且底座組件是組焊接，當(dāng)各個(gè)零件進(jìn)行組裝焊接時(shí)，不可避免造成零件的變形。為了傳感器的使用精度要求，就必須對(duì)底座組件的相關(guān)表面提出形位公差的要求。要想保證這些形位公差，必定要對(duì)底座組件的相關(guān)表面進(jìn)行二次加工。這樣造成機(jī)械加工成本增加，同時(shí)也降低了工作效率，所以不適應(yīng)大批量生產(chǎn)加工。

圖1  分體橋式稱重傳感器構(gòu)件圖

再有就是這種分體橋式稱重傳感器為了在彈性體的兩端連接螺栓，就必須在彈性體的兩端留有一定空間，所以造成彈性體長(zhǎng)度方向的幾何形體較大，增加了自身重量。這樣不僅增加了原材料的成本，還給運(yùn)輸、安裝和維護(hù)帶來(lái)許多不便。

3—體化小橋式傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

陜西電器研究所生產(chǎn)的一體化小橋式傳感器是將彈性體與底座組件融為一體的一種結(jié)構(gòu)，這種形式的傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

這種一體化小橋式傳感器與原分體橋式傳感器相比，其最大的優(yōu)勢(shì)是取消了兩端部彈性體與底座組件的連接螺栓。一體化小橋式稱重傳感器的總長(zhǎng)比原來(lái)分體式橋式傳感器總長(zhǎng)縮短了三分之一，高度也降低了三分之一。這樣，幾何尺寸縮小了，重量也降低了，也節(jié)省了原材料的成本，同時(shí)更便于運(yùn)輸、安裝和維護(hù)。再有由于彈性體與底座組件融為一體，所以避免了在加載和卸載過(guò)程中彈性體與底座組件之間接觸面微量滑動(dòng)，從而提高了傳感器的測(cè)量精度。由于不需要加工底座組件，所以降低了機(jī)械加工難度和生產(chǎn)工序的繁瑣。為了降低加工難度，將一體化小橋式稱重傳感器的彈性體與安裝底板的接觸面積縮小，面積越小，加工表面的精度越易于保證,故也提高了生產(chǎn)效率，所以適合大批量生產(chǎn)加工。

圖2  —體化小橋式傳感器結(jié)構(gòu)圖

4—體化小橋式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

一體化小橋式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

第一，輸出信號(hào)不受測(cè)力點(diǎn)位置變化的影響。由于此結(jié)構(gòu)的稱重傳感器所測(cè)的剪力沿應(yīng)變梁長(zhǎng)度方向?yàn)橐怀Ａ?，稱重傳感器輸出與梁彎矩?zé)o關(guān)，只與剪應(yīng)力成比例，因而輸出對(duì)加載點(diǎn)變化不敏感。

第二,由于應(yīng)變區(qū)為工字梁，在腹板上中性軸處的應(yīng)力單元為純剪切狀態(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，所以固有線性好，精度高。

因?yàn)楣ぷ中谓孛婕羟袘?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)，利用貼片與組橋技巧，可以提高抗側(cè)向和偏心載荷的能力。

第四，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)，而且還便于密封膠的灌封，更有益于焊接密封防護(hù)，防護(hù)等級(jí)可達(dá)到IP67。

第五，由于采用了鋼球作為傳力機(jī)構(gòu)，鋼球與球座接觸外載荷理論上是點(diǎn)接觸，實(shí)際是一個(gè)很小的接觸圓。由于鋼球只傳遞軸向載荷，不傳遞橫向載荷和橫向扭矩，保證了測(cè)量準(zhǔn)確度。

第六，由于重量輕，生產(chǎn)過(guò)程中的勞動(dòng)強(qiáng)度降低了，生產(chǎn)效率提高了，比較適合于批量生產(chǎn)，同時(shí)更便于安裝和維護(hù)。

5結(jié)語(yǔ)

陜西電器研究所生產(chǎn)的一體化小橋式稱重傳感器，它的使用和測(cè)量精度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。幾何形體縮小了，傳感器的自重減小，更便于運(yùn)輸、安裝和維護(hù)。從經(jīng)濟(jì)方面，縮短了生產(chǎn)和安裝的周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了加工成本，最主要的是提高了衡器產(chǎn)品的質(zhì)量及用戶滿意度。

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