目前在汽車(chē)衡設計制造中采用的傳感器主要為柱式傳感器與橋式傳感器，本 文通過(guò)理論分析、試驗論證，對兩種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，對適用范圍提出了觀(guān)點(diǎn)， 可以為汽車(chē)衡設計、選型提供一些參考。

一、引言

目前，我國的汽車(chē)衡制造業(yè)所采用的稱(chēng)重傳 感器以柱式傳感器和橋式傳感器最為普遍，關(guān)于 柱式傳感器與橋式傳感器的優(yōu)劣問(wèn)題也一直爭論 不休，那么柱式傳感器與橋式傳感器各有什么優(yōu) 缺點(diǎn)呢？今天把自己在長(cháng)期從事衡器設計、制造 中對這兩種傳感器的一些理解、思考、體會(huì )拿出 來(lái)與大家做一個(gè)交流，希望能起到一個(gè)拋磚引玉 的作用，引起更多人的思考、研究。不足之處， 希望大家給予批評指正。

電子衡器所用的傳感器基本上都是應變式稱(chēng) 重傳感器，應變式稱(chēng)重傳感器從設計原理上分為 正應力傳感器與剪切應力傳感器。正應力傳感器 是通過(guò)測量拉伸、壓縮和彎曲應力來(lái)進(jìn)行工作的； 剪切應力傳感器是通過(guò)測量剪切應力進(jìn)行工作的。 正應力傳感器的典型代表是柱式傳感器，剪切應 力傳感器的典型代表是橋式傳感器。

二、權威文獻對柱式傳感器與橋式傳感器的描述

(一)柱式稱(chēng)重傳感器

關(guān)于柱式傳感器的特點(diǎn)，《中國衡器實(shí)用技術(shù) 手冊》中的描述如下：結構緊湊，幾何形狀簡(jiǎn)單， 設計計算、機械加工、熱處理、電阻應變計粘貼 等均較容易；剛性較大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應 快；通過(guò)外殼和膜片易于實(shí)現焊接密封和抽真空 充氮新工藝。但其缺點(diǎn)也很突出，主要有：固有 線(xiàn)性差，最大可達0.3%FS以上。這是因為圓柱 式彈性元件在承受拉向載荷時(shí)，隨著(zhù)載荷的增加 橫截面由于橫向收縮而減小，故應力與應變超比 例的增加，使輸出大于線(xiàn)性值。當承受壓向載荷 時(shí)，隨著(zhù)載荷的增加，彈性元件橫截面由于橫向 變粗而增大，故應力與應變小于比例增加，使輸 出小于線(xiàn)性值。外載荷越大，非線(xiàn)性誤差越大。 只有進(jìn)行非線(xiàn)性補償，才能使稱(chēng)重傳感器達到較 高的準確度等級。

試驗證明，在一般情況下，單柱式稱(chēng)重傳感 器抗水平側向載荷的能力，在其額定載荷的10% 以下，而整體三柱式傳感器可達30%，整體四柱 式傳感器可達50%，作為傳感器的應用性能是至 關(guān)重要的。

而整體三柱式、 四柱式傳感器由于加工工藝 復雜，制造成本太高，因此在市場(chǎng)上見(jiàn)不到，目前市場(chǎng)上的柱式傳感器均為單柱式傳感器。

(二）橋式稱(chēng)重傳感器

20世紀70年代中期，為克服測量正應力應 變式負荷傳感器的各項缺點(diǎn)，美國學(xué)者霍格斯特 姆開(kāi)創(chuàng )了不應用彈性元件的正應力而利用剪切應 力設計和制造傳感器的先例，為剪切應力傳感器 的發(fā)展奠定了理論基礎。由于剪切應力傳感器的 彈性元件多為受剪的直梁結構，剪力沿梁的長(cháng)度方 向為一個(gè)常量，所以輸出靈敏度對加載點(diǎn)變化不敏 感；剪切梁在拉伸、壓縮載荷作用下，變形量幾乎 一致，使得拉壓靈敏度對稱(chēng)性好；利用結構對稱(chēng)和 貼片組橋技巧，極大地提高了抗側向和偏心載荷能 力；并且外形低、剛度大、固有線(xiàn)性好、容易防護 密封。正是這些正應力傳感器無(wú)法具備的特點(diǎn)，使 得剪切應力稱(chēng)重傳感器在電子衡器制造業(yè)得到了廣 泛應用，形成了一個(gè)強大的發(fā)展潮流。

橋式稱(chēng)重傳感器有如下特點(diǎn)：

(1）剪力沿應變梁長(cháng)度方向為一常量，稱(chēng)重傳 感器輸出與梁彎矩無(wú)關(guān)，只與剪切應力成比例， 因而輸出對加載點(diǎn)變化不敏感；

（2）由于應變區為工字梁，在腹板上中性軸處 的應力單元為純剪狀態(tài)，在外載荷作用下受剪的 截面積不發(fā)生變化，各電阻應變計產(chǎn)生基本相同 的電阻變化，固有線(xiàn)性好；

（3）因為工字型截面剪切應力分布比較均勻， 電阻應變計粘貼在四個(gè)盲孔內的最小寄生應力區， 應用貼片和組橋技巧，可以提高抗側向和偏心載 荷的能力；

(4）電阻應變計及補償元器件均在盲孔內，不 僅得到了最好的保護，還便于用聚胺酯灌封，防 護等級高；

(5)加載點(diǎn)和兩個(gè)支撐點(diǎn)自成平衡力系，安裝 維護方便；

(6）鋼球與球座接觸傳遞外載荷理論上為點(diǎn)接 觸，實(shí)際是一個(gè)很小的接觸圓。由于鋼球只傳遞 軸載荷，不傳遞橫向載荷和橫向扭矩，保證了測 量準確度。

三、行業(yè)對于對柱式傳感器與橋式傳感器的 爭論焦點(diǎn)

(一)柱式傳感器較橋式傳感器動(dòng)態(tài)響應快

柱式傳感器固有頻率高（幾萬(wàn)到十幾萬(wàn)赫 茲），動(dòng)態(tài)響應快。

橋式傳感器固有頻率低（幾千赫茲），動(dòng)態(tài)響 應相對較慢。

(二）柱式傳感器較橋式傳感器安裝要求高， 調整麻煩。

四、對這兩個(gè)問(wèn)題的理解

(一)動(dòng)態(tài)響應速度問(wèn)題的理論分析

單純看兩種傳感器的固有頻率，確實(shí)柱式傳 感器的固有頻率數十倍于橋式傳感器，這是不爭 的事實(shí)。然而，秤是由秤體、傳感器和儀表組成 的，秤的響應速度才是決定使用性能的最終因素。 秤的響應速度主要由秤體的響應速度、儀表的響 應速度、傳感器的響應速度共同決定。

關(guān)于儀表的響應速度，隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速 發(fā)展，制造高分辨率、高響應速度的儀表已經(jīng)不 是難事。但是提高秤體的響應速度確實(shí)不易，目 前各生產(chǎn)廠(chǎng)家的秤體結構、使用材料大同小異， 秤體的固有頻率通常在3hz?5hz，且無(wú)法進(jìn)一步 提高。經(jīng)過(guò)多次試驗測得100t秤體的固有頻率約 為4.2hz，其他噸位的秤體也差異不大。即秤體震 蕩一個(gè)完整的波形需要1/4.2秒（238.1m)。即秤 體的響應時(shí)間為238.1ms。因此，一臺秤的響應時(shí) 間取決于秤體的響應時(shí)間。

實(shí)驗測試

我們設計了一個(gè)實(shí)驗，以期分析柱式傳感器 與橋式傳感器在汽車(chē)衡中的應用性能差別，試驗 方法如圖1所示。

在同一臺秤上同時(shí)安裝柱式傳感器與橋式傳 感器，將它們的信號同時(shí)引入儀表，采集車(chē)輛通 過(guò)秤臺時(shí)的信號波形。結果采集到的兩種傳感器 的輸出波形驚人的一致，如圖2、圖3所示。為什 么會(huì )出現這樣的情況呢？因為秤體固有頻率只有 幾赫茲，而橋式傳感器固有頻率在上千赫茲，已 完全滿(mǎn)足衡器數據采集需要，柱式傳感器更高的 固有頻率發(fā)揮不出優(yōu)勢。

通過(guò)實(shí)驗，可以得出結論：兩種傳感器應用 在汽車(chē)衡中時(shí)，他們的性能沒(méi)有差異。實(shí)驗結果 與理論分析完全吻合。

(二)關(guān)于傳感器安裝

 (1)柱式傳感器安裝

柱式傳感器安裝時(shí)要求傳感器中心線(xiàn)與地面 垂直，這是大家共知的事實(shí)。這是傳感器自身結 構所決定的。關(guān)于柱式傳感器為什么要豎直安裝， 學(xué)術(shù)界有兩種理論。

1)分力學(xué)說(shuō)

如圖4所示，如果安裝不豎直，當傳感器受 到外力F的作用時(shí)，力F會(huì )分解為Fy、Fx兩個(gè)分 力，Fy平行于傳感器軸線(xiàn)，使傳感器產(chǎn)生變形。 也就是說(shuō)傳感器所檢測到的力為Fy。因此會(huì )產(chǎn)生誤差。

2）截面變化學(xué)說(shuō)

如圖5所示，當傳感器傾斜安裝時(shí)，其彈性 體的截面積發(fā)生了變化，為與力的作用線(xiàn)垂直的 截面1，所以會(huì )產(chǎn)生誤差。

這兩種學(xué)說(shuō)從兩個(gè)不同的角度分析了柱式傳 感器安裝不豎直時(shí)，產(chǎn)生誤差的原因。按照這兩 種理論計算出來(lái)的結果是一致的。

(2）橋式傳感器安裝

橋式傳感器，由于剪力沿應變梁長(cháng)度方向為 一常量，稱(chēng)重傳感器輸出與梁彎矩無(wú)關(guān)，只與剪 切應力成比例，因而輸出對加載點(diǎn)變化不敏感。 所以橋式傳感器的安裝精度要求遠低于柱式傳感 器。

五、柱式傳感器與橋式傳感器應用體會(huì )

(一)兩種傳感器對基礎的要求

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐積累，我們總結出柱式傳感 器對基礎預埋板的水平度要求較高，預埋板水平 度達到1/500時(shí)（預埋板為500x 500mm時(shí)，傾斜 度不大于1mn)，傳感器可正常工作。橋式傳感器 預埋板水平度1/200時(shí)，即可正常工作。

(二）關(guān)于坡道安裝問(wèn)題

由于柱式傳感器抗側向力較差，安裝時(shí)傳感 器中心線(xiàn)應與地面垂直。因此，國內知名度較高 的衡器企業(yè)使用柱式傳感器時(shí)，均采取秤體水平 安裝的方式。當秤體安裝在有坡度的高速公路收 費站時(shí)，秤體兩端采取調坡處理的方式。

而橋式傳感器輸出與梁的彎矩無(wú)關(guān)，只與剪 切應力成比例，輸出對加載點(diǎn)的變化不敏感，且其抗偏載能力強，所以使用橋式傳感器的秤體可 以實(shí)現順坡安裝。目前在高速公路收費站順坡安 裝的秤體已超過(guò)3000臺，其中最大安裝坡度為 5.6%，均工作正常。

（三）溫度變化的影響

在我國大部分地區，夏季正午陽(yáng)光直射下， 秤體表面溫度可達60°C以上，而夜間又會(huì )降至 30°C以下，一天之內溫差達30°C以上，對于21m 長(cháng)的秤體，熱脹冷縮可達10mm，因此無(wú)法保證傳 感器始終垂直于地面。而冬季與夏季秤面溫差甚 至可達60°C以上，秤面熱脹冷縮可達20mm以上。 如何消除熱脹冷縮對傳感器工作的影響，目前行 業(yè)上沒(méi)有成熟的解決方案。

為研究秤體熱脹冷縮對計量性能的影響，筆 者設計了一個(gè)試驗：選用一臺汽車(chē)衡分別安裝柱 式傳感器與橋式傳感器，測量隨著(zhù)溫度變化，其 稱(chēng)量精度變化情況。

實(shí)驗設計：

秤臺尺寸：3.4mx 21m，安裝10只30t傳感器；

試驗氣候條件：8月中旬，晴天，秤體露天安裝；

傳感器：柱式傳感器為進(jìn)口某國際知名品牌， 橋式傳感器為國產(chǎn)某知名品牌；

試驗載荷：30t標準柱碼，靜態(tài)測量；

測量時(shí)間點(diǎn):8:00，14:00，20:00。

實(shí)驗結果對比如表1所示：

通過(guò)實(shí)驗可以看出，尺寸大且安裝柱式傳感 器的衡器確實(shí)會(huì )因為溫度變化秤體出現熱脹冷縮， 導致傳感器傾斜，引起較大誤差；而安裝橋式傳

感器的衡器會(huì )好得多。

六、柱式傳感器與橋式傳感器優(yōu)缺點(diǎn)

(一）柱式傳感器

①彈性體為回轉體，主要采用車(chē)削加工，生 產(chǎn)效率高；

因為材料抗壓性能較好，柱式傳感器可以 做得體積很小，但超載性能依然不降低；

抗偏載性能不好，對加載點(diǎn)變化敏感，安 裝要求高。

(二）橋式傳感器

(1)抗偏載能力強，對加載點(diǎn)的變化不敏感， 安裝要求低，調整方便；

(2)體積龐大，制造材料消耗多，要求安裝空 間大，搬運笨重。

七、兩種傳感器的適用范圍

根據多年的衡器設計、制造、安裝經(jīng)驗，以 及理論研究分析，筆者對衡器設計時(shí)傳感器選用 有以下幾點(diǎn)體會(huì )，僅供參考。

(1)在一些大型的煤倉秤、料斗秤、室內使 用的衡器以及傳感器安裝空間受限的衡器中，柱 式傳感器由于體積小，過(guò)載能力好，有較大的優(yōu) 勢。

(2)在幾何尺寸較大且室外安裝，熱脹冷縮影 響較嚴重的衡器中，橋式傳感器更為適用。

(3)需要在坡道安裝的大型衡器，由于橋式傳 感器抗偏載能力強，對加載點(diǎn)變化不敏感，宜選 用橋式傳感器。

(4）在大多數常見(jiàn)衡器中，兩種傳感器都能適用。