电子地磅柱式传感器倾斜误差问题初探

电子地磅柱式传感器倾斜误差问题初探

电子地磅柱式传感器具有结构简单紧凑、抗过载和抗侧载能力强等优点，在大容量称重衡器中得到广泛的应用。但是，在地磅柱式传感器的实际应用中，不可避免的会发生电子地磅传感器倾斜称重的情况，从而造成了电子地磅传感器的称重误差。本文采用弹性力学和理论力学方法，分析了电子地磅传感器倾斜称重情况下的误差。

1.简述

电子地磅柱式称重传感器是正应力称重传感器中应用较多的结构，其中又以摇柱式传感器应用居多。与其他结构相比，地磅柱式传感器具有十分突出的优势，例如：结构简单紧凑、便于安装；弹性元件刚度大、固有频率高、动态响应快；良好的抗冲击和抗侧载能力以及良好的防护性能。

但是，在实际应用过程中，由于传感器暴露在开放的环境中，环境的温差造成了秤台的热胀冷缩，使得传感器处于倾斜称重状态，从而导致了地磅传感器在不同温度下称量同一对象显示不同的重量，给客户的正常使用造成了困扰，因此研究分析电子地磅传感器称重误差就显得十分必要。

本文以方截面电子地磅柱式传感器为例，采用弹性力学和理论力学方法对传感器的倾斜称重误差进行了分析探讨，分析得到了电子地磅传感器倾斜角度与倾斜误差的函数关系，对后续的地磅传感器设计及误差补偿具有一定的参考意义。

2.倾斜误差理论

假设弹性元件加工和应变计粘贴为理想状态。

如图 1 所示，当地磅传感器处于竖直状态时，应变区拉

假设电子地磅感器上下连接件始终处于平行状态，且地磅传感器倾斜时为纯滚动。上连接件平行于应变区方向 （x 方向） 平移了 x 的距离，垂直于应变区方向 （z 方向） 平移了 z 的距离，则此时电子地磅传感器的倾斜角度

将重力 W 和两个方向的摩擦力 fx、fz 进行力的分解，分解到传感器轴向 （平行于轴线方向）和横向x、z （垂直于轴线方向） 两个方向，然后将合成后的轴向力等效到传感器中心轴线上，因此其必然会产生附加弯矩 Mx、Mz。合成后的力和力矩如下式所示

由式 （21） 容易看出，当电子地磅传感器机加工以及贴片理想的情况下，弯矩对地磅传感器的输出不会产生影响，因此电子地磅传感器的输出仅取决于传感器所受轴向力的大小。

3.倾斜误差分析测试

假设已知电子地磅传感器的倾斜角度 βx 和 βz，那么地磅传感器在空间中的倾角就如式（6） 所示。

若地磅传感器足够长，即端头效应对应变区的影响可忽略，则地磅传感器正常输出 （未经补偿） 的重量 Wβ 即为传感器的轴力 Fv。

传感器球头半径 SR 越大，倾斜误差相对越大。

以某型小容量柱式传感器为例，容量为 22.5t，

其球头半径 SR=180mm，传感器高度为 L=89mm。

如图 3 所示，地磅传感器的倾斜误差随着倾斜角度的增大而减小，且呈二次曲线关系。对比测试曲线和模拟曲线可知，实际测试中传感器的倾斜误差小于理论模拟的误差，这是因为理论分析中采用了经典的弹性力学和理论力学理论，其未考虑结构受载时的几何非线性变形，而实际测试中结构存在几何非线性变形，这就使得理论模拟的倾斜误差大于实际测试中的倾斜误差。

4.结论

本文采用弹性力学和理论力学方法对地磅传感器的倾斜称重误差进行了分析探讨，分析发现：

（1） 电子地磅传感器的倾斜误差随着倾斜角度的增大而减小，且呈二次曲线关系；

（2） 当电子地磅传感器倾斜角度一定的时候，传感器高度 L 越高，倾斜误差相对越小；传感器球头半径SR 越大，倾斜误差相对越大；

（3） 当电子地磅传感器机加工以及贴片理想的情况下，弯矩对地磅传感器的输出不会产生影响，传感器的输出仅取决于地磅传感器所受轴向力的大小。