電子地磅柱式傳感器傾斜誤差問題初探

電子地磅柱式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、抗過載和抗側(cè)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在大容量稱重衡器中得到廣泛的應(yīng)用。但是，在地磅柱式傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，不可避免的會發(fā)生電子地磅傳感器傾斜稱重的情況，從而造成了電子地磅傳感器的稱重誤差。本文采用彈性力學(xué)和理論力學(xué)方法，分析了電子地磅傳感器傾斜稱重情況下的誤差。

1.簡述

電子地磅柱式稱重傳感器是正應(yīng)力稱重傳感器中應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)，其中又以搖柱式傳感器應(yīng)用居多。與其他結(jié)構(gòu)相比，地磅柱式傳感器具有十分突出的優(yōu)勢，例如：結(jié)構(gòu)簡單緊湊、便于安裝；彈性元件剛度大、固有頻率高、動態(tài)響應(yīng)快；良好的抗沖擊和抗側(cè)載能力以及良好的防護(hù)性能。

但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于傳感器暴露在開放的環(huán)境中，環(huán)境的溫差造成了秤臺的熱脹冷縮，使得傳感器處于傾斜稱重狀態(tài)，從而導(dǎo)致了地磅傳感器在不同溫度下稱量同一對象顯示不同的重量，給客戶的正常使用造成了困擾，因此研究分析電子地磅傳感器稱重誤差就顯得十分必要。

本文以方截面電子地磅柱式傳感器為例，采用彈性力學(xué)和理論力學(xué)方法對傳感器的傾斜稱重誤差進(jìn)行了分析探討，分析得到了電子地磅傳感器傾斜角度與傾斜誤差的函數(shù)關(guān)系，對后續(xù)的地磅傳感器設(shè)計(jì)及誤差補(bǔ)償具有一定的參考意義。

2.傾斜誤差理論

假設(shè)彈性元件加工和應(yīng)變計(jì)粘貼為理想狀態(tài)。

如圖 1 所示，當(dāng)地磅傳感器處于豎直狀態(tài)時，應(yīng)變區(qū)拉

假設(shè)電子地磅感器上下連接件始終處于平行狀態(tài)，且地磅傳感器傾斜時為純滾動。上連接件平行于應(yīng)變區(qū)方向 （x 方向） 平移了 x 的距離，垂直于應(yīng)變區(qū)方向 （z 方向） 平移了 z 的距離，則此時電子地磅傳感器的傾斜角度

將重力 W 和兩個方向的摩擦力 fx、fz 進(jìn)行力的分解，分解到傳感器軸向 （平行于軸線方向）和橫向x、z （垂直于軸線方向） 兩個方向，然后將合成后的軸向力等效到傳感器中心軸線上，因此其必然會產(chǎn)生附加彎矩 Mx、Mz。合成后的力和力矩如下式所示

由式 （21） 容易看出，當(dāng)電子地磅傳感器機(jī)加工以及貼片理想的情況下，彎矩對地磅傳感器的輸出不會產(chǎn)生影響，因此電子地磅傳感器的輸出僅取決于傳感器所受軸向力的大小。

3.傾斜誤差分析測試

假設(shè)已知電子地磅傳感器的傾斜角度 βx 和 βz，那么地磅傳感器在空間中的傾角就如式（6） 所示。

若地磅傳感器足夠長，即端頭效應(yīng)對應(yīng)變區(qū)的影響可忽略，則地磅傳感器正常輸出 （未經(jīng)補(bǔ)償） 的重量 Wβ 即為傳感器的軸力 Fv。

傳感器球頭半徑 SR 越大，傾斜誤差相對越大。

以某型小容量柱式傳感器為例，容量為 22.5t，

其球頭半徑 SR=180mm，傳感器高度為 L=89mm。

如圖 3 所示，地磅傳感器的傾斜誤差隨著傾斜角度的增大而減小，且呈二次曲線關(guān)系。對比測試曲線和模擬曲線可知，實(shí)際測試中傳感器的傾斜誤差小于理論模擬的誤差，這是因?yàn)槔碚摲治鲋胁捎昧私?jīng)典的彈性力學(xué)和理論力學(xué)理論，其未考慮結(jié)構(gòu)受載時的幾何非線性變形，而實(shí)際測試中結(jié)構(gòu)存在幾何非線性變形，這就使得理論模擬的傾斜誤差大于實(shí)際測試中的傾斜誤差。

4.結(jié)論

本文采用彈性力學(xué)和理論力學(xué)方法對地磅傳感器的傾斜稱重誤差進(jìn)行了分析探討，分析發(fā)現(xiàn)：

（1） 電子地磅傳感器的傾斜誤差隨著傾斜角度的增大而減小，且呈二次曲線關(guān)系；

（2） 當(dāng)電子地磅傳感器傾斜角度一定的時候，傳感器高度 L 越高，傾斜誤差相對越小；傳感器球頭半徑SR 越大，傾斜誤差相對越大；

（3） 當(dāng)電子地磅傳感器機(jī)加工以及貼片理想的情況下，彎矩對地磅傳感器的輸出不會產(chǎn)生影響，傳感器的輸出僅取決于地磅傳感器所受軸向力的大小。