基于称重传感器在地磅中应用的探究

地磅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。应用在地磅中的称重传感器是核心部件，世界各国都有各自的 产品应用特点。本文的目的在于通过探讨各国称重传感器在地磅中的应用情况，以便 让读者了解和掌握目前的应用现状以及未来的发展方向。

一、前言

在我国，地磅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。

地磅主要由承载器、称重显示仪表 下简称仪表、称重传感器下简称传感韓、连 接件、限位装置及接线盒等零部件组成，还可以 选配打印大屏幕显示器、计算机和稳压电源等外 部设备。地磅的工作原理：被称重物或载 重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，通过 承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器 弹性体产生变形，贴附于弹性体上的应变计桥路 失去平衡，输出与重量数值成正比例的电信号， 经线性放大器将信号放大；再经A/D转换为数字 信号，由仪表的微处理机CP!)对重量信号进行 处理后直接显示重量数据。配置打印机后，即可 打印记录称重数据，前提条件是配置计算机可将 计量数据输入计算机管理系统进行综合管理。

称重传感器是将力学量值转换成电学量的转 换元件，能将作用在被测物体上的重力按一定比 例转换成电压或电流信号，其被称为电子衡器中 的心脏部件。科学技术的飞速发展，由称重传感 器制作的电子衡器也已广泛地应用到各行各业, 实现了对物料的快速、准确的称量。特别是随着 微处理机的出现，工业生产过程自动化程度的不 断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必 需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重 量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合 分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检 测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器,地磅也不例外。称重传感器依据转换方式 分为：光电式、液压式、电磁力式、电容式、电 阻应变式等8大类，电阻应变式称重传感器应用 最为广泛，目前的电子汽车衡均采用电阻应变转 换方式。

电子汽车衡一般按照称量方式、安装方式、 传输信号、使用环境、秤台结构、自动化程度等 进行分类。本文主要针对静态地磅而言,有关动态汽车衡又称动态车辆自动衡韓中的 称重板、轴重仪不做阐述。

二、我国地磅使用的各类称重传感器 电子汽车衡所使用的称重传感器一般分为剪切梁、双剪切梁、柱式等三种结构。至于轮辐、 扭环等结构的传感器在我国地磅使用很少。 这里就着重从三个常用结构来谈。

1.剪切梁结构图1、图2、图3

在我国现有的地磅使用中，剪切梁传 感器的使用占有了一定的比例。主要是应用在一 些低量程段的地磅上。以5t和8t两个量程 最为典型，一般使用在最大秤量为10t和20t的地磅。该产品以梅特勒-托利多公司的最为 典型，其优点在于偏心载荷的影响小，可以承受 大的侧向力，刚性好，安装高度低。但对于大量 程的该产品来讲，安装以及更换维护的难度较高。 例如：20t剪切梁传感器固定螺栓的紧固力矩要达 到1200- 1500N*m,不是每一个使用者手头都有适 用的扭力扳手，即使有的话，安装空间和安装条 件也使其在大扭力作用下很难操作。据查阅，托 利多公司早期提供的样本资料中，该结构称重传 感器的最大量程在50t。目前，托利多公司所制造 的秤体上安装20t剪切梁传感器还比较多见。由于 地磅量程的不断增大，该结构产品应用在 最大秤量30t以上的地磅中非常少见。

2.双剪切梁结构

双剪切梁称重传感器俗称桥式称重传感器， 在我国地磅中应用最为广泛。我国不但是 桥式传感器的使用大国，也是桥式传感器的制造大国。据不完全统计我国桥式传感器的年产量至 少在100万支以上。在我国应用最多最广泛的桥 式传感器为图4所示产品，它源于日本久保田公 司。目前大多知名制造商都有该产品，例如国外 的梅特勒托利多、VISHAY,国内的中航电测、济 南金钟、柯力等都在制造和销售。但由于激烈的 市场竞争，大多企业先后在该产品的基础上进行 了改进，主要目的在于降低成本。产品计量性能 指标基本上与常规桥式称重传感器相当或甚至略 差一些。如图5中的小桥式传感器，它的改变在 于缩小了传感器的几何尺寸，取消了端部传感器 与底座的连接螺栓，采用了一体化结构。如图6 中的带滚针桥式传感器，它的改变也是缩小了相 关几何尺寸，通过滚针结构降低产品的安装高度, 进而缩减了底座的加工成本。如图7所示的带轴 销桥式传感器，它的改变在于两端的螺栓连接改 为销子，安装高度降低，但底座的强度有严格要 求，且不易于做高量程的产品。据笔者查阅和了 解，该结构在韩国的地磅应用中较普遍。 如图8所示的圆形桥式传感器，图8产品与图5 类似，只是外形上稍作改动。曾在2006年韩国客 商将该图发给笔者，但到2010年国内竟有厂家说 是自己的专利。

值得一提的是，无论上述桥式产品如何改进 或改型，但对于量程在40吨及以上的传感器还是 采用两端各用两个螺栓将弹性体固定在底座上的 传统桥式结构，据了解，在我国该结构的首创者 为航天部702所的刘九卿老师。传统桥式传感器 与改进和改型后的桥式传感器有各自的优缺点， 孙登林老师在2010年的〈〈第九届称重技术研讨会 论文集》中〈从桥式称重传感器的改进创新看传 感器行业配套发展问题》一文做了详细的描述， 同时刘九卿老师的相关论文和专业培训内容中也 进行了详细的分析，这里不做赘述。

3.柱式结构

大型载重汽车的发展导致电子汽车衡的最大 秤量也不断增大，100t以上的地磅是越来 越多，柱式结构的称重传感器正好迎合了这个需 求。该结构产品的量程范围比较大。柱式称重传 感器在地磅上的应用以欧洲最为广泛。我 国所使用和应用的柱式结构传感器，都是在学习 和消化欧洲电子汽车衡技术中进行的。相关内容 在文章的下一节进行描述。这两年也有企业通过 改进柱式产品寻求在我国电子汽车衡中的广泛应 用,他们将柱式顶部的凸弧面结构改为凹弧面结 构再通过类似于桥式产品采用钢球结构进行力值 传递。从理论和实验角度分析是合理的，笔者个 人认为考虑到秤台的热胀冷缩等实际应用因素， 这并不十分合理。结合HBM公司C16A产品描述 中最大允许倾斜、最大允许侧向偏载和回复力， 可以了解柱式结构产品在应用中应该避免的问题。

笔者在2010年11月在南洋公司参观时，听 取了南洋公司开发的十字梁结构产品在地磅上中应用的报告。该产品如图9所示具有 安装高度低，抗过载和抗侧向力强，加之与其配 套的固定式三滚珠专用压头具有良好的复位和传 力性能。虽说没有经过大量的市场考证，但从理论和实验角度上分析具有很好的应用价值。

三、其他国家地磅使用的称重传感器

全世界应用在地磅上的称重传感器型 号是五花八门，从主流方向来讲，还是具有一定 的地域特色。以我国为中心的韩国、日本、泰国、 越南等邻邦，产品结构与我国相似或相近。具体 来讲就是近年来我国销往周边国家的常规桥式称 重传感器数量明显增加。美国及其周边市场以双 剪切结构的模块化安装为主。主要产品体现在图 10中几款传感器。这一系列产品的量程范围也比 较大，可查阅的相关资料中显示为 5Klbs- 250Klbs。该产品在美国VISHAY公司和其 他几家大的传感器制造商或经销商的相关资料中 都可查阅到。我国是称重传感器的制造大国，这 几款产品目前在我国的生产量也是相当大，我国 的大多制造厂家为美国及相关国家的客户提供 OEM和直接出口。但在我国地磅中的应用 却十分少见，就笔者所见到为数不多的少数用户, 不是美资企业就是中美合资企业。图10中所罗列 的传感器和我国目前应用在地磅上的产品 相比，制造成本和制造难度都相对较高，但从应 用和计量角度来看具有一定的优点和优势。

欧洲国家在地磅上所使用的传感器为 柱式结构，以德国为例，几家称重元件的制造企 业都没有类似美式的双剪切结构，也没有类似我国的桥式双剪切结构。它们的样本资料中查阅不 到双剪切结构的产品，包括HBM、FLINTECH、 西门子、赛多利斯、申克等知名公司。实际上这 与欧洲电子衡器及称重传感器的发展历程有一定 的关系。柱式传感器所具有的优点，结合模块化的安装模式，在欧洲的应用非常成熟。就柱式产 品而言，虽说衍生出多个种类和型号，但还是以 托利多的GD, HBM的C16A,菲利普的Pr6201, 西门子的CC等最具有代表性。它们有着各自的技 术和应用特点，如图11依次所示。

四、综述

地磅在全世界的应用都是非常广泛的， 称重传感器作为它的核心部件，不同的地区选用 了不同的产品，文中所列举的只是一种普遍应用 状况，比如轮辐等结构的产品也有应用的案例。 结合承载器结构的发展历程，各地区应用在地磅中的称重传感器也趋于成熟，我国做为称 重传感器的制造大国，主宰着称重传感器在电子 衡器中的发展。近年来，我国很多制造企业都在 想方设法对产品进行改进和升级，但最终的目的 却是为了降低成本而参与激烈的市场竞争。十字 梁传感器的出现是对前者的突破，也可以认为是 真正意义上的创新。事实对于一个价格已降到最 低而应用成熟的产品来讲，创新本身具有一定的 难度。所以笔者呼吁国内称重传感器制造企业不 要只停留在对外形尺寸改变进而缩减成本的进行 改进。必须遵循结构上更加合理，应用上更加方 便，成本上更加低廉来综合考虑和分析，不能顾 此失彼。