轴对称扭环型称重传感器的力学特性与简易计算

　　一、概述

　　20 世纪 80 年代末期，为满足电子衡器产品对称重传感器的高准确度、高稳定性、大输出、低外形等需求，德国 SCHENCK(申克) 公司研制出轴对称、低外形、高准确度、大输出、小滞后的扭转环型称重传感器;HBM公司和 EHP 公司研制出与扭转环型弹性元件特点相同的轴对称低外形弯曲环型称重传感器。它以其全新的结构、较低的外形、大输出、高准确度、小滞后、高稳定性和能在强腐蚀环境条件下安全工作的能力，形成了一个新的发展潮流，并在应变式称重传感器结构创新中产生较大影响。

　　申克公司的 RT型轴对称扭转环型称重传感器可供选择的量程较多，100kg～680kg 共 6 种规格;1t～4.7t 共 5 种规格;6.8t～15t 共 3 种规格;22t～470t 共 9 种规格。其中 RT6D 型为精密级其准确度可达 OIML C6 级 (6000d);RT4D 型可达 OIMLC4 级 (4000d);RTD 型为 OIML C3 级 (3000d)。EHP 公司 BR 系列轴对称弯曲环型称重传感器也有60kg～60t 共 10 种规格。由于这些产品具有体积小、高度低、耐受恶劣环境条件能力强等特点，在工业生产过程称重计量，特别是化学工业称重计量中得到广泛应用，同时也应用于集装箱称重、起重机称重、矿车称重、站台称重、汽车称重和火车称重等电子衡器中。

　　我国一些称重传感器研究与制造企业，将轴对称扭转环型称重传感器发展为 250℃高温称重传感器，取得很好的测试与应用结果。研究轴对称扭转环型与弯曲环型弹性元件的结构特点、分析其力学特性和螺旋圆环形电阻应变计的应用，将对轴对称扭转环型和弯曲环型称重传感器扩大应用起一定的指导作用。

　　二、轴对称扭环型称重传感器的结构与工作原理

　　轴对称扭转环型和弯曲环型称重传感器，是由顶环、中间六方形截面环 (或矩形截面环) 和底环三部分组成的一个整体结构，其结构示意图如图 1 所示。

　　德国申克公司轴对称扭转环型称重传感器剖面图如图 2 所示。

　　当外载荷 P 作用在顶环上的球面时，弹性元件就像盘形弹簧一样变形，由于结构的独特性顶环可以相对底环平行移动，即在顶环和底环的作用下六方形截面环 (或矩形截面环) 状回转体向中心方向做类似于滚动的运动，使环的下表面向着半径增大方向移动，环的上表面向着半径减小方向移动而产生环向正、负应变，这正是组成惠斯通电桥所需要的。最好在六方形截面环 (或矩形截面环) 的上、下表面粘贴大阻值螺旋圆环形电阻应变计，如果无此条件也可粘贴普通单轴电阻应变计。根据惠斯通电桥电路相对桥臂上的电阻应变计应变方向相同，相邻桥臂上的电阻应变计应变方向相反的原则，组成的电桥电路为全桥式等臂电桥，灵敏度高、温度特性好。当轴对称扭转环 (或弯曲环) 受外载荷作用产生扭转或弯曲变形后，粘贴在上、下表面的电阻应变计的电阻值增加或减小，其结果便在电桥的对角线上产生正比于外载荷的不平衡输出，利用这一特性就可完成称重计量任务。