整体三柱、四柱型称重传感器的力学特性分析

　　一、概述

　　自从 20 世纪 40 年代初，美国 BLH 公司、Re-vere 公司发明电阻应变式负荷传感器以来，单柱型就是最早、最传统的一种结构形式。其特点是结构简单、紧凑;几何外形以圆形为主，容易控制尺寸和形位公差，可以加工出很高的精度等级;量程范围广，可以从几吨到几百吨，特别是在大量程段应用较多;相对其它结构类型制造成本较低。但它的缺点也很突出，主要是纵向应变量与横向应变量不等，横向应变量约为纵向应变量的 0.3 倍，因而灵敏度较低，通常在 1.5mV/V以下;在承受压向或拉向载荷时，应变区截面积增大或减少，因此固有线性差通常为 (0.1~0.3) %FS;必须设计较为复杂的保护外壳、焊接密封膜片和与其配套的压头、压垫;用于大型电子衡器时，对承载器设计、载荷引入方式、定位限位装置等要求较为苛刻;抗偏心载荷和侧向载荷能力差。这最后一点是单柱型结构的致命缺陷，因为在实际应用中，单柱型弹性元件受到的力学干扰量分别是偏心载荷、侧向载荷和沿圆柱中心轴线方向的力矩，单柱型弹性元件的结构决定了它无法抵抗和克服这些力学干扰。

　　固有线性差，可以通过粘贴在弹性元件上、串联在供桥电路中的半导体应变计或镍箔应变计进行非线性补偿。而抗偏心载荷和侧向载荷能力差，是单柱型结构的固有缺陷，只能通过改变弹性元件的结构形式来克服。设计双层膜片外壳或采用双球面自动对中结构，只能一定程度的提高抗偏心载荷和侧向载荷的能力，不能从弹性元件自身结构上解决问题。

　　20 世纪 90 年代初，美国 Sensortronics 公司，为彻底克服单柱型结构抗偏心载荷和侧向载荷能力差的至命缺陷，研制出整体三柱型、四柱型称重传感器，并在全美第 10 届称重与测量技术展览会上展出。美国业内人士认为，整体多柱型称重传感器是柱型称重传感器结构设计、制造工艺和非线性补偿技术的一次飞跃，为柱型称重传感器的发展开辟了一条新路。

　　二、整体三柱、四柱型称重传感器的结构与特点

　　整体三柱、四柱型称重传感器的弹性元件，是将锻造加工时只许拉伸不许墩粗的一段圆形合金钢毛坯，在精密数控加工中心上一次加工成形的整体结构。三柱、四柱型的每根柱均沿弹性元件圆形底座的对称轴均匀分布，柱体多为正方形截面。在弹性元件顶板的中心加工出球面或球碗，用来引入外载荷。整体三柱、四柱型弹性元件结构示意图如图1、图 2 所示。

　　整体三柱、四柱型称重传感器的特点：

　　(1) 三柱、四柱弹性元件，是用一块合金钢材由加工中心一次性加工成形的整体结构，球头大、外形低、稳定性好;