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柱式荷重传感器的原理以及应用有哪些?

发布时间:2025-10-14
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文章来源:http://www.shllsensor.com

柱式荷重传感器作为应变式力传感器的经典构型,以圆柱形弹性体为核心特征,凭借抗过载能力强、结构紧凑、测量稳定等优势,在工业称重、力值监测、设备控制等领域实现广泛应用。其技术原理源于金属应变效应的精准转化,而应用场景则覆盖从微型测试到万吨级重载的全量程需求。本文将剥离具体品牌属性,从通用原理、核心技术特性,构建柱式荷重传感器的完整知识框架。

LCZ-102A

LCZ-102A荷重传感器



一、通用原理:应变效应驱动的 “力 - 电” 转化核心逻辑
所有柱式荷重传感器的测量本质,均遵循 “机械形变→电阻变化→电学信号” 的三级转化链路,核心依赖金属应变效应惠斯通电桥电路的协同作用,这一原理在不同品牌、不同量程的产品中具有高度共性。
1. 第一级:力的承载与弹性形变(机械系统)
圆柱形弹性体是传感器的机械核心,通常采用 40CrNiMoA 合金钢、316L 不锈钢等材料一体成型,通过热处理工艺赋予其高弹性极限与抗疲劳性能。当外力(压力或拉力)作用于弹性体两端时,会产生与力值成正比的轴向弹性形变:
  • 承受压力时,弹性体长度微缩、横截面积微增;

  • 承受拉力时,弹性体长度微伸、横截面积微减;

  • 形变程度通常控制在微米级,确保外力消失后完全恢复原状,无永久形变风险。

为提升测量灵敏度,部分高端产品会在弹性体中间段设计 “应力集中区”(如细微缩颈),使形变主要集中于该区域,既放大应变信号,又保护整体结构不受过度应力影响 —— 这一设计逻辑在隆旅 LCZ-102A、斯巴拓 SBT 系列等产品中均有体现。
2. 第二级:形变感知与电阻变化(感知系统)
形变的捕捉依赖贴附在弹性体表面的电阻应变片,这是 “机械量→电学量” 转化的关键节点。行业通用做法是采用 4 片应变片组成测量单元,按 “圆周对称” 方式贴附:
  • 2 片沿弹性体轴向贴附(主应变片):直接感知轴向形变,拉伸时电阻增大,压缩时电阻减小;

  • 2 片沿弹性体横向贴附(补偿应变片):利用泊松效应感知横向形变,电阻变化方向与轴向相反。

这种对称布局具有双重作用:一是使电阻变化量叠加,提升信号强度;二是抵消温度干扰 —— 环境温度变化会导致 4 片应变片电阻同步增减,而后续的电桥电路可自动消除这种共性误差,确保测量精度。应变片的精度直接影响传感器性能,主流产品多选用进口箔式应变片,灵敏系数通常在 2.0~2.2 之间。
3. 第三级:信号转化与优化(电路系统)
4 片应变片按全桥方式接入惠斯通电桥电路,构成传感器的电学核心。其工作过程可分为三个阶段:
  • 平衡状态:无外力作用时,4 片应变片电阻值相等(R1=R2=R3=R4),电桥平衡,输出电压为 0;

  • 失衡状态:外力作用导致应变片电阻变化,电桥失衡,输出与力值成正比的毫伏级电压信号(灵敏度通常为 1.0~2.0mV/V);

  • 信号优化:为抵消环境干扰与工艺误差,电路中会集成补偿模块 —— 通过热敏电阻修正温度误差(补偿范围通常为 - 40℃~80℃),通过精密电阻修正零点漂移,使综合测量精度可达 ±0.05% FS~±0.1% FS。

二、核心技术特性:适配不同场景的性能支撑
柱式荷重传感器的技术特性与其应用场景深度绑定,不同参数组合对应不同的使用需求,核心特性可概括为 “三抗一敏”:
1. 抗过载与抗偏载能力:重载场景的核心保障
柱式结构的天然优势是抗过载能力强,安全过载通常可达额定载荷的 120%~150%,极限过载甚至可达 200%,这使其成为万吨级汽车衡、冶金轧机等重载设备的首选构型。针对工业现场常见的偏载问题(载荷未作用于中心轴线),主流产品通过两种设计优化:
  • 结构优化:采用中空筒式弹性体,使载荷无论作用于端面中心还是边缘,均能通过筒壁传递为均匀轴向应力;

  • 配件适配:底部集成球形支座或调心垫,自动调节受力角度,抵消安装偏差带来的侧向力干扰。

在青岛地铁高支模监测系统中,柱式传感器需承受脚手架立杆的偏载压力,其抗偏载设计直接决定监测数据的可靠性。
2. 抗环境干扰能力:复杂工况的稳定性基础
工业场景中的粉尘、湿度、电磁场等因素会严重影响测量精度,柱式传感器通过多重设计提升环境适应性:
  • 防护等级:常规产品达 IP67(防尘防水),潮湿、多粉尘场景可选用 IP68(完全防水)甚至 IP69K(高压喷淋防护);

  • 材质适配:腐蚀环境(如化工储罐称重)选用 316L 不锈钢,高温环境(如冶金炉料称重)选用耐高温合金;

  • 电路屏蔽:信号线缆采用屏蔽层设计,过滤电磁噪声,确保在变频设备、焊接机等强电磁环境中稳定输出。

3. 动态响应灵敏度:高速场景的测量关键
动态响应频率决定传感器捕捉瞬时力值变化的能力,通常与弹性体刚度、应变片响应速度相关。常规柱式传感器动态响应频率为 200~500Hz,高端型号可突破 1000Hz,适配不同场景:
  • 低速场景(如静态称重):100Hz 以下即可满足需求;

  • 高速场景(如汽车压装、电池极耳焊接):需 500Hz 以上频率才能捕捉毫秒级力值波动;

在手机电池 200 公斤荷重测试中,传感器需在变形量 0.05 毫米以下的微小形变中实现精准测量,动态响应与灵敏度的平衡尤为关键。



LCZ-102B

LCZ-102B荷重传感器




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