應(yīng)變式稱重傳感器以其高技術(shù)性、高技巧性、高綜合性和高滲透性等特點(diǎn),除在地磅工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用之外, 還不斷的向相關(guān)學(xué)科和非衡器工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)散, 國內(nèi)外有許多在非衡器工業(yè)領(lǐng)域成功應(yīng)用的案例。本文重點(diǎn)介紹了應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)在大流量測量,動態(tài)稱重法液體流量測量及校驗(yàn),高鐵列車車輪踏面在線檢測,飛行器、旋轉(zhuǎn)物體重心測量,鐵路和公路隨道施工與驗(yàn)收安全性檢測,平定,輸電鐵塔風(fēng)載監(jiān)測和帶狀產(chǎn)品縱向拉力在線測量等領(lǐng)域的應(yīng)用概況,并就工作原理、裝備構(gòu)成、檢測方法、測量誤差等問題進(jìn)行了簡要分析。

一、概述

應(yīng)變式稱重傳感器是知識密集型、技術(shù)密集型和技巧密集型的高技術(shù)產(chǎn)品,具有多樣性、邊緣性、綜合性和技藝性等特點(diǎn),是支持工藝、基石出工藝、核心工藝和特殊工藝的合理運(yùn)用與集成。應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)包括敏感傳感機(jī)理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算、弾性元件金屬材料、制造工藝及設(shè)各、電路補(bǔ)償與調(diào)整、防護(hù)與密封、穩(wěn)定性處理、計(jì)量測試等方面,約有2o余種技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)計(jì)量水平的提高,各行業(yè)對電子衡器和在線稱重計(jì)量的需求越來越大, 促進(jìn)了應(yīng)變式稱重傳感器及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。當(dāng)前, 應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)的發(fā)展主要有三個方向:

①稱重傳感器本身的研究開發(fā);

②與計(jì)算機(jī)相連接的稱重傳感器系統(tǒng)的研究開發(fā);

③稱重傳感器技術(shù)向其它領(lǐng)域滲透的應(yīng)用技術(shù)研究開發(fā) 。

概括起來,稱重傳感器的研發(fā)方向就是“加強(qiáng)基礎(chǔ),擴(kuò)大應(yīng)用”,即加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝技術(shù)、測試檢定技術(shù)基礎(chǔ), 向相關(guān)學(xué)科和非衡器工業(yè)領(lǐng)域滲透擴(kuò)大應(yīng)用范圍。2o世紀(jì)9o年代以來, 應(yīng)變式稱重傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝不斷納入新技木、新工藝,計(jì)量準(zhǔn)確度、長期穩(wěn)定性和工作可靠性均有較大提高,為應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)向相關(guān)學(xué)科和非衡器工業(yè)領(lǐng)域滲透打下理論和物質(zhì)基礎(chǔ), 解決了諸如大流量測量, 動態(tài)稱重法液體流量測量及校驗(yàn),高鐵列車車輪踏面在線檢測,飛行器、旋轉(zhuǎn)物體重心測量、輸電鐵塔風(fēng)載監(jiān)測,鐵路和公路隧道施工與驗(yàn)收安全性檢測評定,帶狀產(chǎn)n最張力在線測量,生物力學(xué)等領(lǐng)域的一些較難解決的問題。

二、 稱重傳感器技術(shù)用于大流量測量

大流量的準(zhǔn)確測量是貿(mào)易結(jié)算和工業(yè)控制中的一個重要環(huán)節(jié) 。 流量測量通常分為體積流量和質(zhì)量流量兩種計(jì)量方法,由于流體的體積是流體的溫度、圧力和密度的函數(shù),大流量體積流量測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)與工藝難度大、成本高、很難達(dá)到較高的準(zhǔn)確度等級,因此工業(yè)發(fā)達(dá)國家大流量測量多釆用以質(zhì)量為単位的流量計(jì)量。質(zhì)量流量計(jì)除具備結(jié)構(gòu)簡単、技術(shù)與工藝難度較小、成本低外,最突出的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性高,直接測量出流量值。避免了傳統(tǒng)體基只流量測量方法因?yàn)槭艿綔囟?/span>、壓力、黏度、密度等因素的影響而難以達(dá)到標(biāo)稱

的測量準(zhǔn)確度, 改變了傳統(tǒng)高準(zhǔn)確度流量計(jì)依靠機(jī)械轉(zhuǎn)動和傳動來實(shí)現(xiàn)流量傳通的方法 。 所以質(zhì)量流量計(jì)在以質(zhì)量為単位的油品貿(mào)易結(jié)算、 石油、 石化企業(yè)內(nèi)部油n8的輸轉(zhuǎn)計(jì)量核算等方面得到廣泛應(yīng)用 。

質(zhì)量流量計(jì)的測量方法可分為間接和直接測量兩類 。 間接式測量方法通過測量體積流量和體積密度經(jīng)過計(jì)算得出質(zhì)量流量 。 直接式測量方法則Fl1檢測元件直接測量出流體的質(zhì)量流量 。 直接式質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號直接反映質(zhì)量流量, 主要有標(biāo)準(zhǔn)容積法和標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量法兩種形式。

標(biāo)準(zhǔn)容積法:液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置由水源、流量穩(wěn)壓裝置、試驗(yàn)管道、切換機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量容器等組成。標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量容器經(jīng)過精確標(biāo)定, 其容器精度可達(dá)萬分之幾, 有各種不同的容器可根據(jù)流量范圍需要選用 。

標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量法: 液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是以電子秤代替標(biāo)準(zhǔn)容器作為標(biāo)準(zhǔn)器, 用稱量一定時間內(nèi)流入容器的流體總量的方法,來求出被測流體的流量。電子秤的準(zhǔn)確度較高,標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量法的流量測量準(zhǔn)確度可達(dá)±o.1%。質(zhì)量流量法可用下式表示:

工業(yè)發(fā)達(dá)國家大流量測量多采用質(zhì)量流量法,只要將大型液罐置于三個稱重傳感器組成的環(huán)型電子秤上(實(shí)為大型液罐電子秤) ,準(zhǔn)確測量出其質(zhì)量和時間,即可求得流量。

三、 稱重傳感器技術(shù)用于動態(tài)稱重法液體流量測量及校驗(yàn)裝置

動態(tài)稱重法液體流量測量及校驗(yàn)裝置, 即利用應(yīng)變式稱重傳感器采用動態(tài)稱重法的液體流量測量方法及流量測量與校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置 。 國內(nèi)外通常將流量測量及校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝置分為容積型和稱重型兩大類 。

根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)局(NBs)、英國工程研究所(NEL)和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(Iso)的權(quán)威性見解,稱重法是精度最高的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。稱重法的特點(diǎn)是:直接提供質(zhì)量流量值,還可給出產(chǎn)品計(jì)價(jià);不受介質(zhì)、環(huán)境溫度變化以及介質(zhì)黏附容器壁面的影響,具有較高的保持使用精度的能力。美國標(biāo)準(zhǔn)局四套液體流量的主標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(水和碳化氫各兩套)全部采用稱重法,其中大流量采用靜態(tài)稱重法,中、小流量采用動態(tài)稱重法。

動態(tài)稱重法液體流量測量及校驗(yàn)裝置,具有測量速度快、準(zhǔn)確度高、直接提供質(zhì)量流量、自動控制、操作簡便等特點(diǎn)。對各種使用介質(zhì)(包括大黏度、易揮發(fā)、腐i蟲性強(qiáng)、有毒、高溫、低溫等)的流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定和現(xiàn)場校驗(yàn),短時間工作時也可以直接作為流量測量用。流量范圍o.5 ~ 2okg/ s,校驗(yàn)最短時間為4os,準(zhǔn)確度±o.1% (對常溫介質(zhì)) 。此類裝置還可以作為液體定量分裝和配料之用,分裝準(zhǔn)確度±o.1%,有效分裝時間小于1分鐘。從發(fā)展方向看,容積型向稱重型過渡是一種發(fā)展趨勢。

提高流量計(jì)量精度對經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義, 特別是在能源日益緊缺的當(dāng)今世界更是如此。 為了滿足各種各樣的要求, 人們研制出各種流量計(jì), 有的已具備較高的計(jì)量性能, 但幾乎所有流量計(jì)都要經(jīng)過標(biāo)定才能提供準(zhǔn)確的計(jì)量性能數(shù)據(jù),而出廠標(biāo)定通常都是以水作為介質(zhì)。在現(xiàn)場使用時, 由于管道內(nèi)流場和介質(zhì)物理性能(特別是黏度、密度)的變化,其標(biāo)定特性將發(fā)生變化,影響流量測量準(zhǔn)確度。因此對重要的、要求測量準(zhǔn)確度高的場合, 必須用高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)或校準(zhǔn)裝置對流量計(jì)逐個進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn), 以消除組大的系統(tǒng)誤差。 沒有這種現(xiàn)場(在線)實(shí)液校驗(yàn),即使要取得±2%的計(jì)量準(zhǔn)確度也不是輕而易舉的。用稱重法現(xiàn)場校準(zhǔn)容基只型、速度型流量計(jì),不會因?yàn)?/span>質(zhì)量流量換算容積流量時,需要除以密度而帶來附加誤差,恰恰相反,是抵消了密度測量的絕對誤差,因為與前者用同一密度計(jì)測量密度。上述所指的重要場合,主要是:

①火箭發(fā)動機(jī)、 飛機(jī)發(fā)動機(jī)試車臺及燃料加注系統(tǒng);

②較大口徑輸油管線;

③石油鉆井場、原油集中處理站;

④其它重要液體流量測量系統(tǒng)等。

動態(tài)稱重法液體流量測量裝置既不是采用傳統(tǒng)的靜態(tài)稱重法, 也不是普通的絕對動態(tài)稱重法, 而是計(jì)量原理更為先進(jìn)的動態(tài)邊界法。其獨(dú)特之處是用應(yīng)變式稱重傳感器作為稱重元件,鑒幅器(比較器) 一計(jì)時系統(tǒng)為測量裝置。該流量測量裝置由支架、稱重傳感器、儲存容器、標(biāo)準(zhǔn)砝碼、電磁閥、手動間、被校流量計(jì)等組成,其動態(tài)稱重法液體流量測量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖如圖1所示。

儲存容器通過應(yīng)變式稱重傳感器懸吊在支架下,容器下部配備一組標(biāo)準(zhǔn)石去碼,砝碼的加卸由氣缸完成。校驗(yàn)時通過給容器增加壓力,多用空氣或氮?dú)舛挂后w從容器中流出,并流經(jīng)被校驗(yàn)流量計(jì)。容器通過底部的三根彈簧片(實(shí)為水平力抑制器)定位于鉛直位置,不至于因外界影響而發(fā)生揺擺。在主管道上裝有波紋管、被校流量計(jì)和間門。 動態(tài)稱重法液體流量測量及校驗(yàn)裝置的工作原理如圖2所示。

校驗(yàn)前,向容器內(nèi)加注介質(zhì)并存放一段時間,相當(dāng)于圖2中的1-2,從2開始打開間門,液體開始流出(對應(yīng)的時間為,o) ,增壓氣體不斷補(bǔ)充。由于前幾秒鐘流場通常不穩(wěn)定,不能作為校驗(yàn)之用,當(dāng)容器及液體重量下降到一定的預(yù)設(shè)值時,即圖2中的第3點(diǎn)(對應(yīng)時間為 ,, ) ,鑒幅器動作, 自動起動計(jì)時系統(tǒng),校驗(yàn)過程開始, 記錄被校流量計(jì)示值。在其后的某一時刻(圖2中第4點(diǎn)) ,排掉氣缸內(nèi)的氣體,標(biāo)準(zhǔn)砝碼自動加載,稱重傳感器感受的重量急劇增加, 即圖2中的4-5,之后由于液體不斷流出容器的重量重新下降, 當(dāng)再一次下降到預(yù)設(shè)值時,鑒幅器再次動作,停止記時(對應(yīng)時間為,2) ,記錄被校流量計(jì)的示值。可以很容易證明從,,-,2時間流出的液體重量正好等于所施加的標(biāo)準(zhǔn)砝碼重量, 再加上注入到容器內(nèi)的增壓氣體量, 校驗(yàn)過程的平均重量流量為: 

式中 N為△ ,時間間隔內(nèi)流量計(jì)輸出信號的累計(jì)值。將 G同 x進(jìn)行比較, x即可完成對被校流量計(jì)的校驗(yàn)。

這樣對于既定的標(biāo)準(zhǔn)砝碼,流量測量問題基本上就變成了時間測量問題。眾所周知,標(biāo)準(zhǔn)砝碼的準(zhǔn)確度標(biāo)定得很高(±5x1o-5) ,時間測量更可以達(dá)到很高的準(zhǔn)確度,因此動態(tài)稱重法液體流量測量及校驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確度可以達(dá)到很高的等級 。

四、 稱重傳感器技術(shù)用于高鐵列車車輪踏面在線檢測

隨著我國客運(yùn)、貨運(yùn)列車不斷提速,車輛運(yùn)行的安全問題已成為廣大旅客和各級鐵路營運(yùn)主管部門最關(guān)心

的問題, 其中車輛運(yùn)行中的安全檢測問題尤為突出 。 火車高速行駛中的突然剎車, 會使車輪的某一柱面因滑行而磨損,產(chǎn)生多處“平坦”部位,運(yùn)行中就容易在“平坦”部位再次引起滑行和對銅軌反復(fù)沖擊,不但產(chǎn)生振動噪聲使乘客感覺不舒服,而且影響車輛使用壽命。近年來,鐵路車輛采用自動控制技術(shù)高速行駛后,車輪產(chǎn)生扁平現(xiàn)象對車輛運(yùn)行安全影響更大, 已成為鐵路車輛高速運(yùn)行的一大難題, 所以必須對運(yùn)行列車的所有車輪進(jìn)行監(jiān)測,把不符合運(yùn)行要求的車輪更換下來,以保證高速運(yùn)行列車的安全性。

車輪在銅軌上面滾動,與軌面接觸的部位稱為車輪踏面。列車在高速行駛過程中,車輪不斷的與鋼軌面摩擦造成車輪踏面磨損,使車輪直徑減小;在轉(zhuǎn)彎與剎車時,車輪與鋼軌面的相對滑動等因素造成的擦傷,將對車輪產(chǎn)生許多不良影響 。 因為輪緣形狀對車輛運(yùn)行穩(wěn)定性與乘客舒適度影響極大, 當(dāng)帶有踏面擦傷的車輛在線路上運(yùn)行時,會產(chǎn)生附加的輪軌沖擊力,其大小隨擦傷長度、深度、列車行駛速度不同而變化,最大可以達(dá)到車輪靜載荷的幾倍到幾十倍, 并隨著車輪的滾動周期性的作用于軌道和車輛系統(tǒng), 是引起輪軸、 鋼軌和軌枕斷裂不可忽視的重要因素, 嚴(yán)重影響列車與軌道設(shè)施的安全和使用壽命。

對車輪的輪緣各部位尺寸進(jìn)行測量是保證列車運(yùn)行安全的重要手段, 其中輪緣幾何尺寸 (輪緣的高度、 寬度)在線自動檢測系統(tǒng), 是自動安全檢測項(xiàng)目的一個重要組成部分。輪緣幾何尺寸的基準(zhǔn)值鐵道部有明確規(guī)定, 并要求定期下線檢測。 因此, 輪緣幾何尺寸在線檢測系統(tǒng)對提高測量檢修效率和檢測準(zhǔn)確度、 延長運(yùn)行周期、實(shí)現(xiàn)列車安全檢測自動化至關(guān)重要。 由于踏面損傷的車輪, 其輪緣踏面的幾何曲線對標(biāo)準(zhǔn)曲線而言有所改變。 因此可以通過檢測車輪幾何參數(shù)或踏面斷面形狀來了解踏面的損傷程度。車輪踏面損傷檢測技術(shù)主要有靜態(tài)和動態(tài)檢測兩種方法 。

靜態(tài)檢測法:是指在列車靜止(如檢修)時進(jìn)行檢測。其特點(diǎn)是輪緣幾何尺寸測量精度高,但測量過程復(fù)雜, 勞動強(qiáng)度較大且占用車輛周轉(zhuǎn)時間 。 靜態(tài)檢測法多是通過傳感器探頭沿車輪寬度方向掃描來獲得踏面數(shù)據(jù), 或是通過激光掃描踏面而獲得踏面斷面曲線, 利用攝像技術(shù)獲取數(shù)據(jù) 。

動態(tài)檢測法:是指在列車運(yùn)行中進(jìn)行檢測。其特點(diǎn)是自動化程度高,不占用車輛周轉(zhuǎn)時間,檢測效率高。 一般多采用車載式和地面式兩種檢測方法。車載式檢測法是通過檢測車軸振動的加速度來間接獲得踏面形狀參數(shù),需要在每一根車軸上安裝傳感器,測量技術(shù)復(fù)雜且成本高,因此應(yīng)用較少。地面式測試法是在線路上安裝車輪外形檢測系統(tǒng),以檢測運(yùn)行中的機(jī)車車輛。動態(tài)檢測多通過稱重軌、低通濾波器、記錄器、示波器等自動記錄各車輪的輪重波形和不圓度狀態(tài)。具體檢測方法有利用稱重軌測量車輪形態(tài)(不圓狀態(tài))的檢測裝置;或直接在線路鋼軌上粘貼剪切型電阻應(yīng)變計(jì)形成多段稱重軌, 對火車車輪形態(tài)的自動在線檢測系統(tǒng)。

車輪形態(tài)自動在線檢測系統(tǒng), 是采用剪切式稱重軌的原理, 將剪切式電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在鋼軌的腹板上, 利用的是車輪壓在鋼軌上產(chǎn)生的剪應(yīng)力。眾所周知, 剪應(yīng)力是不能測量的, 但剪應(yīng)力產(chǎn)生的相互成45°方向的正負(fù)主應(yīng)力是可以測量的。通常在一條25米長的軌道中央部分,在車輪一周的區(qū)間內(nèi)(約3米左右)粘貼4組剪切型電阻應(yīng)變計(jì),共設(shè)置3段這樣的稱重軌道。通過測量儀表檢測車輪使鋼軌產(chǎn)生的45°方向上的拉、圧主應(yīng)變。當(dāng)車輪通過銅軌的檢測段時,制軌產(chǎn)生剪切變形,利用稱重軌動態(tài)稱重法求輪重,把輪重波形通過低通濾波器與車輪平坦沖擊波形分高, 從重迭于輪重波形的沖擊成分判斷車輪不圓度狀態(tài), 發(fā)現(xiàn)有異狀車輪的車輛, 并打印出車輪異常的程度, 為車輪的更換提供依據(jù) 。 只要儀表檢測系統(tǒng)配備相應(yīng)的磁帶記錄器和電磁示波器,則當(dāng)高速列車通過鋼軌檢測段時, 就會自動記錄各車輪的輪重波形。 其高速列車車輪形態(tài)在線檢測系統(tǒng)如圖3 所示。

車輪形態(tài)自動在線檢測系統(tǒng), 在一條銅軌上連續(xù)設(shè)置三個測量段的目的是提高車輪形態(tài)檢測精度, 為車輪更換提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。 其車輪形態(tài)自動在線檢測系統(tǒng)方案示意圖, 如圖4所示。

五、稱重傳感器技術(shù)用于飛行器、旋轉(zhuǎn)物體重心測量

為保證飛行安全,運(yùn)載火箭、宇宙飛船、各型飛機(jī)都必須進(jìn)行稱重計(jì)量和重心測量。工業(yè)領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)物體, 為使其旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定必須對其縱向、橫向重心進(jìn)行測量,以利配重,消除其附加轉(zhuǎn)矩或力矩影響。國內(nèi)外均根據(jù)稱重法力矩平衡原理來測量物體的重心, 多采用等邊三角形、 等腰三角形設(shè)置稱重傳感器測量點(diǎn) 。

1.物體測量重心的方法

測量物體重心時,稱重傳感器可按等邊三角形或等腰三角形三點(diǎn)安裝,主要有兩種方法:

吊掛式:采用拉向稱重傳感器,通過拉桿和關(guān)節(jié)軸承接頭將被測量物體吊掛于剛度較大的銅架上,多用于測量小型物體的重心。

承壓式:采用壓向稱重傳感器,為使每個測量點(diǎn)都有足夠的支撐物體的面積,多將稱重傳感器并聯(lián)共同支撐一個承載平臺,三個測量點(diǎn)實(shí)為三臺電子平臺秤,多用于測量中、大型物體的重心。

2.物體測量重心的要點(diǎn)

由于測量重心的物體大小不等形狀各異, 正確選擇吊掛或支撐點(diǎn)的位置、 采用科學(xué)合理的吊掛或支撐方式, 對保證重心測量準(zhǔn)確度至關(guān)重要。為此,應(yīng)盡量保證以下各項(xiàng)要求:

①物體測量重心用的稱重傳感器,其技術(shù)性能應(yīng)達(dá)到 GB/ T7551-2o08 ?稱重傳感器?國家標(biāo)準(zhǔn)中 c3 級各項(xiàng)計(jì)量性能的要求。

②測量中、大型物體重心選用三個平臺式支撐時,其每個平臺支撐實(shí)為一臺電子平臺秤,其最大允許誤差應(yīng)符合IJG555-1996非自動秤通用檢定規(guī)程 III級的要求。

③無論是釆用吊掛或支撐方式, 稱重傳感器的位置應(yīng)符合測量精度要求, 使得在引起誤差的主要因素中, 排除稱重傳感器平面分布影響 。

④以被測量重心物體產(chǎn)生的作用力 P1、 P2、 P3的連線YP和 xP軸,作為重量和重心平面軸, 即稱重傳感器系統(tǒng)中被測物體的表觀重心 。

⑤被測量重心的物體率由線(z軸)與稱重傳感器等邊三角形(或等腰三角形)的形心重合。被測物體坐標(biāo)定義為x、 Y。

物體重心測量原理及稱重傳感器位置分布,如圖5所示。

六、 稱重傳感器技術(shù)用于冷軋機(jī)軋制鋼帶的拉力在線測量

國內(nèi)某鋼鐵公司帶年図廠在對1oo,冷軋機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造時, 提出了采用應(yīng)變式測力傳感器測量銅帶在軋制過程中的縱向拉力。通過對冷軋機(jī)軋制鋼帶的力學(xué)分析,鋼帶在軋制過程中主要受到三個力的作用, 一對是冷軋機(jī)上下軋輥施加的橫向壓力,即軋制力; 一個是由卷筒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的縱向拉力。此拉力的大小不僅是影響制帶軋制質(zhì)量的主要因素, 而且是冷軋機(jī)安全生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié), 需要在銅帶軋制過程中嚴(yán)格控制與監(jiān)測。 鋼帶在軋制過程中的受力簡圖如圖6所示。

圖6鋼帶在軋制過程中的受力簡圖,,由圖7可以看出,卷筒的旋轉(zhuǎn)使制帶在拉力作用下,經(jīng)過上下軋規(guī)被軋制成一定的厚度。 由于制帶軋制過程是連續(xù)的,所以鋼帶上的拉力無法直接測量。通過對卷筒的受力分析不難看出,由于卷筒和同定滾筒之間的距離較遠(yuǎn), 可以認(rèn)為固定滾筒所受銅帶壓力的合力 Q的方向是不變的。再把合力 Q分解成垂直分力 Q1和水平分力 Q2,通過測量垂直分力 Q1的力值,并經(jīng)過一定的換算就可以計(jì)算出鋼帶的拉力 F。鋼帶受力簡圖如圖7所示。

F即為冷軋機(jī)在軋制過程中鋼帶所受的縱向拉力, 由于是現(xiàn)場測試, 力值測量準(zhǔn)確度要求不高, 1%左右的近似值是允許的 。

為盡量減少鋼帶縱向拉力的測量誤差,可以利用準(zhǔn)確度較高的懸臂剪切梁測力傳感器,并在兩側(cè)加工出柔性梁形成整體箱式期生元件結(jié)構(gòu), 兩個柔性梁在固定滾筒承力方向非常剛硬, 而在銅帶承受拉力方向又非常柔軟, 不限制剪切應(yīng)變梁水平變形, 將其安裝在軸承座上即可測量鋼帶拉力的大小。 與正常使用的懸臂梁稱重傳感器邊界固定方式不同,根部固定在面基只較大的承載面上,盡量接近剛性固定,保證彈性元件應(yīng)變區(qū)為純剪切應(yīng)力狀態(tài)。這種彈性元件的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡単緊湊、外形低穩(wěn)定性好;剪切應(yīng)變梁在兩個柔性梁之間得到很好的保護(hù), 杭側(cè)向力、 彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩能力強(qiáng); 應(yīng)變梁承受剪應(yīng)力受載后應(yīng)變區(qū)無面積變化, 固有線性好; 便于安裝過載保護(hù)裝置等。因此,這種測力傳感器的計(jì)量性能非常優(yōu)秀,靈敏度為2mv/ v;非線性、滯后、重復(fù)性誤差均優(yōu)于0.02%FS; 更需變0.02%FS/ 30min;零點(diǎn)漂移0.02%FS/ 2h。經(jīng)過對此種結(jié)構(gòu)測力傳感器進(jìn)行中心和一側(cè)加載的側(cè)向力試驗(yàn), 對輸出的影響只有 o.4%, 說明具有良好的抗側(cè)向力能力。其銅帶縱向拉力測量用剪切式測力傳感器如圖8所示, 與軸承座安裝示意圖如圖9所示。

七、 稱重傳感器技術(shù)用于鐵路公路隧道施工與驗(yàn)收安全性檢測評定

1.稱重傳感器技術(shù)用于地鐵施工安全監(jiān)測

地鐵施工通過地面道路、建筑物時,除了事先必須制定周密的施工方案外,還必須應(yīng)用各種傳感器和檢測儀表監(jiān)控地下施工過程中可能產(chǎn)生的影響, 以保證地下施工和地面道路與建筑物的安全 。

地鐵施工的監(jiān)控方法和手段是:在地面的廊柱或建筑物頂部,安裝應(yīng)變式傾斜傳感器,以檢測地下施工對地面建筑物的影響 。 地鐵隧道在施工過程中崩塌會直接威脅施工人員的生命和地面道路和建筑物的安全, 為此必須在隧道拱墻的拱頂部上,用長鋪螺性與地層緊固,鋪螺性頭部安裝一只5o~ 1oo,載荷傳感器, 一般多采用8只錨螺、栓即安裝8只載荷傳感器,以檢測施工土層的圧力,隨時掌握土層的圧力變化狀態(tài),保證地下施工和地面道路與建筑物的安全 。

2.稱重傳感器技術(shù)用于鐵路公路隧道施工與驗(yàn)收安全性檢測評定

鐵路、公路建設(shè)離不開隨道施工,有的隧道長達(dá)幾公里甚至十幾公里,施工規(guī)模大,地質(zhì)條件復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,加之龐大的地壓力,使其成為最困難的工程。鐵路、公路隧道施工過程中的安全監(jiān)測,施工后的安全性驗(yàn)收、 評估, 長期使用中的地圧力監(jiān)測是保證隧道牢固可靠、 車輛暢通無阻至關(guān)重要的一環(huán)。

國際上工業(yè)發(fā)達(dá)國家提供的資料表明, 隨道在施工和使用過程中, 沿隨道長度方向一定距離的2個橫截面上,進(jìn)行測試和監(jiān)測,可以收到較好的測量結(jié)果。其檢測項(xiàng)目為:將電阻應(yīng)變計(jì)粘貼在鋼制拱架上測量拱的支持應(yīng)力;用制筋應(yīng)力計(jì)和土壓計(jì)測量混凝土的應(yīng)力;將應(yīng)變式載荷傳感器安裝在拱架兩端測量拱的支反力;用地中位移計(jì)測量山體的位移; 用斷面位移計(jì)測量山體斷面位移 。

上述測量點(diǎn)合計(jì)18o個左右,可以對地層的狀態(tài)和動向得到清楚的解析。一般,在粘貼各種電阻應(yīng)變計(jì)和安裝各種傳感器初期,每日測量兩次即可;工程全部完成后,每日測量1次即可;其后每2兩天測量1次,共計(jì)測量18o天。其電阻應(yīng)變計(jì)、載荷傳感器安裝位置如圖1o所示。

八、 稱重傳感器技術(shù)在土建工程領(lǐng)域的應(yīng)用

土建工程狀態(tài)復(fù)雜, 土壓力、土載荷測量是土建工程試驗(yàn)研究的一個基本環(huán)節(jié), 是工程測試中的重要內(nèi)容。 除在特定條件下可以通過測量土體支撐結(jié)構(gòu)的變形來換算土壓力外, 一般多采用土圧傳感器直接測量 。 通過對土壓力的長期觀測,了解和評價(jià)結(jié)構(gòu)物的工作狀態(tài);驗(yàn)證應(yīng)力分布理論;檢算假設(shè)前提和計(jì)算公式的可靠程度, 以提供設(shè)計(jì)依據(jù) 。

土壓力、土載荷傳感器的研制和使用,在國內(nèi)已有幾十年歷史,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,主要有:公路路基、擋土墻檢測與監(jiān)測;地鐵工程地下結(jié)構(gòu)測試,隧道地層壓力檢測、崩塌監(jiān)測。在隧道拱墻的拱頂上,用多個安裝有測力傳感器的長鋪螺性與地層緊固,檢測土層的圧力變化。土圧力、土載荷傳感器與應(yīng)變式稱重傳感器的原理相同,制造工藝相通,主要應(yīng)用范圍有:大型水壩的監(jiān)測,分層埋設(shè)溫度和混凝土收縮應(yīng)力傳感器;山體滑坡監(jiān)測,在山坡下理設(shè)多個土圧力、角位移和液位傳感器;大型建筑物、高層樓房地基監(jiān)測,沿直線以一定距離理設(shè)土壓力和位移傳感器。

土壓力、 土載荷傳感器的結(jié)構(gòu)與圓板式、 碟式、 箱式稱重傳感器極其相似, 但由于土層條件復(fù)雜, 影響因素較多,有一定研發(fā)難度。設(shè)計(jì)土壓力、土載荷傳感器,必須將土木工程技術(shù)與稱重傳感器技術(shù)相結(jié)合。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造時, 應(yīng)盡量做到:

①土壓力傳感器盡量接近土介質(zhì)的變形特性;

②彈性元件結(jié)構(gòu)形狀和尺寸力求科學(xué)合理;

③傳感器承壓表面的變形盡量做到均勻;

④通過試驗(yàn)找到最佳埋設(shè)方法 。

設(shè)計(jì)應(yīng)變式土圧力、土載荷傳感器的理論依據(jù), 主要是俄羅斯學(xué)者巴拉諾夫建立的土圧力傳感器設(shè)計(jì)理論, 采取如下假設(shè):

①土介質(zhì)是線性變形體, 不能承受拉伸應(yīng)力;

②傳感器是圓柱形, 在壓力作用下工作面假定為平面平行移動;

③傳感器變形與其尺寸相比極小;

④由于傳感器通常比土堅(jiān)硬, 因此彈性元件變形是由其自由的受壓產(chǎn)生的;

⑤討論一個無限大的土體,在它上面作用均勻分布的壓力,傳感器工作面與此壓力作用面相平行。

九、 稱重傳感器技術(shù)用于輸電鐵塔和大型鋼制桁架風(fēng)壓、 風(fēng)載監(jiān)測

隨著我國電力部門輸電電壓的不斷升高, 輸電鐵塔日造大型化, 這就為輸電鐵塔的設(shè)計(jì)和建設(shè)提出了如何保證在強(qiáng)風(fēng)作用時的安全性問題。特別是沿海地區(qū)已有多次在臺鳳作用下輸電鐵塔損壞事故。為此必須對輸電鐵塔受風(fēng)載作用時的風(fēng)壓、 風(fēng)速、 變形以及風(fēng)壓一應(yīng)變曲線進(jìn)行測量, 以便為輸電鐵塔設(shè)計(jì)與建設(shè)提供依據(jù) 。 高層樓房建設(shè)用的塔式吊車也屬于鋼制桁架結(jié)構(gòu), 為保證施工安全其起吊的臂長與安全載荷和受風(fēng)載作用產(chǎn)生的變形都應(yīng)時時進(jìn)行監(jiān)測 。

傳統(tǒng)的測量方法是用風(fēng)速計(jì)進(jìn)行監(jiān)測,由于風(fēng)速計(jì)機(jī)械上固有的慣性,不能及時響應(yīng),且風(fēng)壓與風(fēng)速不成簡単的線性關(guān)系,測量誤差較大,理藏著事故隱患。

國際上多用微壓傳感器測量鐵塔和制制桁架上部的實(shí)際風(fēng)壓; 在鐵塔和銅制桁架的上方粘貼電阻應(yīng)變計(jì), 測量各部件的應(yīng)變以監(jiān)控應(yīng)力變化情況; 或在鐵塔和鋼制桁架上點(diǎn)焊薄片式載荷傳感器, 監(jiān)測風(fēng)載影響 。

盡管鳳壓力傳感器與稱重傳感器的結(jié)構(gòu)不同,但是原理和制造工藝相通。風(fēng)壓力直接作用在傳感器的膜片上, 膜片產(chǎn)生與風(fēng)圧力成正比的微位移, 使粘貼在膜片上的電阻應(yīng)變計(jì)的電阻發(fā)生變化, 利用惠斯通電橋電路測量這一輸出變化, 并將此輸出轉(zhuǎn)換為對應(yīng)這一風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)信號, 這是應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)的 。

十、 稱重傳感器技術(shù)在生物力學(xué)中的應(yīng)用

目前,應(yīng)變式稱重傳感器主要應(yīng)用于醫(yī)院的病床秤、輪椅秤,生物力學(xué)應(yīng)用的測力與稱重傳感器與其有較大差別,主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)外形小且復(fù)雜、制造工藝難度較大,應(yīng)用范圍廣,銷售價(jià)格高。目前,生物力學(xué)測力與稱重傳感器的主要應(yīng)用方向是:

①脊柱側(cè)凸臨床治療嬌正器拉、 壓力測量;

②中醫(yī)推拿三分量測力儀;

③假肢的力學(xué)參數(shù)測量,要求在行走過程中進(jìn)行測試,必須采用無線測力傳感器。

④牙齒咬合力測量, 多用小槌形結(jié)構(gòu)的彈性元件。

十一、 稱重傳感器技術(shù)在其它領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例

1.汽車檢測領(lǐng)域用的特殊力傳感器主要有:換擋推拉手柄力傳感器;車窗調(diào)節(jié)力傳感器; 登加安裝在汽車踏腳板上的力傳感器;手剎車操作力傳感器;座椅變位控制桿操作力傳感器;活塞環(huán)拉力傳感器等。

2.帶云梯救火車最大伸出長度的最大負(fù)荷測量和傾翻力矩測量用載荷傳感器;噴水反力測量和最大噴水時的彎曲應(yīng)力測量用力傳感器;云悌最大載重監(jiān)測用載荷傳感器等。

3.輪船船鋪、海岸邊平臺拴住力測量,多用焊接密封的大量程圓筒式測力傳感器。

4.船側(cè)向撞擊力測量,實(shí)為側(cè)向安裝的電子平臺秤,應(yīng)用焊接密封的大量程圓柱式稱重傳感器。

5.大型水壩、受力狀況監(jiān)控用鋼筋力傳感器、裂紋檢測用位移傳感器等。

6.車輛智能管理系統(tǒng),主要是測量輪重、輪組重、整車重、車型識別、車流量等,應(yīng)用長條形結(jié)構(gòu)整體剪切梁式稱重傳感器。

7. 大跨度橋梁斜拉制索拉力檢測與監(jiān)測, 應(yīng)用焊接密封的圓筒型拉式測力傳感器, 要求進(jìn)行6個月長期穩(wěn)定性測試。

8.汽車檢測線二分力測量臺,實(shí)為測量汽車軸載荷和水平載荷的二分力稱重板。

9.各種電子車載秤用稱重傳感器、多采用雙剪切梁型彈性元件、應(yīng)變式撓度型彈性元件。

1o.高層樓房建筑地基打樁機(jī)的打樁沖擊力測量,應(yīng)用低外形墊圈式測力傳感器。

1 1  小轎車立體停車場車輛管理、 監(jiān)控用拉式或壓式稱重傳感器。

12.機(jī)器人內(nèi)部關(guān)節(jié)的位置、運(yùn)行速度和力覺檢測用電阻應(yīng)變式力傳感器和位移傳感器。

1 3  混凝土攪拌機(jī)和配料系統(tǒng)的物料控制與稱重計(jì)量用焊接密封圓板式稱重傳感器 。

14.材料試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)、動態(tài)力測量,采用拉伸、圧縮兩用測力傳感器,要求長期穩(wěn)定性好。

15.石油t占井轉(zhuǎn)盤組矩測量、大鉤負(fù)荷t占壓向力測量、大t甘組矩測量、下井儀器電纜張力測量等,應(yīng)用各種測力傳感器。

16.組合件生產(chǎn)加力過程中力值測量,例如壓力加工中的軸承、軸套、軸銷等加壓力測量。

17.攪拌器的轉(zhuǎn)動力炬測量,采用測量驅(qū)動馬達(dá)的反作用扭矩的方法,替代測量轉(zhuǎn)動力矩。

18.高層樓房電本弟超負(fù)荷測量、監(jiān)控、報(bào)警用稱重傳感器,主要有帶減震墊的圧向稱重傳感器、安裝在鋼絲繩或鋼帶上測量拉力的兩端固支的剪切梁型稱重傳感器等。

十二、結(jié)束語.

自從2o世紀(jì)4o年代初期, 電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器( 2o世紀(jì)8o年代中期分為用于質(zhì)量測量的稱重傳感器和用于力值計(jì)量的測力傳感器)問世以來,經(jīng)過種種改進(jìn)和創(chuàng)新,目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、性能檢測和應(yīng)用技術(shù)都達(dá)到了較高的水平,今后稱重傳感器技術(shù)將向著“加強(qiáng)基石出、擴(kuò)大應(yīng)用”兩個方向發(fā)展。其一是隨著物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展和“工業(yè)4.o”、  “中國制造2o25”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施,對處于信息感知層的稱重傳感器提出了便攜、節(jié)能、環(huán)保,同時具有微型化、智能化、非接觸測量和低外形、低功耗、低成本等新要求, 這將促使一部分稱重傳感器產(chǎn)品由傳統(tǒng)型向全新型轉(zhuǎn)型發(fā)展。 它不僅促進(jìn)傳統(tǒng)稱重傳感器產(chǎn)業(yè)的加速改造, 而且可導(dǎo)致建立新型多元化的稱重傳感器企業(yè)模式, 將是一個新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn) 。 其二是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動化、 智能化水平的提高, 各工礦企業(yè)智能制造和數(shù)字化工廠的需求, 為稱重傳感器技術(shù)向相關(guān)領(lǐng)域擴(kuò)散創(chuàng)造了條件 。 可以預(yù)期稱重傳感器技術(shù)在非衡器工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛、 更加深入, 一定會取得新的應(yīng)用成果 。 稱重傳感器技術(shù)向非衡器工業(yè)領(lǐng)域滲透的發(fā)展方向, 值得國內(nèi)稱重傳感器研究與制造企業(yè)給予高度重視。