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怎么選擇正確的地磅傳感器
本文敘述了在動態(tài)地磅設(shè)計中的傳感器的選擇設(shè)計，這在其設(shè)計工作中是至關(guān) 重要的。在充分了解地磅的力學(xué)狀態(tài)和工作環(huán)境及傳感器的技術(shù)性能的基礎(chǔ)上，從傳感器的機 理和內(nèi)在指標上來選擇，以此從根本上保證地磅的主要技術(shù)指標、計量精度、使用壽命。以避免 更改設(shè)計或頻繁更換傳感器，將核心裝置傳感器視為易損件。
在我國常用的動態(tài)地磅有動態(tài)軌道衡、動 態(tài)汽車衡和動態(tài)軸重儀，它們或者作為大宗物料計 量的結(jié)算依據(jù)，或者作為鐵路、公路限載的檢測裝 置。應(yīng)用數(shù)量大，行業(yè)范圍廣。而其中作為地磅的核 心?傳感器的選擇卻至關(guān)重要，合理地選擇傳感 器是動態(tài)地磅準確可靠測量的基礎(chǔ)，也是保證地磅穩(wěn)定性和使用壽命的基礎(chǔ)。因此，必須選好、用好傳 感器，做好傳感器的選擇設(shè)計工作。
、動態(tài)車輛的載荷作用狀況
動態(tài)車輛在路基上運行是個復(fù)雜的車輛動力 學(xué)問題。如鐵路車輛在鐵軌上的運動，汽車在公路上 的運行，它們對路基的作用力除了質(zhì)量產(chǎn)生的重力 外，還有其多維振動而產(chǎn)生的附加力，其方向多維， 而大小隨機，作為地磅是不需要這些不良數(shù)據(jù)的。因 此，設(shè)計者們力圖千方百計地排除這些不良數(shù)據(jù)。為 此，設(shè)計者在線路設(shè)計上充分考慮其平整度，設(shè)計了 又平又直的線路，并通過精心施工得以實現(xiàn)。避免了 線路路面坑坑洼洼和曲曲彎彎所至車輛的多維振 動。盡管如此，車輛在定速度運動中仍有10%左 右的振動分量，而進入秤臺的過沖又常常大于上述 數(shù)值。為此既增加了動態(tài)稱量精度提高的難度，又減 少了衡器的使用壽命。而作為動態(tài)衡器中核心的 部件??傳感器，則要承受和傳感全部的力，并將其 如實轉(zhuǎn)換成電量傳遞至儀表。既然是動態(tài)稱量，車輛 的軸上的全部重量將在瞬間直接加到 先接觸的傳 感器上，使其承受額定質(zhì)量的瞬時沖擊，而不是緩慢 的從零到額定負荷的遞增加載。另外，作為動態(tài)衡器 是為了解決運輸效率和計量效率的，因此其過衡量 相對來說是載荷大而頻繁加載。為了提高運輸與計 量效率去提高車輛的計量速度，為此高速測量尤為 重要，除了對儀表有更多的要求之外，對傳感器的動 態(tài)響應(yīng)也有相應(yīng)的要求。
二、傳感器的選擇設(shè)計
1.傳感器結(jié)構(gòu)形式的選擇
常應(yīng)用在動態(tài)地磅的傳感器的結(jié)構(gòu)形式以柱式 為多，同時也有較大量的輪幅式、橋式、懸臂梁剪應(yīng) 力式等傳感器，這些結(jié)構(gòu)形式的傳感器在動態(tài)衡器 中都有成功的應(yīng)用范例，在綜合考慮秤體機械結(jié)構(gòu) 設(shè)計、限位裝置設(shè)計等合理的選擇傳感器的技術(shù)參 數(shù)及傳感器上下承壓件結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，則大部 分傳感器均可用于動態(tài)地磅，甚至包括拉式的和相 關(guān)性能較差的環(huán)式傳感器。
常用的柱式傳感器、剪應(yīng)力傳感器(輪幅式、橋 式、懸臂梁)各有其特點，柱式傳感器都是浮動安裝 的，上下為球面，以確保重力通過其軸線，克服其抗 側(cè)向力、抗偏載能力差的弊端。而剪應(yīng)力傳感器由于 抗側(cè)向力和抗偏載能力強，因此其彈性體則牢牢地 固定在底座上，而底座又牢牢地固定在混凝土基礎(chǔ) 上，保證了傳感器的相關(guān)技術(shù)指標，確保秤體結(jié)構(gòu)的 長期穩(wěn)定而免于維修。
傳感器的選擇關(guān)鍵在于額定載荷及靈敏度的 選擇!機械結(jié)構(gòu)"秤體)的確定!限位器的形式!傾翻 和穩(wěn)定度!高度上的附加力矩以及防水浸,安裝調(diào) 試和維護修理的便捷等因素。綜合以上多方面的因 素去考慮傳感器的結(jié)構(gòu)形式，而不是從傳感器的本 身結(jié)構(gòu)形式去否定很多傳感器，使其不能用于動態(tài)衡 器。應(yīng)該說大部分結(jié)構(gòu)形式的傳感器都適用于動態(tài)衡 器，只不過要綜合多方面因素來優(yōu)化設(shè)計與選擇。
2.從傳感器的靈敏度去選擇
傳感器的靈敏度是作為力電轉(zhuǎn)換裝置的核 心參數(shù)，靈敏度是惠更斯電橋中輸出與輸入的內(nèi)在 轉(zhuǎn)換系數(shù)。就某傳感器來說，電橋的輸出與輸入 傳輸比在載荷下具有固定不變的數(shù)值。而電 橋傳輸比又正比于彈性體應(yīng)變的大小，在儀表檢測 技術(shù)比較落后時，常常追求高靈敏度傳感器而彌補 儀表的分辨力不足，因此這也就成了動態(tài)衡器之大 忌。*，高靈敏度傳感器具有較低的過載能 力和較短的壽命，人們作了大量試驗證明了靈敏度 與傳感器疲勞壽命的關(guān)系，般靈敏度在3mv/v時 疲勞壽命在105~106左右，靈敏度在2mv/v時疲勞壽 命在106~107左右，而靈敏度在lmv/v以下時則疲勞 壽命在107以上。般傳感器的彈性體在額定載荷 下，其應(yīng)變計粘貼處的應(yīng)變值在1500!"左右，這對 動態(tài)衡器的傳感器來說，這樣的應(yīng)變值顯然偏大 了。應(yīng)該使應(yīng)變計的大應(yīng)變值控制在500~ 1000!"，這樣可使其疲勞壽命延長至107~108或更 高。然而通常稱重傳感器的靈敏度均為2mv/v，則可 視其標稱額定載荷的半按額定載荷去計算與設(shè) 計。如額定載荷為20噸的、靈敏度為2mv/v的傳感 器，可視為額定載荷為10噸的，靈敏度為1mv/v的 傳感器去參與設(shè)計選擇，只不過是將原有的3000 分度值的傳感器變成1500分度值。其它則無影響。 這樣可大大延長使用壽命和動載破壞幾率。近些年 來高分辨力、高位數(shù)儀表已履見不鮮，其核心技術(shù) 巳經(jīng)突破的情況下，采用低靈敏度傳感器巳成為可 能，同時也是動態(tài)衡器所必需。高靈敏度的傳感器 在不能保證動載疲勞壽命、沖擊載荷的使用狀況 下，則并不為優(yōu)勢，而低靈敏度、高線性、高分度值 才顯傳感器技術(shù)水平的高超。
3.傳感器的動態(tài)響應(yīng)
作為動態(tài)地磅，對傳感器的動態(tài)響應(yīng)速度有較 高的要求。動態(tài)響應(yīng)快的傳感器，可以使動態(tài)車輛 在高速下計量，并可以提高其動態(tài)計量精度，而電阻 應(yīng)變式傳感器正好具備了這種動態(tài)響應(yīng)快的特點， 電阻應(yīng)變式傳感器的核心是彈性體上的電阻應(yīng)變 計。它的轉(zhuǎn)換過程是重力使彈性體產(chǎn)生應(yīng)變，而彈性 體又使粘貼在彈性體上的應(yīng)變計產(chǎn)生應(yīng)變，而電阻 應(yīng)變計的應(yīng)變則使其電阻發(fā)生改變，則由此前組好 的惠更斯電橋輸出相對應(yīng)的電壓。在此過程中，重力 作用于彈性體時的重力波 先傳至彈性體上部，之 后進入應(yīng)變計粘貼區(qū)域，重力波通過彈性體傳至涂 層、應(yīng)變計基底至應(yīng)變柵，而由應(yīng)變柵轉(zhuǎn)換成電量傳 至儀表。其中重力的應(yīng)力波在金屬彈性體的傳播速 度為5000mm/ms，彈性體通過涂層、基底傳至應(yīng)變 柵的時間為0.2us，應(yīng)變柵般為10mm左右，傳播 時間約為2@，而且這種傳遞是彈性體通過應(yīng)變膠 強迫應(yīng)變柵跟隨彈性體應(yīng)變的。即使為10mm長的 應(yīng)變計的承受的應(yīng)力波也是從兩側(cè)向中間傳遞的， 這也就是說傳感器的核心轉(zhuǎn)換區(qū)域(彈性體貼應(yīng)變 計區(qū)域)的應(yīng)力波傳遞時間為1uS左右。那么應(yīng)力 波在彈性體其它部位的傳遞時間為未直接力電轉(zhuǎn)變 的無效時間，大約在10us左右，它的作用和車輪作 用于秤臺，重力波通過秤臺傳至傳感器樣均為無 效時間，就是說從車輪(力源)至秤臺全部途徑和傳 感器除應(yīng)變計粘貼處所經(jīng)途徑是樣的。相對來說 秤臺的尺寸和重力波傳遞距離則會遠遠大于傳感器 的距離，而秤臺設(shè)計又因車輛稱重的動態(tài)稱重的技 術(shù)要求而定，并不易縮短。從車輛的車輪到傳感器的 傳遞距離般在幾百毫米至幾米左右，這個距離正 是為了力的傳遞和分割應(yīng)稱車輛和不應(yīng)稱車輛的重 要尺寸。 因此從車輛作用于秤體到傳感器彈性體的 應(yīng)變計粘貼區(qū)外，并非真正的動態(tài)應(yīng)變的響應(yīng)時間， 只有在應(yīng)變計處完成力與電的轉(zhuǎn)換，動態(tài)應(yīng)變才能 得到“響應(yīng)”。而在應(yīng)變計處的應(yīng)力波傳遞時間只有 1us左右，則電阻應(yīng)變式傳感器的動態(tài)響應(yīng)時間完 全可以滿足動態(tài)衡器的要求，相比之下在動態(tài)地磅 的各個組成部分，傳感器的動態(tài)響應(yīng)速度不是薄弱 環(huán)節(jié)，瓶頸卻是稱重儀表，稱重儀表的核心為A/D 轉(zhuǎn)換器，其在高速轉(zhuǎn)換時，常常發(fā)生位數(shù)減少、分辨 力降低的現(xiàn)象。而稱重儀表的分辨力尚落后于傳感 器的感量，就是說再微小的重力作用于傳感器都會 有相應(yīng)的感量，都會有相應(yīng)的阻值變化，然而這些微 小變化常常制約于數(shù)字稱重儀表的分辨力。
作為動態(tài)衡器，人們更主要的應(yīng)該考慮的是車輛在秤臺上的有效運行時間，可以作為動態(tài)計量采 樣的時間，由此換算成的秤臺有效長度"這是動態(tài)地磅設(shè)計者 先要考慮的重要參數(shù)，在考慮好稱重 要求的前提下，選擇好稱量方式，再按車輛車型參 數(shù)，選擇較長的稱量段以滿足動態(tài)稱重的要求，以此 增加動態(tài)采樣時間，增加采樣次數(shù)，盡量提充分條 件為動態(tài)數(shù)據(jù)處理提可能和保證"總之，傳感器 的動態(tài)響應(yīng)速度是*于動態(tài)車輛衡器的動態(tài) 稱重要求的"
4.傳感器靈敏度的標準化
由于動態(tài)地磅傳感器的使用條件惡劣，常常使 傳感器在惡劣的力學(xué)和環(huán)境狀態(tài)下因各種原因損 壞。而從另外方面來說動態(tài)地磅，如動態(tài)軌道衡、 動態(tài)汽車衡、動態(tài)軸重儀的檢定工作是個受多方 面因素制約的龐雜工作，夸大的說是個系統(tǒng)工程， 并且受檢定部門全年檢定計劃和鐵路、公路運輸調(diào) 度計劃所限制，這些工作的難度使受檢部門感觸太 深。需生產(chǎn)部門、運輸部門、檢定機構(gòu)、計量部門的 統(tǒng)協(xié)調(diào)。為此為避開非檢定周期內(nèi)的檢定，使傳 感器靈敏度標準化保證互換性，保證互換后的計量 精度，成為動態(tài)衡器用戶所迫切要求的。傳感器的靈 敏度標準化應(yīng)控制在±0.1%以內(nèi)，如靈敏度為lmv/v 的傳感器應(yīng)為1±0.001mv/v，靈敏度為2mv/v的傳感 器應(yīng)為2±0.002mv/v，此時在更換傳感器時就保證了 動態(tài)地磅的精度。然而，對于傳感器依靠并聯(lián)組成 輸入輸出電路時，則只依靠靈敏度的致性還是遠 遠不夠的，同時要考慮輸入電阻和輸出電阻的標準 化，使其不影響傳感器的互換性。其輸入電阻和輸 出電阻的標準化程度在傳感器并聯(lián)電路中要求的基 礎(chǔ)上再提高倍，以確?；Q后的精度。
5.從傳感器的工作環(huán)境去選擇
動態(tài)地磅的傳感器工作環(huán)境是惡劣的，因此在 選擇上要力求傳感器有高的環(huán)境指標和高的電和力 的抗干擾性能，即防水、防塵、防雷電、電磁干擾、動 載竄動、溫差形變等。其中防水防塵可以按照IP等 體系去選擇，防雷電除外部采取措施外，傳感器本 身也應(yīng)有相應(yīng)的配置，至于傳感器因動載和摩擦力 所使傳感器的竄位(包括溫差影響0，則應(yīng)考慮傳感 器底座可允許水平移動的，或者上下為球面的自動 回位設(shè)計。
三、特殊傳感器的選擇
在動態(tài)車輛的地磅當中，隨著稱量和傳感器技 術(shù)的發(fā)展，些特殊傳感器涌入地磅，使傳感器和秤 體體化的方案多種多樣。軌道式傳感器、軌道貼 片式的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力傳感器、軌道墊板式傳感 器、軸銷嵌入式傳感器，汽車軸重儀中的形式多樣的 稱重板。這種方案的誕生，大大簡化了地磅的測量 系統(tǒng)，使機械構(gòu)造減至小，構(gòu)件減至少。并使不 采用混凝土基礎(chǔ)成為可能，使系統(tǒng)總體無論從總體 質(zhì)量到幾何尺寸均減至小。為此此種地磅巳經(jīng)廣 泛的應(yīng)用于動態(tài)軌道衡計量和公路上的動態(tài)汽車軸 計量。由于其特點明顯，選擇時有所側(cè)重。根據(jù)計量 工作的要求，著重于計量商業(yè)結(jié)算，還是生產(chǎn)工藝、 質(zhì)量控制、安全運輸、設(shè)備技術(shù)和路面承受能力要求 的計量精度。并根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運行速度、動 態(tài)稱量時間和能達到的計量精度去選擇特種稱重方 式的特殊傳感器。
1.軌道衡計量中的特種稱量方式即采用特殊傳 感器的種類很多，大部分為軌道與傳感器體化。 如長和短軌剪應(yīng)力傳感器、彎曲應(yīng)力軌道稱重橋、嵌 入式軸銷傳感器、軌道墊板式傳感器，以及結(jié)合軌道 墊板式傳感器與嵌入式軸銷傳感器的組合計量方 式。這些多種形式豐富了靜動態(tài)軌道衡計量而應(yīng)用 于常規(guī)尤其是特殊場合，使其機械結(jié)構(gòu)大限度的 簡化，總重量相當于原有秤體十分之以下，形體尺 寸也相應(yīng)減至小，也減少了相關(guān)設(shè)施。由于這樣 大刀闊斧的簡化，帶來了很多利于生產(chǎn)、利于安全、 利于施工的很多優(yōu)點， 先使線路基礎(chǔ)簡化，甚至可 以無基礎(chǔ)(無砼0，施工周期短，甚至可以不停產(chǎn)、不 停運，機械維修量減至小。由于帶來這么多的便 捷，又常常在常規(guī)軌道衡所無法承擔(dān)的條件下，而采 用這種稱重軌式傳感器、軸銷式傳感器、軌道墊板式 傳感器等可以解決很多軌道衡計量的老大難問題。 因此也得到了大的發(fā)展，僅軸銷式傳感器的軌道衡 就有超過百臺在工礦企業(yè)服役。當然，種類繁多的 特殊傳感器之所以廣泛應(yīng)用于動態(tài)軌道衡，是經(jīng)過 研制者們解決了不少技術(shù)難題之后得以解決的。這 種特殊傳感器作為靜態(tài)衡器使用則其優(yōu)點會發(fā)揮得 淋漓盡至;而作為動態(tài)衡器使用則需要采用不同的 對策和處理方法以及計量方式。例如采用軌道貼片 式的稱重軌，無論是剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力式的，其彈性 體為現(xiàn)成的鋼軌，其化學(xué)成分和物理性能和傳感器 用鋼材差別甚大。顯然不是理想的彈性體材料。 而其鋼軌的結(jié)構(gòu)形式也不是或不能滿足高精度傳感器的電測原理!加之鋼軌本身不能滿足長跨距"3.6 米%的彎曲應(yīng)力強度，以及不斷軌時鋼軌之剛性體 化的干擾?？傊绕鸾?jīng)精心設(shè)計的高精度傳感器 尚有許多技術(shù)難題需要解決。為此，這種特種傳感 器或者說特種動態(tài)衡器的研制者們，經(jīng)十多年的努 力使之得以改善，得以提高，得以廣泛應(yīng)用。他們采 用了多種辦法，如采用軸銷式傳感器，就避開了原有 鋼軌的材料問題，即可以選擇傳感器用材料來制 作軸銷式傳感器;而軌道墊板式傳感器則解決了動 態(tài)軌道衡的稱量有效長度問題，同時也解決了傳感 器所用材料問題;而對于軌道貼片式傳感器則常采 用兩兩組合或多次軸計量來解決有效稱重段不足問 題。這些特殊的和秤體體化的傳感器性能受結(jié)構(gòu) 影響，常常得不到般傳感器的力學(xué)模型和理想的 邊界條件，而使力的干擾因素進入應(yīng)變區(qū)和外部非 理想力學(xué)模型的受力條件。而簡化后的秤臺有效長 度的減少使得儀表采樣時間減少。而諸多難題的解 決，需要的是高科技與高技巧，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制 作、多種傳感器組合、混合、多種多次計量等方式去 揚長避短，因此其特種傳感器不但在靜態(tài)上，在動態(tài) 軌道衡上也得到廣泛的應(yīng)用。
2.動態(tài)汽車輪重儀，也是種典型的傳感器和 秤體體化的衡器。它的靜態(tài)與動態(tài)精度雖說不高， 但作為高速公路的限載測量裝置還是足以勝任的， 而且重量輕，體積小，無需土建施工、便攜，在很多場 合能派上很好的用場。當然稱重板的動態(tài)和靜態(tài)精度的提高同樣受各種條件的制約，這種兼顧了秤臺的傳感器或者兼顧了傳感器的秤臺，使得傳感器脫 離了理想的受力條件和邊界條件。又不能保證動態(tài) 稱重的足夠長度或時間，因此也只能作為高速公路 上汽車輪重限載測試地磅或設(shè)備。
四、結(jié)語
總之，動態(tài)地磅的傳感器選擇是動態(tài)地磅設(shè)計的項重要工作。選擇好的適于動態(tài)地磅的傳感器是保證地磅的計量性能的必要條 件，既可以長期頻繁使用，甚至免于維護，又減少了 因更換傳感器而帶來的臨時的繁瑣的檢定工作。動態(tài)地磅的傳感器的選擇 先要有別于靜態(tài)地磅的傳 感器選擇，無論從載荷上、靈敏度、輸入與輸出阻抗， 彈性體及附件的結(jié)構(gòu)上都要認真考慮和重新思維。 決不能把傳感器當作易損件而頻繁更換，因為傳感 器是地磅的心臟，尤其是動態(tài)衡器。因此，正確的而 又優(yōu)化的選擇好動態(tài)地磅的傳感器，才能更好的保 證動態(tài)地磅特別是動態(tài)軌道衡和動態(tài)地磅等的高 速度和率的準確計量和運行。