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          怎么選擇正確的地磅傳感器
          發布時間:2020-4-26 16:20:53   點擊次數:368次

          怎么選擇正確的地磅傳感器

            本文敘述了在動態地磅設計中的傳感器的選擇設計,這在其設計工作中是至關 重要的。在充分了解地磅的力學狀態和工作環境及傳感器的技術性能的基礎上,從傳感器的機 理和內在指標上來選擇,以此從根本上保證地磅的主要技術指標、計量精度、使用壽命。以避免 更改設計或頻繁更換傳感器,將核心裝置傳感器視為易損件。

            在我國常用的動態地磅有動態軌道衡、動 態汽車衡和動態軸重儀,它們或者作為大宗物料計 量的結算依據,或者作為鐵路、公路限載的檢測裝 置。應用數量大,行業范圍廣。而其中作為地磅的核 心?傳感器的選擇卻至關重要,合理地選擇傳感 器是動態地磅準確可靠測量的基礎,也是保證地磅穩定性和使用壽命的基礎。因此,必須選好、用好傳 感器,做好傳感器的選擇設計工作。

            一、動態車輛的載荷作用狀況

            動態車輛在路基上運行是一個復雜的車輛動力 學問題。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量產生的重力 外,還有其多維振動而產生的附加力,其方向多維, 而大小隨機,作為地磅是不需要這些不良數據的。因 此,設計者們力圖千方百計地排除這些不良數據。為 此,設計者在線路設計上充分考慮其平整度,設計了 又平又直的線路,并通過精心施工得以實現。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,車輛在一定速度運動中仍有10%左 右的振動分量,而進入秤臺的過沖又常常大于上述 數值。為此既增加了動態稱量精度提高的難度,又減 少了衡器的使用壽命。而作為動態衡器中zui核心的 部件??傳感器,則要承受和傳感全部的力,并將其 如實轉換成電量傳遞至儀表。既然是動態稱量,車輛 的軸上的全部重量將在瞬間直接加到首先接觸的傳 感器上,使其承受額定質量的瞬時沖擊,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 態響應也有相應的要求。

            二、傳感器的選擇設計

            1.傳感器結構形式的選擇

            常應用在動態地磅的傳感器的結構形式以柱式 為多,同時也有較大量的輪幅式、橋式、懸臂梁剪應 力式等傳感器,這些結構形式的傳感器在動態衡器 中都有成功的應用范例,在綜合考慮秤體機械結構 設計、限位裝置設計等合理的選擇傳感器的技術參 數及傳感器上下承壓件結構形式的基礎上,則大部 分傳感器均可用于動態地磅,甚至包括拉式的和相 關性能較差的環式傳感器。

            常用的柱式傳感器、剪應力傳感器(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 側向力、抗偏載能力差的弊端。而剪應力傳感器由于 抗側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 上,保證了傳感器的相關技術指標,確保秤體結構的 長期穩定而免于維修。

            傳感器的選擇關鍵在于額定載荷及靈敏度的 選擇!機械結構"秤體)的確定!限位器的形式!傾翻 和穩定度!高度上的附加力矩以及防水浸,安裝調 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構形式,而不是從傳感器的本 身結構形式去否定很多傳感器,使其不能用于動態衡 器。應該說大部分結構形式的傳感器都適用于動態衡 器,只不過要綜合多方面因素來優化設計與選擇。

            2.從傳感器的靈敏度去選擇

            傳感器的靈敏度是作為力一電轉換裝置的核 心參數,靈敏度是惠更斯電橋中輸出與輸入的內在 轉換系數。就某一傳感器來說,電橋的輸出與輸入 傳輸比在一指定載荷下具有固定不變的數值。而電 橋傳輸比又正比于彈性體應變的大小,在儀表檢測 技術比較落后時,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衡器之大 忌。眾所周知,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系,一般靈敏度在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。一般傳感器的彈性體在額定載荷 下,其應變計粘貼處的應變值在1500!"左右,這對 動態衡器的傳感器來說,這樣的應變值顯然偏大 了。應該使應變計的zui大應變值控制在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一半按額定載荷去計算與設 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、高位數儀表已履見不鮮,其核心技術 巳經突破的情況下,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,則并不為優勢,而低靈敏度、高線性、高分度值 才顯傳感器技術水平的高超。

            3.傳感器的動態響應

            作為動態地磅,對傳感器的動態響應速度有較 高的要求。動態響應快的傳感器,可以使動態車輛 在高速下計量,并可以提高其動態計量精度,而電阻 應變式傳感器正好具備了這種動態響應快的特點, 電阻應變式傳感器的核心是彈性體上的電阻應變 計。它的轉換過程是重力使彈性體產生應變,而彈性 體又使粘貼在彈性體上的應變計產生應變,而電阻 應變計的應變則使其電阻發生改變,則由此前組好 的惠更斯電橋輸出相對應的電壓。在此過程中,重力 作用于彈性體時的重力波首先傳至彈性體上部,之 后進入應變計粘貼區域,重力波通過彈性體傳至涂 層、應變計基底至應變柵,而由應變柵轉換成電量傳 至儀表。其中重力的應力波在金屬彈性體的傳播速 度為5000mm/ms,彈性體通過涂層、基底傳至應變 柵的時間為0.2us,應變柵一般為10mm左右,傳播 時間約為2@,而且這種傳遞是彈性體通過應變膠 強迫應變柵跟隨彈性體應變的。即使為10mm長的 應變計的承受的應力波也是從兩側向中間傳遞的, 這也就是說傳感器的核心轉換區域(彈性體貼應變 計區域)的應力波傳遞時間為1uS左右。那么應力 波在彈性體其它部位的傳遞時間為未直接力電轉變 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一樣均為無 效時間,就是說從車輪(力源)至秤臺全部途徑和傳 感器除應變計粘貼處所經途徑是一樣的。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,而秤臺設計又因車輛稱重的動態稱重的技 術要求而定,并不易縮短。從車輛的車輪到傳感器的 傳遞距離一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稱車輛和不應稱車輛的重 要尺寸。 因此從車輛作用于秤體到傳感器彈性體的 應變計粘貼區外,并非真正的動態應變的響應時間, 只有在應變計處完成力與電的轉換,動態應變才能 得到“響應”。而在應變計處的應力波傳遞時間只有 1us左右,則電阻應變式傳感器的動態響應時間完 全可以滿足動態衡器的要求,相比之下在動態地磅 的各個組成部分,傳感器的動態響應速度不是薄弱 環節,瓶頸卻是稱重儀表,稱重儀表的核心為A/D 轉換器,其在高速轉換時,常常發生位數減少、分辨 力降低的現象。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 有相應的感量,都會有相應的阻值變化,然而這些微 小變化常常制約于數字稱重儀表的分辨力。

            作為動態衡器,人們更主要的應該考慮的是車輛在秤臺上的有效運行時間,可以作為動態計量采 樣的時間,由此換算成的秤臺有效長度"這是動態地磅設計者首先要考慮的重要參數,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,選擇較長的稱量段以滿足動態稱重的要求,以此 增加動態采樣時間,增加采樣次數,盡量提供充分條 件為動態數據處理提供可能和保證"總之,傳感器 的動態響應速度是完全滿足于動態車輛衡器的動態 稱重要求的"

            4.傳感器靈敏度的標準化

            由于動態地磅傳感器的使用條件惡劣,常常使 傳感器在惡劣的力學和環境狀態下因各種原因損 壞。而從另外一方面來說動態地磅,如動態軌道衡、 動態汽車衡、動態軸重儀的檢定工作是一個受多方 面因素制約的龐雜工作,夸大的說是一個系統工程, 并且受檢定部門全年檢定計劃和鐵路、公路運輸調 度計劃所限制,這些工作的難度使受檢部門感觸太 深。需生產部門、運輸部門、檢定機構、計量部門的 統一協調。為此為避開非檢定周期內的檢定,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,成為動態衡器用戶所迫切要求的。傳感器的靈 敏度標準化應控制在±0.1%以內,如靈敏度為lmv/v 的傳感器應為1±0.001mv/v,靈敏度為2mv/v的傳感 器應為2±0.002mv/v,此時在更換傳感器時就保證了 動態地磅的精度。然而,對于傳感器依靠并聯組成 輸入輸出電路時,則只依靠靈敏度的一致性還是遠 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電路中要求的基 礎上再提高一倍,以確保互換后的精度。

            5.從傳感器的工作環境去選擇

            動態地磅的傳感器工作環境是惡劣的,因此在 選擇上要力求傳感器有高的環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 級體系去選擇,防雷電除外部采取措施外,傳感器本 身也應有相應的配置,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 回位設計。

            三、特殊傳感器的選擇

            在動態車輛的地磅當中,隨著稱量和傳感器技 術的發展,一些特殊傳感器涌入地磅,使傳感器和秤 體一體化的方案多種多樣。軌道式傳感器、軌道貼 片式的剪應力和彎曲應力傳感器、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,使機械構造減至zui小,構件減至zui少。并使不 采用混凝土基礎成為可能,使系統總體無論從總體 質量到幾何尺寸均減至zui小。為此此種地磅巳經廣 泛的應用于動態軌道衡計量和公路上的動態汽車軸 計量。由于其特點明顯,選擇時有所側重。根據計量 工作的要求,著重于計量商業結算,還是生產工藝、 質量控制、安全運輸、設備技術和路面承受能力要求 的計量精度。并根據車輛的結構參數、運行速度、動 態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一體化。 如長和短軌剪應力傳感器、彎曲應力軌道稱重橋、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軌道衡計量而應用 于常規尤其是特殊場合,使其機械結構zui大限度的 簡化,總重量相當于原有秤體十分之一以下,形體尺 寸也相應減至zui小,也減少了相關設施。由于這樣 大刀闊斧的簡化,帶來了很多利于生產、利于安全、 利于施工的很多優點,首先使線路基礎簡化,甚至可 以無基礎(無砼0,施工周期短,甚至可以不停產、不 停運,機械維修量減至zui小。由于帶來這么多的便 捷,又常常在常規軌道衡所無法承擔的條件下,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展,僅軸銷式傳感器的軌道衡 就有超過百臺在工礦企業服役。當然,種類繁多的 特殊傳感器之所以廣泛應用于動態軌道衡,是經過 研制者們解決了不少技術難題之后得以解決的。這 種特殊傳感器作為靜態衡器使用則其優點會發揮得 淋漓盡至;而作為動態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,無論是剪應力和彎曲應力式的,其彈性 體為現成的鋼軌,其化學成分和物理性能和傳感器 專用鋼材差別甚大。顯然不是理想的彈性體材料。 而其鋼軌的結構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%的彎曲應力強度,以及不斷軌時鋼軌之剛性一體 化的干擾。總之,比起經精心設計的高精度傳感器 尚有許多技術難題需要解決。為此,這種特種傳感 器或者說特種動態衡器的研制者們,經十多年的努 力使之得以改善,得以提高,得以廣泛應用。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,即可以選擇傳感器專用材料來制 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。這些特殊的和秤體一體化的傳感器性能受結構 影響,常常得不到一般傳感器的力學模型和理想的 邊界條件,而使力的干擾因素進入應變區和外部非 理想力學模型的受力條件。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,從結構設計、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上,在動態 軌道衡上也得到廣泛的應用。

            2.動態汽車輪重儀,也是一種典型的傳感器和 秤體一體化的衡器。它的靜態與動態精度雖說不高, 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。當然稱重板的動態和靜態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 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備。

            四、結語

            總之,動態地磅傳感器選擇是動態地磅設計的一項重要工作。選擇好的zui適于動態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。動態地磅的傳感器的選擇首先要有別于靜態地磅的傳 感器選擇,無論從載荷上、靈敏度、輸入與輸出阻抗, 彈性體及附件的結構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,尤其是動態衡器。因此,正確的而 又優化的選擇好動態地磅的傳感器,才能更好的保 證動態地磅特別是動態軌道衡和動態地磅等的高 速度和率的準確計量和運行。

           

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