液壓轉(zhuǎn)換式振弦測力稱重傳感器評介

李曉東

摘 要：本文對液壓轉(zhuǎn)換式振弦測力稱重傳感器結(jié)構(gòu)組成、精度等級、測量范圍、特點以及在實踐中的應(yīng)用情況作了介紹，列舉了煤礦單體液壓支柱（簡稱單體支柱）密封質(zhì)量檢測儀、大量程、高精度錨索測力儀在磁懸浮工程中和治理高速公路運輸超載超限用振弦式動態(tài)汽車稱重系統(tǒng)（稱重儀）等方面的應(yīng)用實例；從采用油脂作為傳力“液體”的設(shè)計思路，油脂的特性、優(yōu)點等技術(shù)方面分析了它取得成功的原因，指出它適于批量生產(chǎn)“大量程較高精度測力稱重傳感器”，具有重要實用價值，值得重視與推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：振弦壓力傳感器 油脂 應(yīng)用

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0116-02

近年來，山東科技大學老師研發(fā)應(yīng)用了一種“液壓轉(zhuǎn)換式振弦測力稱重傳感器”，由振弦壓力傳感器與活塞油缸組成，測力稱重量程從0～5t、10t、20t、50t直到100t、250t、400t；精度由0.5%FS、0.1%FS到0.05%FS；有實心的活塞測力稱重，也有活塞具有中孔，可對錨索、鋼柱進行測力。單弦稱重傳感器可達C2級。具有一些獨特優(yōu)點，如不怕潮濕、抗電磁干擾、準數(shù)字信號輸出易數(shù)字化，應(yīng)用單片機多周期快速測頻電路，每秒采樣數(shù)百次，測頻誤差<0.1Hz。既能用于靜態(tài)，也能用于低頻動態(tài)（例如公路計重收費動態(tài)汽車稱重），是一種應(yīng)引起重視、支持其發(fā)展應(yīng)用的測力稱重傳感器。本文收集了它的應(yīng)用情況，初步分析了它取得成功的技術(shù)原因，以供參考。

1 應(yīng)用概況

（1）最早應(yīng)用于煤礦單體液壓支柱（簡稱單體支柱）密封質(zhì)量檢測儀。1992年山東礦業(yè)學院（山東科技大學前身）礦壓所完成煤炭部項目，研制成功單體支柱密封質(zhì)量檢測儀[1]，以一臺電腦和一臺巡測儀，配15只鋼弦測力傳感器，對15棵單體支柱的保壓性能進行監(jiān)測，用定量壓降數(shù)據(jù)（例如30分鐘降壓不超過20%）判定支柱整體密封性能是否合格，合格者方允許下井使用。這一成果為檢測單體液壓支柱整體密封性能提供了科學手段，鑒定后選入煤炭100項推廣項目，它大大縮短了每棵支柱檢測時間，保證了支柱密封質(zhì)量。直到現(xiàn)在，單體支柱修理廠和生產(chǎn)廠都必須使用這一設(shè)備。

此項目從科學原理分析，很有意思，為什么整體密封性能合格的單體支柱，注液支撐于鋼架上，最初仍有明顯壓降，而且降壓速度會小于某一值？

老師們的試驗表明：單體支柱所灌注的乳化液并非不可壓縮液體，并不像有人認為的只要滲漏一滴，就會引起支柱卸載。老師們發(fā)現(xiàn)卸液15mL，支柱支撐力減小并不多，原因是乳化液中的大量氣體會迅速膨脹填補失去液體的空間故減壓不大，但由于保壓過程中，有些氣體能穿過密封圈逸出，而導致有明顯壓降，到后來乳化液中氣體少了，降壓就慢了。如果沒有這方面的實驗數(shù)據(jù)，很難想到可用定量的降壓速度來判斷支柱整體密封性能是否合格。這件事也顯示煤礦使用乳化液對提高單體支柱支撐力和防倒柱很有好處，并說明二次注液是十分必要的。

為了完善該檢測儀，老師們提出一項重要創(chuàng)新。由于鋼弦測力傳感器倒置于單體支柱上，它的底部頂在比其直徑小的鋼梁上，與標定時所處條件不同，而且鋼弦有方向性，弦垂直鋼梁方向時，測得力大；弦平行鋼梁方向時，測得力小，尋找正確方位比較困難，而且略為偏離引起誤差較大。在鋼梁上焊上一只大直徑的厚20mm的鋼圓盤，也會由于鋼盤發(fā)生微小變形而產(chǎn)生很大誤差。怎樣能使測力傳感器固定在鋼梁后測力即準確呢？老師們最后采用振弦壓力傳感器與活塞油缸組合成測力傳感器，先把支柱的支撐力轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙后w”壓力，然后用振弦壓力傳感器進行檢測。最初用的“液體”是鈣基油脂（黃油），活塞上的密封圈是O型橡膠密封圈。不但密封良好，而且有良好的溫度穩(wěn)定性，圓滿地解決了支柱力測不準問題。使得DK-Ⅱ型單體液壓支柱密封質(zhì)量檢測儀從1992年一直用到現(xiàn)在，前后25年長盛不衰，沒有與其競爭的產(chǎn)品，為煤礦安全生產(chǎn)作出了貢獻。

（2）大量程高精度錨索測力儀在上海磁懸浮工程中應(yīng)用。

2002年上海磁懸浮列車建設(shè)，由于對軌道梁要求很高，車通過一段軌道梁時，中部最大撓度不得超過2mm，因此軌道梁設(shè)多孔，每孔都要加350t預(yù)應(yīng)力鋼絞線。需要精度較高的400t錨索測力儀，作為校準施加預(yù)應(yīng)力泵站壓力表的標準。山東科技大學洛賽爾傳感技術(shù)有限公司給上海建筑科學研究院制造了8套大量程錨索測力儀，傳感器均為有中心通孔的活塞、油缸與振弦壓力傳感器組成。“液體”選用質(zhì)量更好的鋰基油脂，-20℃不凝固，振弦壓力傳感器向高準確度前進。其中兩套400t的，經(jīng)北京中國計量科學研究院標定，誤差分別為0.05%FS和0.075%FS，中德兩國監(jiān)理認可。一臺安裝于上海建科院實驗室作為測試、校驗標準，另一臺備用。對上海磁懸浮工程起了良好促進作用。隨后又提供14只150t的錨索測力傳感器和一臺巡測儀，與一臺電腦連接定期監(jiān)測上海地鐵加固鋼柱承受的拉力。先后一年半來未發(fā)生故障，順利完成任務(wù)。

（3）山東省交通廳治理高速公路運輸超載超限。振弦式動態(tài)汽車稱重系統(tǒng)（后來稱為稱重儀）用了兩百多套，發(fā)揮了重要作用。其中稱重傳感器全采用液壓轉(zhuǎn)換式振弦稱重傳感器，總共使用了近千只，起了重要作用。后期采用了“高準確度振弦壓力傳感器”發(fā)明專利和“微摩擦阻力活塞油缸”實用新型專利，合格率達到90%以上。

2 液壓轉(zhuǎn)換式振弦測力稱重傳感器取得成功的技術(shù)原因

山東科技大學研發(fā)這種傳感器，實現(xiàn)了大量程較高準確度系列化批量生產(chǎn)，從技術(shù)方面分析，主要由于采用了與過去不同的思路：采用了與過去不同的“液體”和密封圈。過去人們往往用大量機油作傳力液體，既不容易密封，熱膨脹系數(shù)又很大，受溫度影響大；由于機油易被壓縮，用油量又大，傳力效果不佳。采用油脂作為傳力“液體”，在壓力作用下油脂與液體并無兩樣，而且由于油脂滴沸點高于100℃，在較低工作溫度（如航空油脂為-60℃）到100℃都保持同樣形態(tài)，體積無明顯改變。由于其體積隨溫度變化很小，即熱脹系數(shù)很小，大大降低了溫度對傳感器的影響；并由此可見油脂具有良好不可壓縮性，而且活塞與油缸間油膜厚度僅為幾個毫米，所以傳力快速，并且由于“液體”對機械震動不傳遞，故稱臺的震動不干擾振弦稱重傳感器的輸出。動態(tài)汽車稱重使用這種傳感器時，不需要另加低通濾波器，“液壓轉(zhuǎn)換”起了“低通濾波”的作用。

再者“微摩擦阻力活塞油缸”采用的密封圈為Yx型，對高壓、低壓的密封都很好，使用油脂，因其粘稠而易于密封，因其潤滑而保護密封圈不易切邊，故工作壽命較長；又因其可做成微摩擦阻力，致液壓轉(zhuǎn)換振弦稱重傳感器有可能誤差為萬分之幾，這主要取決于振弦壓力傳感器的精度，而“高準確度振弦壓力傳感器”發(fā)明專利解決了這一問題，保證這種傳感器取得成功，并有廣泛應(yīng)用前景。

3 結(jié)語

山東科大老師們創(chuàng)新的液壓轉(zhuǎn)換式振弦測力稱重傳感器，是一種具有重要實用價值，值得重視并有良好應(yīng)用前景的測力稱重傳感器。

參考文獻

[1] 鄧鐵六，趙振遠.DK-2A型單體液壓支柱密封質(zhì)量檢測儀及其應(yīng)用[J].煤炭科學技術(shù)，1991（1）：21-23，63.

[2] 鄧鐵六，趙勝利，趙振遠，等.高準確度振弦傳感器研究[J]，山東科技大學學報：自然科學版，2010，29（1）：52-57.endprint