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稱重傳感器技術(shù)在工程領(lǐng)域的作用

泰州市計(jì)量測(cè)試院 梁倩玉

【摘要】應(yīng)變式稱重傳感器是知識(shí)密集型、技術(shù)密集型和技巧密集型的高技術(shù)產(chǎn)品，目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、性能檢測(cè)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)基礎(chǔ)、擴(kuò)大應(yīng)用”兩個(gè)方向發(fā)展。稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)正向相關(guān)學(xué)科和非衡器工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)散，國(guó)內(nèi)外有許多稱重傳感器技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用案例。本文淺述了稱重傳感器技術(shù)在土建工程、鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)力工程及其它工程的應(yīng)用實(shí)例，供稱重傳感器研究制造與使用企業(yè)參考。

【關(guān)鍵詞】稱重傳感器；土建；鋼結(jié)構(gòu)；應(yīng)用；實(shí)例

【中國(guó)分類號(hào)】TH715. 1 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B [文章編號(hào)］1003-5729 (2020) 09-0005-03

The role of weight sensor technology in engineering field

Article abstract: Strain type weighing sensor is a high-tech product that is knowledge-intensive,technology-intensive and technology-intensive. At present,structural design,manufacturing process,performance detection and application technology have reached a high level. In the future,weighing sensor technology will develop in the direction of"strengthening foundation and expanding application". Weighing sensor technology is now spreading to related disciplines and non-weighing apparatus industry. There are many application cases of weighing sensor technology in engineering,steel structure wind engineering and other projects are briefly described,which can be used as a reference for enterprises researching,manufacturing and using weighing sensor.

Key words:weighing sensor;civil engineering;steel structure;application;the instance

一、前言

   應(yīng)變式稱重傳感器是知識(shí)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、綜合性和記憶性等特點(diǎn)，是支持工藝、基礎(chǔ)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、彈性元件金屬材料、制造工藝及設(shè)備、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(cè)試等方面，約有20余種技術(shù)。稱重傳感器的研發(fā)方向就是“加強(qiáng)基礎(chǔ)，擴(kuò)大運(yùn)用”，本文淺述了稱重傳感器技術(shù)在土建工程、鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)力工程及其它工程的應(yīng)用實(shí)例，供稱重傳感器研究制造與使用企業(yè)參考。

二、稱重傳感器技術(shù)在土建工程領(lǐng)域的作用

  土建工程狀態(tài)復(fù)雜，土壓力，土載荷測(cè)量是土建工程試驗(yàn)研究的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，是工程測(cè)試中的重要內(nèi)容。除在特點(diǎn)條件下可以通過(guò)測(cè)量土體支撐結(jié)構(gòu)的變形來(lái)?yè)Q算土壓力外，一般多采用土壓傳感器直接測(cè)量。通過(guò)對(duì)土壓力的長(zhǎng)期觀測(cè)，了解和評(píng)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(guó)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。檔土墻檢測(cè)與監(jiān)測(cè)；地鐵工程地下結(jié)構(gòu)測(cè)試；隧道地層壓力檢測(cè)、崩塌監(jiān)測(cè)。在隧道拱墻的拱頂上，用多個(gè)安裝有測(cè)力傳感器的長(zhǎng)錨螺栓與地層緊固，檢測(cè)土層的壓力變化。土壓力、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(cè)，分層埋設(shè)溫度和混泥土收縮應(yīng)力傳感器；山體滑坡監(jiān)測(cè)，在山坡下埋設(shè)多個(gè)土壓力、角位移和液位傳感器；大型建筑物、高層樓房地基監(jiān)測(cè)，沿直線以一定距離埋設(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、箱式稱重傳感器及其相似，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)與傳感器技術(shù)結(jié)合。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造時(shí)，應(yīng)盡量做到：

（1）土壓力傳感器盡量接近土介質(zhì)的變形特點(diǎn)；

（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(guò)試驗(yàn)找到最佳埋設(shè)方法。

設(shè)計(jì)應(yīng)變式土壓力、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壓力傳感器設(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(dòng)；

（3）傳感器變形與其尺寸相比極��；

（4）由于傳感器比土堅(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(gè)無(wú)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。

三、稱重傳感器技術(shù)用于鋼結(jié)構(gòu)大型鋼制桁架風(fēng)壓、風(fēng)載監(jiān)測(cè)

  隨著我國(guó)電力部門輸電電壓的不斷升高，輸電鐵塔日趨大型化，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(shí)的安全性問(wèn)題。特別是沿海地區(qū)已有多次在臺(tái)風(fēng)作用下輸電鐵塔損壞事故。為此必須對(duì)輸電鐵塔受風(fēng)載作用時(shí)的風(fēng)壓、風(fēng)速、變形以及風(fēng)壓一應(yīng)變曲線進(jìn)行測(cè)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)，為保證施工安全及其起吊的臂長(zhǎng)與安全載荷和受風(fēng)載作用的產(chǎn)生的變形都應(yīng)時(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

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

國(guó)際上多用微壓傳感器測(cè)量鐵塔和鋼制桁翅上部的實(shí)際風(fēng)壓；在鐵塔和鋼制桁架的上方粘貼電阻應(yīng)變計(jì)，測(cè)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(cè)風(fēng)載影響。

盡管風(fēng)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)壓力成正比的微位移，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(cè)量這一輸出變化，并將此輸出轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)這一風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，這是應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)的。

四、稱重傳感器技術(shù)在其它工程的應(yīng)用實(shí)例

（1) 輪船船錨、海岸邊平臺(tái)拴住力測(cè)量，多用焊接密封的大量程圓簡(jiǎn)式測(cè)力傳感器。

（2）大跨度橋梁解拉的系證按調(diào)與監(jiān)測(cè)應(yīng)用焊接密封的圓簡(jiǎn)型拉式測(cè)力傳感器，要求進(jìn)行6個(gè)月長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試。

（3) 高層樓房建筑地基打征機(jī)的打樁沖擊力測(cè)量，應(yīng)用低外形墊圈式測(cè)力傳感器。

（4) 混凝土攪拌機(jī)和配科系統(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、

（5) 材料試驗(yàn)機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)念力測(cè)量，采用拉伸、壓縮兩用測(cè)力傳感器，要求長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。

（6) 石油鉆井轉(zhuǎn)盤扭矩測(cè)量、大鉤負(fù)荷鉆壓向力測(cè)量、大鉗扭矩測(cè)量、下井儀器電纜張力測(cè)量等，應(yīng)用各種測(cè)力傳感器。

（7) 高層樓房電梯超負(fù)荷測(cè)量、監(jiān)控、報(bào)警用稱重傳感器，主要有帶減震墊的壓向稱重傳感器、安裝在鋼絲繩或鋼帶上測(cè)量拉力的兩端固支的剪切梁型稱重傳感器等。

五、結(jié)束語(yǔ)

自從20世紀(jì)40年代初期，電阻應(yīng)變式負(fù)荷傳感器（20世紀(jì)80年代中期分為用于質(zhì)量測(cè)量的稱重傳感器和用于力值計(jì)量的測(cè)力傳感器）問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)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(cè)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)基礎(chǔ)、擴(kuò)大應(yīng)用”兩個(gè)方向發(fā)展。隨著物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展和“工業(yè)4. 0”、“中國(guó)制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)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(shí)具有微型化、智能化、非接觸測(cè)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�？梢灶A(yù)期稱重傳感器技術(shù)在工程領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛、更加深入，一定會(huì)取得新的應(yīng)用成果。稱重傳感器技術(shù)向工程領(lǐng)域滲透的發(fā)展方向，值得國(guó)內(nèi)稱重傳感器研究與制造企業(yè)給予高度重視。

轉(zhuǎn)自衡器雜志2020.9期刊