液壓轉(zhuǎn)換式振弦測(cè)力稱重傳感器評(píng)介

李曉東

摘 要：本文對(duì)液壓轉(zhuǎn)換式振弦測(cè)力稱重傳感器結(jié)構(gòu)組成、精度等級(jí)、測(cè)量范圍、特點(diǎn)以及在實(shí)踐中的應(yīng)用情況作了介紹，列舉了煤礦單體液壓支柱（簡(jiǎn)稱單體支柱）密封質(zhì)量檢測(cè)儀、大量程、高精度錨索測(cè)力儀在磁懸浮工程中和治理高速公路運(yùn)輸超載超限用振弦式動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)（稱重儀）等方面的應(yīng)用實(shí)例；從采用油脂作為傳力“液體”的設(shè)計(jì)思路，油脂的特性、優(yōu)點(diǎn)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(cè)力稱重傳感器”，具有重要實(shí)用價(jià)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(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）11（a）-0116-02

近年來(lái)，山東科技大學(xué)老師研發(fā)應(yīng)用了一種“液壓轉(zhuǎn)換式振弦測(cè)力稱重傳感器”，由振弦壓力傳感器與活塞油缸組成，測(cè)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(shí)心的活塞測(cè)力稱重，也有活塞具有中孔，可對(duì)錨索、鋼柱進(jìn)行測(cè)力。單弦稱重傳感器可達(dá)C2級(jí)。具有一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，如不怕潮濕、抗電磁干擾、準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出易數(shù)字化，應(yīng)用單片機(jī)多周期快速測(cè)頻電路，每秒采樣數(shù)百次，測(cè)頻誤差<0.1Hz。既能用于靜態(tài)，也能用于低頻動(dòng)態(tài)（例如公路計(jì)重收費(fèi)動(dòng)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(cè)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(jiǎn)稱單體支柱）密封質(zhì)量檢測(cè)儀。1992年山東礦業(yè)學(xué)院（山東科技大學(xué)前身）礦壓所完成煤炭部項(xiàng)目，研制成功單體支柱密封質(zhì)量檢測(cè)儀[1]，以一臺(tái)電腦和一臺(tái)巡測(cè)儀，配15只鋼弦測(cè)力傳感器，對(duì)15棵單體支柱的保壓性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用定量壓降數(shù)據(jù)（例如30分鐘降壓不超過(guò)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(cè)單體液壓支柱整體密封性能提供了科學(xué)手段，鑒定后選入煤炭100項(xiàng)推廣項(xiàng)目，它大大縮短了每棵支柱檢測(cè)時(shí)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(xiàng)目從科學(xué)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(huì)小于某一值？

老師們的試驗(yàn)表明：?jiǎn)误w支柱所灌注的乳化液并非不可壓縮液體，并不像有人認(rèn)為的只要滲漏一滴，就會(huì)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(huì)迅速膨脹填補(bǔ)失去液體的空間故減壓不大，但由于保壓過(guò)程中，有些氣體能穿過(guò)密封圈逸出，而導(dǎo)致有明顯壓降，到后來(lái)乳化液中氣體少了，降壓就慢了。如果沒(méi)有這方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，很難想到可用定量的降壓速度來(lái)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(duì)提高單體支柱支撐力和防倒柱很有好處，并說(shuō)明二次注液是十分必要的。

為了完善該檢測(cè)儀，老師們提出一項(xiàng)重要?jiǎng)?chuàng)新。由于鋼弦測(cè)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(biāo)定時(shí)所處條件不同，而且鋼弦有方向性，弦垂直鋼梁方向時(shí)，測(cè)得力大；弦平行鋼梁方向時(shí)，測(cè)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(huì)由于鋼盤發(fā)生微小變形而產(chǎn)生很大誤差。怎樣能使測(cè)力傳感器固定在鋼梁后測(cè)力即準(zhǔn)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(cè)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(jìn)行檢測(cè)。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(cè)不準(zhǔn)問(wèn)題。使得DK-Ⅱ型單體液壓支柱密封質(zhì)量檢測(cè)儀從1992年一直用到現(xiàn)在，前后25年長(zhǎng)盛不衰，沒(méi)有與其競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品，為煤礦安全生產(chǎn)作出了貢獻(xiàn)。

（2）大量程高精度錨索測(cè)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(duì)軌道梁要求很高，車通過(guò)一段軌道梁時(shí)，中部最大撓度不得超過(guò)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(cè)力儀，作為校準(zhǔn)施加預(yù)應(yīng)力泵站壓力表的標(biāo)準(zhǔn)。山東科技大學(xué)洛賽爾傳感技術(shù)有限公司給上海建筑科學(xué)研究院制造了8套大量程錨索測(cè)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(zhǔn)確度前進(jìn)。其中兩套400t的，經(jīng)北京中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院標(biāo)定，誤差分別為0.05%FS和0.075%FS，中德兩國(guó)監(jiān)理認(rèn)可。一臺(tái)安裝于上海建科院實(shí)驗(yàn)室作為測(cè)試、校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，另一臺(tái)備用。對(duì)上海磁懸浮工程起了良好促進(jìn)作用。隨后又提供14只150t的錨索測(cè)力傳感器和一臺(tái)巡測(cè)儀，與一臺(tái)電腦連接定期監(jiān)測(cè)上海地鐵加固鋼柱承受的拉力。先后一年半來(lái)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(yùn)輸超載超限。振弦式動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)（后來(lái)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(zhǔn)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(shí)用新型專利，合格率達(dá)到90%以上。

2 液壓轉(zhuǎn)換式振弦測(cè)力稱重傳感器取得成功的技術(shù)原因

山東科技大學(xué)研發(fā)這種傳感器，實(shí)現(xiàn)了大量程較高準(zhǔn)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(guò)去不同的思路：采用了與過(guò)去不同的“液體”和密封圈。過(guò)去人們往往用大量機(jī)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(jī)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(wú)兩樣，而且由于油脂滴沸點(diǎn)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(wú)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(duì)傳感器的影響；并由此可見(jiàn)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(gè)毫米，所以傳力快速，并且由于“液體”對(duì)機(jī)械震動(dòng)不傳遞，故稱臺(tái)的震動(dòng)不干擾振弦稱重傳感器的輸出。動(dòng)態(tài)汽車稱重使用這種傳感器時(shí)，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(duì)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(rùn)滑而保護(hù)密封圈不易切邊，故工作壽命較長(zhǎng)；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(wàn)分之幾，這主要取決于振弦壓力傳感器的精度，而“高準(zhǔn)確度振弦壓力傳感器”發(fā)明專利解決了這一問(wèn)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(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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

[2] 鄧鐵六，趙勝利，趙振遠(yuǎn)，等.高準(zhǔn)確度振弦傳感器研究[J]，山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，29（1）：52-57.endprint