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稱(chēng)重傳感器技術(shù)在工程領(lǐng)域的作用

泰州市計量測試院 梁倩玉

【摘要】應變式稱(chēng)重傳感器是知識密集型、技術(shù)密集型和技巧密集型的高技術(shù)產(chǎn)品，目前結構設計、制造工藝、性能檢測和應用技術(shù)都達到了較高的水平，今后稱(chēng)重傳感器技術(shù)將向著(zhù)“加強基礎、擴大應用”兩個(gè)方向發(fā)展。稱(chēng)重傳感器技術(shù)現正向相關(guān)學(xué)科和非衡器工業(yè)領(lǐng)域擴散，國內外有許多稱(chēng)重傳感器技術(shù)在工程領(lǐng)域的應用案例。本文淺述了稱(chēng)重傳感器技術(shù)在土建工程、鋼結構風(fēng)力工程及其它工程的應用實(shí)例，供稱(chēng)重傳感器研究制造與使用企業(yè)參考。

【關(guān)鍵詞】稱(chēng)重傳感器；土建；鋼結構；應用；實(shí)例

【中國分類(lèi)號】TH715. 1 [文獻標識碼］B [文章編號］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

   應變式稱(chēng)重傳感器是知識密集型、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、基礎工藝、核心工藝和特殊工藝的合理運用與集成。應變式稱(chēng)重傳感器技術(shù)包括敏感傳感機理、結構設計與計算、彈性元件金屬材料、制造工藝及設備、電路補償與調整、防護與密封、穩定性處理、計量測試等方面，約有20余種技術(shù)。稱(chēng)重傳感器的研發(fā)方向就是“加強基礎，擴大運用”，本文淺述了稱(chēng)重傳感器技術(shù)在土建工程、鋼結構風(fēng)力工程及其它工程的應用實(shí)例，供稱(chēng)重傳感器研究制造與使用企業(yè)參考。

二、稱(chēng)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)復雜，土壓力，土載荷測量是土建工程試驗研究的一個(gè)基本環(huán)節，是工程測試中的重要內容。除在特點(diǎn)條件下可以通過(guò)測量土體支撐結構的變形來(lái)?yè)Q算土壓力外，一般多采用土壓傳感器直接測量。通過(guò)對土壓力的長(cháng)期觀(guān)測，了解和評價(jià)結構物的工作狀態(tài)；驗證應力分布理論，檢算假設前提和計算公式的可靠程度，以提供設計依據。

  土壓力、土載荷傳感器的研制和使用，在國內已有幾十年歷史，應用范圍不斷擴大，主要有：公路路基。檔土墻檢測與監測；地鐵工程地下結構測試；隧道地層壓力檢測、崩塌監測。在隧道拱墻的拱頂上，用多個(gè)安裝有測力傳感器的長(cháng)錨螺栓與地層緊固，檢測土層的壓力變化。土壓力、土載荷傳感器與應變式稱(chēng)重傳感器的原理相同，制造工藝相通，主要應用范圍有：大型水壩的監測，分層埋設溫度和混泥土收縮應力傳感器；山體滑坡監測，在山坡下埋設多個(gè)土壓力、角位移和液位傳感器；大型建筑物、高層樓房地基監測，沿直線(xiàn)以一定距離埋設土壓力和位移傳感器。

  土壓力、土載荷傳感器的結構與圓板式、碟式、箱式稱(chēng)重傳感器及其相似，但由于土層條件復雜，影響因素較多，有一定研發(fā)難度。設計土壓力、土載荷傳感器，必須將土木工程技術(shù)與傳感器技術(shù)結合。進(jìn)行結構設計與制造時(shí)，應盡量做到：

（1）土壓力傳感器盡量接近土介質(zhì)的變形特點(diǎn)；

（2）彈性元件結構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)試驗找到最佳埋設方法。

設計應變式土壓力、土載荷傳感器的理論依據，主要是俄羅斯學(xué)者巴拉諾夫建立的土壓力傳感器設計理論，采取如下假設：

（1）土介質(zhì)是線(xiàn)性變形體，不能承受拉伸應力；

（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(chēng)重傳感器技術(shù)用于鋼結構大型鋼制桁架風(fēng)壓、風(fēng)載監測

  隨著(zhù)我國電力部門(mén)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計和建設提出了如何保證在強風(fēng)作用時(shí)的安全性問(wèn)題。特別是沿海地區已有多次在臺風(fēng)作用下輸電鐵塔損壞事故。為此必須對輸電鐵塔受風(fēng)載作用時(shí)的風(fēng)壓、風(fēng)速、變形以及風(fēng)壓一應變曲線(xiàn)進(jìn)行測量，以便為輸電鐵塔設計與建設提供依據。高層樓房建設用的塔式吊車(chē)也屬于鋼制桁架結構，為保證施工安全及其起吊的臂長(cháng)與安全載荷和受風(fēng)載作用的產(chǎn)生的變形都應時(shí)時(shí)進(jìn)行監測。

傳統的測量方法是用風(fēng)速計進(jìn)行監測，由于風(fēng)速計機械上固有的慣性，不能及時(shí)響應，且風(fēng)壓與風(fēng)速不成簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，測量誤差較大，埋藏著(zhù)事故隱患。

國際上多用微壓傳感器測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變計，測量各部件的應變以監控應力變化情況；或在鐵塔和鋼制桁架上點(diǎn)焊薄片式載荷傳感器，監測風(fēng)載影響。

盡管風(fēng)壓力傳感器與稱(chēng)重傳感器的結構不同，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變計的電阻發(fā)生變化，利用惠斯通電橋電路測量這一輸出變化，并將此輸出轉換為對應這一風(fēng)壓的標準信號，這是應變式稱(chēng)重傳感器技術(shù)完全可以實(shí)現的。

四、稱(chēng)重傳感器技術(shù)在其它工程的應用實(shí)例

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

（2）大跨度橋梁解拉的系證按調與監測應用焊接密封的圓簡(jiǎn)型拉式測力傳感器，要求進(jìn)行6個(gè)月長(cháng)期穩定性測試。

（3) 高層樓房建筑地基打征機的打樁沖擊力測量，應用低外形墊圈式測力傳感器。

（4) 混凝土攪拌機和配科系統的物料控制與稱(chēng)重計量用焊接密封圓板式稱(chēng)重傳感器、

（5) 材料試驗機的靜態(tài)、動(dòng)念力測量，采用拉伸、壓縮兩用測力傳感器，要求長(cháng)期穩定性好。

（6) 石油鉆井轉盤(pán)扭矩測量、大鉤負荷鉆壓向力測量、大鉗扭矩測量、下井儀器電纜張力測量等，應用各種測力傳感器。

（7) 高層樓房電梯超負荷測量、監控、報警用稱(chēng)重傳感器，主要有帶減震墊的壓向稱(chēng)重傳感器、安裝在鋼絲繩或鋼帶上測量拉力的兩端固支的剪切梁型稱(chēng)重傳感器等。

五、結束語(yǔ)

自從20世紀40年代初期，電阻應變式負荷傳感器（20世紀80年代中期分為用于質(zhì)量測量的稱(chēng)重傳感器和用于力值計量的測力傳感器）問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)種種改進(jìn)和創(chuàng )新，目前結構設計、制造工藝、性能檢測和應用技術(shù)都達到了較高的水平，今后稱(chēng)重傳感器技術(shù)將向著(zhù)“加強基礎、擴大應用”兩個(gè)方向發(fā)展。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的迅速發(fā)展和“工業(yè)4. 0”、“中國制造2025”發(fā)展戰略的實(shí)施，對處于信息感知層的稱(chēng)重傳感器提出了便攜、節能、環(huán)保，同時(shí)具有微型化、智能化、非接觸測量和低外形、低功耗、低成本等新要求，這將促使一部分稱(chēng)重傳感器產(chǎn)品由傳統型向全新型轉型發(fā)展�？梢灶A期稱(chēng)重傳感器技術(shù)在工程領(lǐng)域的應用將更加廣泛、更加深入，一定會(huì )取得新的應用成果。稱(chēng)重傳感器技術(shù)向工程領(lǐng)域滲透的發(fā)展方向，值得國內稱(chēng)重傳感器研究與制造企業(yè)給予高度重視。

轉自衡器雜志2020.9期刊