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稱重傳感器技術在工程領域的作用

泰州市計量測試院 梁倩玉

【摘要】應變式稱重傳感器是知識密集型、技術密集型和技巧密集型的高技術產品，目前結構設計、制造工藝、性能檢測和應用技術都達到了較高的水平，今后稱重傳感器技術將向著“加強基礎、擴大應用”兩個方向發展。稱重傳感器技術現正向相關學科和非衡器工業領域擴散，國內外有許多稱重傳感器技術在工程領域的應用案例。本文淺述了稱重傳感器技術在土建工程、鋼結構風力工程及其它工程的應用實例，供稱重傳感器研究制造與使用企業參考。

【關鍵詞】稱重傳感器；土建；鋼結構；應用；實例

【中國分類號】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

   應變式稱重傳感器是知識密集型、技術密集型和技巧密集型的高技術產品，具有多樣性、邊緣性、綜合性和記憶性等特點，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。應變式稱重傳感器技術包括敏感傳感機理、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。稱重傳感器的研發方向就是“加強基礎，擴大運用”，本文淺述了稱重傳感器技術在土建工程、鋼結構風力工程及其它工程的應用實例，供稱重傳感器研究制造與使用企業參考。

二、稱重傳感器技術在土建工程領域的作用

  土建工程狀態復雜，土壓力，土載荷測量是土建工程試驗研究的一個基本環節，是工程測試中的重要內容。除在特點條件下可以通過測量土體支撐結構的變形來換算土壓力外，一般多采用土壓傳感器直接測量。通過對土壓力的長期觀測，了解和評價結構物的工作狀態；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，用多個安裝有測力傳感器的長錨螺栓與地層緊固，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，有一定研發難度。設計土壓力、土載荷傳感器，必須將土木工程技術與傳感器技術結合。進行結構設計與制造時，應盡量做到：

（1）土壓力傳感器盡量接近土介質的變形特點；

（2）彈性元件結構形狀和尺寸力求科學合理；

（3）傳感器承壓表面的變形盡量做到均勻；

（4）通過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）土介質是線性變形體，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；

（3）傳感器變形與其尺寸相比極小；

（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生的；

（5）討論一個無限大的土體，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、稱重傳感器技術用于鋼結構大型鋼制桁架風壓、風載監測

  隨著我國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計和建設提出了如何保證在強風作用時的安全性問題。特別是沿海地區已有多次在臺風作用下輸電鐵塔損壞事故。為此必須對輸電鐵塔受風載作用時的風壓、風速、變形以及風壓一應變曲線進行測量，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也屬于鋼制桁架結構，為保證施工安全及其起吊的臂長與安全載荷和受風載作用的產生的變形都應時時進行監測。

傳統的測量方法是用風速計進行監測，由于風速計機械上固有的慣性，不能及時響應，且風壓與風速不成簡單的線性關系，測量誤差較大，埋藏著事故隱患。

國際上多用微壓傳感器測量鐵塔和鋼制桁翅上部的實際風壓；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焊薄片式載荷傳感器，監測風載影響。

盡管風壓力傳感器與稱重傳感器的結構不同，但是原理和制造工藝相通。風壓力直接作用在傳感器的膜片上，膜片產生與風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壓的標準信號，這是應變式稱重傳感器技術完全可以實現的。

四、稱重傳感器技術在其它工程的應用實例

（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型拉式測力傳感器，要求進行6個月長期穩定性測試。

（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重計量用焊接密封圓板式稱重傳感器、

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

（6) 石油鉆井轉盤扭矩測量、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量拉力的兩端固支的剪切梁型稱重傳感器等。

五、結束語

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量測量的稱重傳感器和用于力值計量的測力傳感器）問世以來，經過種種改進和創新，目前結構設計、制造工藝、性能檢測和應用技術都達到了較高的水平，今后稱重傳感器技術將向著“加強基礎、擴大應用”兩個方向發展。隨著物聯網和無線傳感器網絡技術的迅速發展和“工業4. 0”、“中國制造2025”發展戰略的實施，對處于信息感知層的稱重傳感器提出了便攜、節能、環保，同時具有微型化、智能化、非接觸測量和低外形、低功耗、低成本等新要求，這將促使一部分稱重傳感器產品由傳統型向全新型轉型發展。可以預期稱重傳感器技術在工程領域的應用將更加廣泛、更加深入，一定會取得新的應用成果。稱重傳感器技術向工程領域滲透的發展方向，值得國內稱重傳感器研究與制造企業給予高度重視。

轉自衡器雜志2020.9期刊