称重传感器技术在工程领域的作用

泰州市计量测试院 梁倩玉

【摘要】应变式称重传感器是知识密集型、技术密集型和技巧密集型的高技术产品，目前结构设计、制造工艺、性能检测和应用技术都达到了较高的水平，今后称重传感器技术将向着“加强基础、扩大应用”两个方向发展。称重传感器技术现正向相关学科和非衡器工业领域扩散，国内外有许多称重传感器技术在工程领域的应用案例。本文浅述了称重传感器技术在土建工程、钢结构风力工程及其它工程的应用实例，供称重传感器研究制造与使用企业参考。

【关键词】称重传感器；土建；钢结构；应用；实例

【中国分类号】TH715. 1 [文献标识码］B [文章编号］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

   应变式称重传感器是知识密集型、技术密集型和技巧密集型的高技术产品，具有多样性、边缘性、综合性和记忆性等特点，是支持工艺、基础工艺、核心工艺和特殊工艺的合理运用与集成。应变式称重传感器技术包括敏感传感机理、结构设计与计算、弹性元件金属材料、制造工艺及设备、电路补偿与调整、防护与密封、稳定性处理、计量测试等方面，约有20余种技术。称重传感器的研发方向就是“加强基础，扩大运用”，本文浅述了称重传感器技术在土建工程、钢结构风力工程及其它工程的应用实例，供称重传感器研究制造与使用企业参考。

二、称重传感器技术在土建工程领域的作用

  土建工程状态复杂，土压力，土载荷测量是土建工程试验研究的一个基本环节，是工程测试中的重要内容。除在特点条件下可以通过测量土体支撑结构的变形来换算土压力外，一般多采用土压传感器直接测量。通过对土压力的长期观测，了解和评价结构物的工作状态；验证应力分布理论，检算假设前提和计算公式的可靠程度，以提供设计依据。

  土压力、土载荷传感器的研制和使用，在国内已有几十年历史，应用范围不断扩大，主要有：公路路基。档土墙检测与监测；地铁工程地下结构测试；隧道地层压力检测、崩塌监测。在隧道拱墙的拱顶上，用多个安装有测力传感器的长锚螺栓与地层紧固，检测土层的压力变化。土压力、土载荷传感器与应变式称重传感器的原理相同，制造工艺相通，主要应用范围有：大型水坝的监测，分层埋设温度和混泥土收缩应力传感器；山体滑坡监测，在山坡下埋设多个土压力、角位移和液位传感器；大型建筑物、高层楼房地基监测，沿直线以一定距离埋设土压力和位移传感器。

  土压力、土载荷传感器的结构与圆板式、碟式、箱式称重传感器及其相似，但由于土层条件复杂，影响因素较多，有一定研发难度。设计土压力、土载荷传感器，必须将土木工程技术与传感器技术结合。进行结构设计与制造时，应尽量做到：

（1）土压力传感器尽量接近土介质的变形特点；

（2）弹性元件结构形状和尺寸力求科学合理；

（3）传感器承压表面的变形尽量做到均匀；

（4）通过试验找到最佳埋设方法。

设计应变式土压力、土载荷传感器的理论依据，主要是俄罗斯学者巴拉诺夫建立的土压力传感器设计理论，采取如下假设：

（1）土介质是线性变形体，不能承受拉伸应力；

（2）传感器是圆柱形，在压力作用下工作面假定为平面平行移动；

（3）传感器变形与其尺寸相比极小；

（4）由于传感器比土坚硬，因此弹性元件变形是由其自由的受压产生的；

（5）讨论一个无限大的土体，在它上面作用均匀分布的压力，传感器工作面与此压力作用面相平行。

三、称重传感器技术用于钢结构大型钢制桁架风压、风载监测

  随着我国电力部门输电电压的不断升高，输电铁塔日趋大型化，这就为输电铁塔的设计和建设提出了如何保证在强风作用时的安全性问题。特别是沿海地区已有多次在台风作用下输电铁塔损坏事故。为此必须对输电铁塔受风载作用时的风压、风速、变形以及风压一应变曲线进行测量，以便为输电铁塔设计与建设提供依据。高层楼房建设用的塔式吊车也属于钢制桁架结构，为保证施工安全及其起吊的臂长与安全载荷和受风载作用的产生的变形都应时时进行监测。

传统的测量方法是用风速计进行监测，由于风速计机械上固有的惯性，不能及时响应，且风压与风速不成简单的线性关系，测量误差较大，埋藏着事故隐患。

国际上多用微压传感器测量铁塔和钢制桁翅上部的实际风压；在铁塔和钢制桁架的上方粘贴电阻应变计，测量各部件的应变以监控应力变化情况；或在铁塔和钢制桁架上点焊薄片式载荷传感器，监测风载影响。

尽管风压力传感器与称重传感器的结构不同，但是原理和制造工艺相通。风压力直接作用在传感器的膜片上，膜片产生与风压力成正比的微位移，使粘贴在膜片上的电阻应变计的电阻发生变化，利用惠斯通电桥电路测量这一输出变化，并将此输出转换为对应这一风压的标准信号，这是应变式称重传感器技术完全可以实现的。

四、称重传感器技术在其它工程的应用实例

（1) 轮船船锚、海岸边平台拴住力测量，多用焊接密封的大量程圆简式测力传感器。

（2）大跨度桥梁解拉的系证按调与监测应用焊接密封的圆简型拉式测力传感器，要求进行6个月长期稳定性测试。

（3) 高层楼房建筑地基打征机的打桩冲击力测量，应用低外形垫圈式测力传感器。

（4) 混凝土搅拌机和配科系统的物料控制与称重计量用焊接密封圆板式称重传感器、

（5) 材料试验机的静态、动念力测量，采用拉伸、压缩两用测力传感器，要求长期稳定性好。

（6) 石油钻井转盘扭矩测量、大钩负荷钻压向力测量、大钳扭矩测量、下井仪器电缆张力测量等，应用各种测力传感器。

（7) 高层楼房电梯超负荷测量、监控、报警用称重传感器，主要有带减震垫的压向称重传感器、安装在钢丝绳或钢带上测量拉力的两端固支的剪切梁型称重传感器等。

五、结束语

自从20世纪40年代初期，电阻应变式负荷传感器（20世纪80年代中期分为用于质量测量的称重传感器和用于力值计量的测力传感器）问世以来，经过种种改进和创新，目前结构设计、制造工艺、性能检测和应用技术都达到了较高的水平，今后称重传感器技术将向着“加强基础、扩大应用”两个方向发展。随着物联网和无线传感器网络技术的迅速发展和“工业4. 0”、“中国制造2025”发展战略的实施，对处于信息感知层的称重传感器提出了便携、节能、环保，同时具有微型化、智能化、非接触测量和低外形、低功耗、低成本等新要求，这将促使一部分称重传感器产品由传统型向全新型转型发展。可以预期称重传感器技术在工程领域的应用将更加广泛、更加深入，一定会取得新的应用成果。称重传感器技术向工程领域渗透的发展方向，值得国内称重传感器研究与制造企业给予高度重视。

转自衡器杂志2020.9期刊