液压转换式振弦测力称重传感器评介

李晓东

摘 要：本文对液压转换式振弦测力称重传感器结构组成、精度等级、测量范围、特点以及在实践中的应用情况作了介绍，列举了煤矿单体液压支柱（简称单体支柱）密封质量检测仪、大量程、高精度锚索测力仪在磁悬浮工程中和治理高速公路运输超载超限用振弦式动态汽车称重系统（称重仪）等方面的应用实例；从采用油脂作为传力“液体”的设计思路，油脂的特性、优点等技术方面分析了它取得成功的原因，指出它适于批量生产“大量程较高精度测力称重传感器”，具有重要实用价值，值得重视与推广应用。

关键词：振弦压力传感器 油脂 应用

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0116-02

近年来，山东科技大学老师研发应用了一种“液压转换式振弦测力称重传感器”，由振弦压力传感器与活塞油缸组成，测力称重量程从0～5t、10t、20t、50t直到100t、250t、400t；精度由0.5%FS、0.1%FS到0.05%FS；有实心的活塞測力称重，也有活塞具有中孔，可对锚索、钢柱进行测力。单弦称重传感器可达C2级。具有一些独特优点，如不怕潮湿、抗电磁干扰、准数字信号输出易数字化，应用单片机多周期快速测频电路，每秒采样数百次，测频误差<0.1Hz。既能用于静态，也能用于低频动态（例如公路计重收费动态汽车称重），是一种应引起重视、支持其发展应用的测力称重传感器。本文收集了它的应用情况，初步分析了它取得成功的技术原因，以供参考。

1 应用概况

（1）最早应用于煤矿单体液压支柱（简称单体支柱）密封质量检测仪。1992年山东矿业学院（山东科技大学前身）矿压所完成煤炭部项目，研制成功单体支柱密封质量检测仪[1]，以一台电脑和一台巡测仪，配15只钢弦测力传感器，对15棵单体支柱的保压性能进行监测，用定量压降数据（例如30分钟降压不超过20%）判定支柱整体密封性能是否合格，合格者方允许下井使用。这一成果为检测单体液压支柱整体密封性能提供了科学手段，鉴定后选入煤炭100项推广项目，它大大缩短了每棵支柱检测时间，保证了支柱密封质量。直到现在，单体支柱修理厂和生产厂都必须使用这一设备。

此项目从科学原理分析，很有意思，为什么整体密封性能合格的单体支柱，注液支撑于钢架上，最初仍有明显压降，而且降压速度会小于某一值？

老师们的试验表明：单体支柱所灌注的乳化液并非不可压缩液体，并不像有人认为的只要渗漏一滴，就会引起支柱卸载。老师们发现卸液15mL，支柱支撑力减小并不多，原因是乳化液中的大量气体会迅速膨胀填补失去液体的空间故减压不大，但由于保压过程中，有些气体能穿过密封圈逸出，而导致有明显压降，到后来乳化液中气体少了，降压就慢了。如果没有这方面的实验数据，很难想到可用定量的降压速度来判断支柱整体密封性能是否合格。这件事也显示煤矿使用乳化液对提高单体支柱支撑力和防倒柱很有好处，并说明二次注液是十分必要的。

为了完善该检测仪，老师们提出一项重要创新。由于钢弦测力传感器倒置于单体支柱上，它的底部顶在比其直径小的钢梁上，与标定时所处条件不同，而且钢弦有方向性，弦垂直钢梁方向时，测得力大；弦平行钢梁方向时，测得力小，寻找正确方位比较困难，而且略为偏离引起误差较大。在钢梁上焊上一只大直径的厚20mm的钢圆盘，也会由于钢盘发生微小变形而产生很大误差。怎样能使测力传感器固定在钢梁后测力即准确呢？老师们最后采用振弦压力传感器与活塞油缸组合成测力传感器，先把支柱的支撑力转变为“液体”压力，然后用振弦压力传感器进行检测。最初用的“液体”是钙基油脂（黄油），活塞上的密封圈是O型橡胶密封圈。不但密封良好，而且有良好的温度稳定性，圆满地解决了支柱力测不准问题。使得DK-Ⅱ型单体液压支柱密封质量检测仪从1992年一直用到现在，前后25年长盛不衰，没有与其竞争的产品，为煤矿安全生产作出了贡献。

（2）大量程高精度锚索测力仪在上海磁悬浮工程中应用。

2002年上海磁悬浮列车建设，由于对轨道梁要求很高，车通过一段轨道梁时，中部最大挠度不得超过2mm，因此轨道梁设多孔，每孔都要加350t预应力钢绞线。需要精度较高的400t锚索测力仪，作为校准施加预应力泵站压力表的标准。山东科技大学洛赛尔传感技术有限公司给上海建筑科学研究院制造了8套大量程锚索测力仪，传感器均为有中心通孔的活塞、油缸与振弦压力传感器组成。“液体”选用质量更好的锂基油脂，-20℃不凝固，振弦压力传感器向高准确度前进。其中两套400t的，经北京中国计量科学研究院标定，误差分别为0.05%FS和0.075%FS，中德两国监理认可。一台安装于上海建科院实验室作为测试、校验标准，另一台备用。对上海磁悬浮工程起了良好促进作用。随后又提供14只150t的锚索测力传感器和一台巡测仪，与一台电脑连接定期监测上海地铁加固钢柱承受的拉力。先后一年半来未发生故障，顺利完成任务。

（3）山东省交通厅治理高速公路运输超载超限。振弦式动态汽车称重系统（后来称为称重仪）用了两百多套，发挥了重要作用。其中称重传感器全采用液压转换式振弦称重传感器，总共使用了近千只，起了重要作用。后期采用了“高准确度振弦压力传感器”发明专利和“微摩擦阻力活塞油缸”实用新型专利，合格率达到90%以上。

2 液压转换式振弦测力称重传感器取得成功的技术原因

山东科技大学研发这种传感器，实现了大量程较高准确度系列化批量生产，从技术方面分析，主要由于采用了与过去不同的思路：采用了与过去不同的“液体”和密封圈。过去人们往往用大量机油作传力液体，既不容易密封，热膨胀系数又很大，受温度影响大；由于机油易被压缩，用油量又大，传力效果不佳。采用油脂作为传力“液体”，在压力作用下油脂与液体并无两样，而且由于油脂滴沸点高于100℃，在较低工作温度（如航空油脂为-60℃）到100℃都保持同样形态，体积无明显改变。由于其体积随温度变化很小，即热胀系数很小，大大降低了温度对传感器的影响；并由此可见油脂具有良好不可压缩性，而且活塞与油缸间油膜厚度仅为几个毫米，所以传力快速，并且由于“液体”对机械震动不传递，故称台的震动不干扰振弦称重传感器的输出。动态汽车称重使用这种传感器时，不需要另加低通滤波器，“液压转换”起了“低通滤波”的作用。

再者“微摩擦阻力活塞油缸”采用的密封圈为Yx型，对高压、低压的密封都很好，使用油脂，因其粘稠而易于密封，因其润滑而保护密封圈不易切边，故工作寿命较长；又因其可做成微摩擦阻力，致液压转换振弦称重传感器有可能误差为万分之几，这主要取决于振弦压力传感器的精度，而“高准确度振弦压力传感器”发明专利解决了这一问题，保证这种传感器取得成功，并有广泛应用前景。

3 结语

山东科大老师们创新的液压转换式振弦测力称重传感器，是一种具有重要实用价值，值得重视并有良好应用前景的测力称重传感器。

参考文献

[1] 邓铁六，赵振远.DK-2A型单体液压支柱密封质量检测仪及其应用[J].煤炭科学技术，1991（1）：21-23，63.

[2] 邓铁六，赵胜利，赵振远，等.高准确度振弦传感器研究[J]，山东科技大学学报：自然科学版，2010，29（1）：52-57.endprint