动态车辆地磅的传感器选择

"本文叙述了在动态地磅设计中的传感器的选择设计，这在其设计工作中是至关 重要的。在充分了解地磅的力学状态和工作环境及传感器的技术性能的基础上，从传感器的机 理和内在指标上来选择，以此从根本上保证地磅的主要技术指标、计量精度、使用寿命。以避免 更改设计或频繁更换传感器，将核心装置传感器视为易损件。

在我国常用的动态车辆地磅有动态轨道衡、动 态汽车衡和动态轴重仪，它们或者作为大宗物料计 量的结算依据，或者作为铁路、公路限载的检测装 置。应用数量大，行业范围广。而其中作为地磅的核 心?传感器的选择却至关重要，合理地选择传感 器是动态地磅准确可靠测量的基础，也是保证地磅稳定性和使用寿命的基础。因此，必须选好、用好传 感器，做好传感器的选择设计工作。

一、动态车辆的载荷作用状况

动态车辆在路基上运行是一个复杂的车辆动力 学问题。如铁路车辆在铁轨上的运动，汽车在公路上 的运行，它们对路基的作用力除了质量产生的重力 外，还有其多维振动而产生的附加力，其方向多维， 而大小随机，作为地磅是不需要这些不良数据的。因 此，设计者们力图千方百计地排除这些不良数据。为 此，设计者在线路设计上充分考虑其平整度，设计了 又平又直的线路，并通过精心施工得以实现。避免了 线路路面坑坑洼洼和曲曲弯弯所至车辆的多维振 动。尽管如此，车辆在一定速度运动中仍有10%左 右的振动分量，而进入秤台的过冲又常常大于上述 数值。为此既增加了动态称量精度提高的难度，又减 少了衡器的使用寿命。而作为动态地磅中最核心的 部件??传感器，则要承受和传感全部的力，并将其 如实转换成电量传递至仪表。既然是动态称量，车辆 的轴上的全部重量将在瞬间直接加到首先接触的传 感器上，使其承受额定质量的瞬时冲击，而不是缓慢 的从零到额定负荷的递增加载。另外，作为动态地磅是为了解决运输效率和计量效率的，因此其过衡量 相对来说是载荷大而频繁加载。为了提高运输与计 量效率去提高车辆的计量速度，为此高速测量尤为 重要，除了对仪表有更多的要求之外，对传感器的动 态响应也有相应的要求。

二、传感器的选择设计

1.传感器结构形式的选择

常应用在动态地磅的传感器的结构形式以柱式 为多，同时也有较大量的轮幅式、桥式、悬臂梁剪应 力式等传感器，这些结构形式的传感器在动态地磅中都有成功的应用范例，在综合考虑秤体机械结构 设计、限位装置设计等合理的选择传感器的技术参 数及传感器上下承压件结构形式的基础上，则大部 分传感器均可用于动态地磅，甚至包括拉式的和相 关性能较差的环式传感器。

常用的柱式传感器、剪应力传感器（轮幅式、桥 式、悬臂梁）各有其特点，柱式传感器都是浮动安装 的，上下为球面，以确保重力通过其轴线，克服其抗 侧向力、抗偏载能力差的弊端。而剪应力传感器由于 抗侧向力和抗偏载能力强，因此其弹性体则牢牢地 固定在底座上，而底座又牢牢地固定在混凝土基础 上，保证了传感器的相关技术指标，确保秤体结构的 长期稳定而免于维修。

传感器的选择关键在于额定载荷及灵敏度的 选择！机械结构"秤体）的确定！限位器的形式！倾翻 和稳定度！高度上的附加力矩以及防水浸,安装调 试和维护修理的便捷等因素。综合以上多方面的因 素去考虑传感器的结构形式，而不是从传感器的本 身结构形式去否定很多传感器，使其不能用于动态衡 器。应该说大部分结构形式的传感器都适用于动态衡 器，只不过要综合多方面因素来优化设计与选择。

2.从传感器的灵敏度去选择

传感器的灵敏度是作为力一电转换装置的核 心参数，灵敏度是惠更斯电桥中输出与输入的内在 转换系数。就某一传感器来说，电桥的输出与输入 传输比在一指定载荷下具有固定不变的数值。而电 桥传输比又正比于弹性体应变的大小，在仪表检测 技术比较落后时，常常追求高灵敏度传感器而弥补 仪表的分辨力不足，因此这也就成了动态地磅之大 忌。众所周知，高灵敏度传感器具有较低的过载能 力和较短的寿命，人们作了大量试验证明了灵敏度 与传感器疲劳寿命的关系，一般灵敏度在3mv/v时 疲劳寿命在105~106左右，灵敏度在2mv/v时疲劳寿 命在106~107左右，而灵敏度在lmv/v以下时则疲劳 寿命在107以上。一般传感器的弹性体在额定载荷 下，其应变计粘贴处的应变值在1500!"左右，这对 动态衡器的传感器来说，这样的应变值显然偏大 了。应该使应变计的最大应变值控制在500~ 1000!"，这样可使其疲劳寿命延长至107~108或更 高。然而通常称重传感器的灵敏度均为2mv/v，则可 视其标称额定载荷的一半按额定载荷去计算与设 计。如额定载荷为20吨的、灵敏度为2mv/v的传感 器，可视为额定载荷为10吨的，灵敏度为1mv/v的 传感器去参与设计选择，只不过是将原有的3000 分度值的传感器变成1500分度值。其它则无影响。 这样可大大延长使用寿命和动载破坏几率。近些年 来高分辨力、高位数仪表已履见不鲜，其核心技术 巳经突破的情况下，采用低灵敏度传感器巳成为可 能，同时也是动态衡器所必需。高灵敏度的传感器 在不能保证动载疲劳寿命、冲击载荷的使用状况 下，则并不为优势，而低灵敏度、高线性、高分度值 才显传感器技术水平的高超。

3.传感器的动态响应作为动态地磅，对传感器的动态响应速度有较 高的要求。动态响应快的传感器，可以使动态车辆 在高速下计量，并可以提高其动态计量精度，而电阻 应变式传感器正好具备了这种动态响应快的特点， 电阻应变式传感器的核心是弹性体上的电阻应变 计。它的转换过程是重力使弹性体产生应变，而弹性 体又使粘贴在弹性体上的应变计产生应变，而电阻 应变计的应变则使其电阻发生改变，则由此前组好 的惠更斯电桥输出相对应的电压。在此过程中，重力 作用于弹性体时的重力波首先传至弹性体上部，之 后进入应变计粘贴区域，重力波通过弹性体传至涂 层、应变计基底至应变栅，而由应变栅转换成电量传 至仪表。其中重力的应力波在金属弹性体的传播速 度为5000mm/ms，弹性体通过涂层、基底传至应变 栅的时间为0.2!s，应变栅一般为10mm左右，传播 时间约为2@，而且这种传递是弹性体通过应变胶 强迫应变栅跟随弹性体应变的。即使为10mm长的 应变计的承受的应力波也是从两侧向中间传递的, 这也就是说传感器的核心转换区域（弹性体贴应变 计区域）的应力波传递时间为1!S左右。那么应力 波在弹性体其它部位的传递时间为未直接力电转变 的无效时间，大约在10!s左右，它的作用和车轮作 用于秤台，重力波通过秤台传至传感器一样均为无 效时间，就是说从车轮（力源）至秤台全部途径和传 感器除应变计粘贴处所经途径是一样的。相对来说 秤台的尺寸和重力波传递距离则会远远大于传感器 的距离，而秤台设计又因车辆称重的动态称重的技 术要求而定，并不易缩短。从车辆的车轮到传感器的 传递距离一般在几百毫米至几米左右，这个距离正 是为了力的传递和分割应称车辆和不应称车辆的重 要尺寸。 因此从车辆作用于秤体到传感器弹性体的 应变计粘贴区外，并非真正的动态应变的响应时间, 只有在应变计处完成力与电的转换，动态应变才能 得到“响应”。而在应变计处的应力波传递时间只有 1!s左右，则电阻应变式传感器的动态响应时间完 全可以满足动态衡器的要求，相比之下在动态衡器 的各个组成部分，传感器的动态响应速度不是薄弱 环节，瓶颈却是称重仪表，称重仪表的核心为A/D 转换器，其在高速转换时，常常发生位数减少、分辨 力降低的现象。而称重仪表的分辨力尚落后于传感 器的感量，就是说再微小的重力作用于传感器都会 有相应的感量，都会有相应的阻值变化，然而这些微 小变化常常制约于数字称重仪表的分辨力。

作为动态地磅，人们更主要的应该考虑的是车辆在秤台上的有效运行时间，可以作为动态计量米 样的时间，由此换算成的秤台有效长度。这是动态 衡器设计者首先要考虑的重要参数，在考虑好称重 要求的前提下，选择好称量方式，再按车辆车型参 数，选择较长的称量段以满足动态称重的要求，以此 增加动态采样时间，增加采样次数，尽量提供充分条 件为动态数据处理提供可能和保证。总之，传感器 的动态响应速度是完全满足于动态车辆衡器的动态 称重要求的。

4.传感器灵敏度的标准化

由于动态地磅传感器的使用条件恶劣，常常使 传感器在恶劣的力学和环境状态下因各种原因损 坏。而从另外一方面来说动态衡器，如动态轨道衡、 动态汽车衡、动态轴重仪的检定工作是一个受多方 面因素制约的庞杂工作，夸大的说是一个系统工程, 并且受检定部门全年检定计划和铁路、公路运输调 度计划所限制，这些工作的难度使受检部门感触太 深。需生产部门、运输部门、检定机构、计量部门的 统一协调。为此为避开非检定周期内的检定，使传 感器灵敏度标准化保证互换性，保证互换后的计量 精度，成为动态衡器用户所迫切要求的。传感器的灵 敏度标准化应控制在?.1%以内，如灵敏度为lmv/v 的传感器应为1?.001mv/v，灵敏度为2mv/v的传感 器应为2?.002mv/v，此时在更换传感器时就保证了 动态衡器的精度。然而，对于传感器依靠并联组成 输入输出电路时，则只依靠灵敏度的一致性还是远 远不够的，同时要考虑输入电阻和输出电阻的标准 化，使其不影响传感器的互换性。其输入电阻和输 出电阻的标准化程度在传感器并联电路中要求的基 础上再提高一倍，以确保互换后的精度。

5.从传感器的工作环境去选择

动态衡器的传感器工作环境是恶劣的，因此在 选择上要力求传感器有高的环境指标和高的电和力 的抗干扰性能，即防水、防尘、防雷电、电磁干扰、动 载窜动、温差形变等。其中防水防尘可以按照IP等 级体系去选择，防雷电除外部采取措施外，传感器本 身也应有相应的配置，至于传感器因动载和摩擦力 所使传感器的窜位（包括温差影响0，则应考虑传感 器底座可允许水平移动的，或者上下为球面的自动 回位设计。

三、特殊传感器的选择

在动态车辆的地磅当中，随着称量和传感器技 术的发展，一些特殊传感器涌入衡器，使传感器和秤 体一体化的方案多种多样。轨道式传感器、轨道贴 片式的剪应力和弯曲应力传感器、轨道垫板式传感 器、轴销嵌入式传感器，汽车轴重仪中的形式多样的 称重板。这种方案的诞生，大大简化了地磅的测量 系统，使机械构造减至最小，构件减至最少。并使不 采用混凝土基础成为可能，使系统总体无论从总体 质量到几何尺寸均减至最小。为此此种地磅巳经广 泛的应用于动态轨道衡计量和公路上的动态汽车轴 计量。由于其特点明显，选择时有所侧重。根据计量 工作的要求，着重于计量商业结算，还是生产工艺、 质量控制、安全运输、设备技术和路面承受能力要求 的计量精度。并根据车辆的结构参数、运行速度、动 态称量时间和能达到的计量精度去选择特种称重方 式的特殊传感器。

1.轨道衡计量中的特种称量方式即采用特殊传 感器的种类很多，大部分为轨道与传感器一体化。 如长和短轨剪应力传感器、弯曲应力轨道称重桥、嵌 入式轴销传感器、轨道垫板式传感器，以及结合轨道 垫板式传感器与嵌入式轴销传感器的组合计量方 式。这些多种形式丰富了静动态轨道衡计量而应用 于常规尤其是特殊场合，使其机械结构最大限度的 简化，总重量相当于原有秤体十分之一以下，形体尺 寸也相应减至最小，也减少了相关设施。由于这样 大刀阔斧的简化，带来了很多利于生产、利于安全、 利于施工的很多优点，首先使线路基础简化，甚至可 以无基础（无砼0，施工周期短，甚至可以不停产、不 停运，机械维修量减至最小。由于带来这么多的便 捷，又常常在常规轨道衡所无法承担的条件下，而采 用这种称重轨式传感器、轴销式传感器、轨道垫板式 传感器等可以解决很多轨道衡计量的老大难问题。 因此也得到了大的发展，仅轴销式传感器的轨道衡 就有超过百台在工矿企业服役。当然，种类繁多的 特殊传感器之所以广泛应用于动态轨道衡，是经过 研制者们解决了不少技术难题之后得以解决的。这 种特殊传感器作为静态衡器使用则其优点会发挥得 淋漓尽至；而作为动态衡器使用则需要采用不同的 对策和处理方法以及计量方式。例如采用轨道贴片 式的称重轨，无论是剪应力和弯曲应力式的，其弹性 体为现成的钢轨，其化学成分和物理性能和传感器 专用钢材差别甚大。显然不是理想的弹性体材料。 而其钢轨的结构形式也不是或不能满足高精度传感器的电测原理!加之钢轨本身不能满足长跨距"3.6 米%的弯曲应力强度，以及不断轨时钢轨之刚性一体 化的干扰。总之，比起经精心设计的高精度传感器 尚有许多技术难题需要解决。为此，这种特种传感 器或者说特种动态衡器的研制者们，经十多年的努 力使之得以改善，得以提高，得以广泛应用。他们采 用了多种办法，如采用轴销式传感器，就避开了原有 钢轨的材料问题，即可以选择传感器专用材料来制 作轴销式传感器；而轨道垫板式传感器则解决了动 态轨道衡的称量有效长度问题，同时也解决了传感 器所用材料问题；而对于轨道贴片式传感器则常采 用两两组合或多次轴计量来解决有效称重段不足问 题。这些特殊的和秤体一体化的传感器性能受结构 影响，常常得不到一般传感器的力学模型和理想的 边界条件，而使力的干扰因素进入应变区和外部非 理想力学模型的受力条件。而简化后的秤台有效长 度的减少使得仪表采样时间减少。而诸多难题的解 决，需要的是高科技与高技巧，从结构设计、工艺制 作、多种传感器组合、混合、多种多次计量等方式去 扬长避短，因此其特种传感器不但在静态上，在动态 轨道衡上也得到广泛的应用。

2.动态汽车轮重仪，也是一种典型的传感器和 秤体一体化的衡器。它的静态与动态精度虽说不高， 但作为高速公路的限载测量装置还是足以胜任的， 而且重量轻，体积小，无需土建施工、便携，在很多场 合能派上很好的用场。当然称重板的动态和静态精 度的提高同样受各种条件的制约，这种兼顾了秤台 的传感器或者兼顾了传感器的秤台，使得传感器脱 离了理想的受力条件和边界条件。又不能保证动态 称重的足够长度或时间，因此也只能作为高速公路 上汽车轮重限载测试衡器或设备。

四、结语

总之，动态车辆地磅的传感器选择是动态车辆地磅设计的一项重要工作。选择好的最适于动态车 辆地磅的传感器是保证地磅的计量性能的必要条 件，既可以长期频繁使用，甚至免于维护，又减少了 因更换传感器而带来的临时的繁琐的检定工作。动 态衡器的传感器的选择首先要有别于静态地磅的传 感器选择，无论从载荷上、灵敏度、输入与输出阻抗， 弹性体及附件的结构上都要认真考虑和重新思维。 决不能把传感器当作易损件而频繁更换，因为传感 器是衡器的心脏，尤其是动态地磅。因此，正确的而 又优化的选择好动态地磅的传感器，才能更好的保 证动态地磅特别是动态轨道衡和动态汽车衡等的高 速度和高效率的准确计量和运行。