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2011年我国称重测力技术的现状和展望

来源:称重传感器  日期:2011年07月05日


称重测力技术是衡器工业的核心,是自动化控制和贸易计量的重要手段,是现代化建设中不可或缺的技术工具。如应用于电站、化工等企业的锅炉燃煤系统,可有效利用能源.加强企业管理:应用于冶金等行业的张力、轧制力的测量,能节约原材料提高产品质量:用于港口、车站、机场,可加快海、陆、空运输的计量速度,提高作业效率,增加商贸经济效益,在国际贸易中,还可提高国家主权地位。本文结合我国数位资深专家的观点,来分析我国衡器工业发展的现状,并对其展望。

      一、技术前沿


      1、动态称重是称重领域的重大难题

      动态称重(Weigh in Motion.WIM)是一项复杂的技术。现有的机械衡器和电子衡器都离不开两个必需条件:一是重力场:二是静力平衡。因此将这些称为静态衡。实质上物体的质量是不能直接进行测试,它是是基于牛顿第二定律所描述的所有的物质惯性特性而建立的,即F=ma的特殊形式W=mg式中g为重力场的重力加速度。但在科研、生产中,常常需要对运动中的物体进行称重.这时静态质量测量法和静态电子秤就无能为力了。


      为了解决称重领域的这一重大难题。国外学者早在2O世纪8O年代中期就开始研究工作。并已取得阶段性的成果。目前,动态称重技术已经有了新的进展。对物体在运动中进行称重是由称重传感器、称重控制仪表等部分组成的动态称重系统,严格来讲它是一种数据采集系统。并没有实现闭环的自动控制。也就是说,它只对系统给出的信号值进行数字滤波、估算等特征性的处理。所以目前的动态称重方法主要是以信号处理为主的一种方法。实际上影响动态称重测量值和真值之间的误差主要取决于动态称重时的扰动和称重系统的量值传递函数。近年来我国动态称重技术的发展也取得了丰硕的成果,比如通过软件补偿的电子钢丝秤、公路车辆检测用的轴重秤、以及新型动态称重模块的研制等等。我们应该不懈努力、继续创新,只有这样我们才会取得更大的收获。


      2、动态称重中需要攻关的技术及装备

      运动中的物体快速通过称量设备产生的信号可看作是物体的静态称重信号与动态的物体振动信号的叠加。采用各种手段将振动的影响降低到最小是动态称重技术的核心。为此在动态称重领域必须解决如下关键技术及装置。


      (1)快速动态响应的高精度称重传感器和高精确度快速动态称重仪表技术及装备:称重传感器技术包括动态传感器测试以及模拟试验场地及装置等。传统的电阻应变式称重传感器,由于动态响应较慢已跟不上高速动态称重场合而石英晶体称重传感器以其频率响应宽、动态称重速度快、称重信号稳定的特点尤其受到青睐在国外已有实际现场安装应用的实例。这项技术在我国还属于弱项。称重仪表技术包括软件开发装置、模拟试验装置、仪表全性能测试设备、数字信号处理器(DSP)系统的快速动态称重CPU结构设计、高速动态称重轨道衡等。


      (2)高速动态称重数据处理关键技术及应用:包括振动与自振频率测试、频谱分析、函数记录、阻尼系数测试、多普勒雷达测速等。用先进的、最新的信号处理方法—— 经验模分解法(EMD)将称重信号中的动态分量分离出来,从而得到反映真实轴重的稳态值。


      (3)动态称重的测试环境和实验条件:建立动态称重测试环境和对测试环境的有效分析是解决动态称重技术的重要保障,它为其提供强有保障的技术数据和分析数据。模拟仿真阶段我国已取得了一定成果,现场实施阶段我们必须孤注一掷的去攻关。


      3、无线传感器网络


      无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)是一种自组织网络,通过大量低成本、资源受限的传感节点设备协同工作实现某一特定任务。它是信息感知和采集技术的一场革命,是21世纪最重要的技术之一。


      传感器网络为在复杂的环境中部署大规模的网络,进行实时数据采集与处理带来了希望。WSN在其他传感检测系统中的应用已经为它在称重测力技术应用中奠定了基础。


      4、多分量测力技术是一项新兴技术

      对空间任一力值矢量在择定的三维坐标系中最多可被分解为6个分量即3个力值分量Z、X、Y和3个力矩分量Mx、My、Mz。多分量测力技术即是指对6个分量中的至少两个分量同时进行测量的技术。

      随着科学技术的不断发展尤其是国防科技的不断发展多分量测力技术的应用也越来越广。如用于飞行器模型风洞实验和直升机旋翼动力学的研究中的多分力天平、用于测量和控制机器人关节的多分量力传感器、用于汽车轮胎性能检测的多分量测力仪、以及石油钻探受力测量、发动机推力矢量测试等近10年发展起来的用多分量测力仪进行测力机(材料试验机等)性能的检测应用不仅大大丰富了多分量测力仪的应用领域而且很大程度上提高了多分量测力仪的设计、制造、试验及应用水平。


      我国衡器工业发展到今天已经取得的突破性的进展,随着自动化控制技术的发展,摆在我们衡器工业人面前的问题也是层出不穷,除了上述外还有诸如:冶金、化工、铸造、航天、核电等行业对高温电子秤需求迫切;张力在线动态检测传感器;连铸钢坯定尺定重切割技术等都已摆在我们面前,要求我们去不断开拓。

      二、发展趋势

      1、光纤光栅称重传感器研究


      近年来,光纤光栅传感器已被广泛研究和发展。由于光纤传感器具有小尺寸、高灵敏度、抗电磁干扰和易组成准分布测量等优点,使其成为测量应变、温度、压强、加速度、冲击力等物理量的理想传感器。满足布喇格反射条件的光纤光栅反射波长,在外界物理场的作用下,因其栅格周期或折射率的改变而发生漂移。利用光纤布喇格光栅(Fiber Bragg Gyration,FBG)进行传感,最大的优点在于FBG的波长绝对编码特性,这使得测量结


      果不受光源功率的波动和系统损耗的影响。而且采用光纤传感技术可以组成分布式网络,符合现代智能网络化发展。

      由于光纤光栅作为传感器相对于传统传感器有以上优势,近期围绕着光纤光栅应用在称重领域研究已有大量报道。已发表的研究报告中对光纤称重传感器研究有了实质性的突破。

      2、动态称重和数字称重是电子称重技术发展的必然趋势


      其中数字称重系统与模拟称重系统的根本区别是:(1)模拟称重系统其最底层的溯源器是标准法码,而数字称重系统为标准力源,这一特性奠定了数字电子衡器无法码检定的理论基础,为工业称重计量节省了大量人力物力。(2)数字称重系统可对本系统内的每一个称重传感器有识别、自检、控制的能力,大大提高了系统的自动控制能力。正是数字称重技术克服了模拟称重系统固有的缺点,使称重计量技术跟上现代工业生产过程自动化、智能化的发展潮流。所以数字称重传感技术是现代称重计量与控制系统工程的重要发展方向,能适应代表现代控制技术发展趋势的现场总线、控制网络和信息网络技术发展的需要。


      3、电子衡器向小型化、模块化、集成化、智能化及综合化发展


      根据国内外市场需求可将电子衡器的发展趋势归纳为:小型化、模块化、集成化、智能化及综合化。(1)小型化:电子平台秤其结构就体现了体积小、高度低、重量轻,即小、薄、轻的发展方向。(2)模块化:如大型动态电子汽车衡等,秤体采用几种等宽度的标准模块,经组合可形成5~28m的多种规格秤体。这种模块化的分体式结构提高了产品的通用性、互换性和可靠性还降低了成本。(3)集成化:实现秤体与称重传感器、钢轨与称重传感器、轨道衡秤体与铁路线路的一体化或集成。(4)智能化:称重显示控制器与电子计算机相结合,利用后者的智能来增强前者的功能,从而使电子衡器能够进行推理、判断、自诊断、自适应以及自组织等。(5)综合化:综合各种技术来同时解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。


      三、综述


      纵观我国衡器工业的发展史,展望我国衡器工业的发展趋势。我们会觉得任重而道远,这对我们从事衡器工业的人提出了目标,为我国衡器工业的相关企业提出了要求。我们必须紧跟国际技术潮流,不断的完善和创新。为我国衡器工业的发展奠定坚实的基础。从而使我国衡器工业技术位于世界前列。

 


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