液压测力传感器研制与性能试验研究.pdf

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2011正仪表技术与传感器2011第6期InstrumentTechniqueandSensorNo．6液压测力传感器研制与性能试验研究杨庆，邓年春，张川(1．柳州欧维姆机械股份有限公司，广西柳州545005；2．广西工学院土木建筑工程系，广西柳州545006)摘要：利用液体传递压强的原理构建液压测力传感器，它主要由储液缸、承载液体、变送器和荷载分散板4个部分组成。储液缸内的液体将承受的荷载转换成液体压强，变送器测量出液体压强，并直接转换成力值显示。文中对液压测力传感器的结构设计和制作工艺进行了描述，在此基础上对它的力值传感、温度影响、疲劳性能和长效静态性能等进行了试验研究。研究结果表明：液压测力传感器的传感性能良好，受温度影响小，疲劳试验前后能满足测量要求，并适用于预应力锚索索力长期测量。关键词：预应力锚索；张力测量；液压测力传感器；传感性能中图分类号：U446文献标识码：A文章编号：1002—1841(2011)06—0006—02DevelopmentandPerformanceTestofHydraulicLoadCellYANGQing，DENGNian—chun，ZHANGChuan．(1．LiuzhouOVMMachineryCo．Ltd．，Liuzhou545005，China；2．CiviiandArchitecturalEngineeringDepartment，GuangxiUniversityofTechnology，Liuzhou545006，China)Abstract：Thehydraulicloadcellwasbuiltwiththeprincipleoftheliquiddeliverypressure．Itwasmainlymadeoftheliquidstoragecylinder，bearingliquid，thetransmitterandtheloadspreadsheet．Theloadwillbeconveaedintoliquidpressurebyoilinstoragetank，whichismeasuredbyliquidpressuretransmitter，shownasforcevalues．Thispaperdescribedthestructuredesignandmanufacturingprocessofthehydraulicloadcel1．Itresearchedtheperformancesofforcesensing，temperatureefect，fatigueandlong-termstaticdurability．TheresultsshowthatthehydraulicloadcellhasagoodsensorperformanceandCansustaintemperatureandfatiguetest．Itisappliedtolong—termcableforcemeasurementsofprestressedanchorcable．Keywords：prestressedanchorcable；tensilemeasurement；hydraulicloadcell；sensorperformance0引言1传感器的受力模拟与制作工艺锚索结构施工过程中常需要测力传感器进行施工监控。1．1液压测力传感器组成安装于锚具螺母下的测力传感器，经常被采用，其主要类型有传感器的传感器体由储液缸、承载液体、液压变送器和荷电阻应变式测力传感器和振弦式测力传感器。它们的结构原载分散板4个部分组成，见图1，为了保护液压变送器，一般装理都是在弹性体上安装敏感元件，利用弹性元件的变形测量出有变送器保护罩。内含承载液体的储液缸，用于承受结构荷受压荷载。该类传感器的弹性体一般都比较高，为了能够保证载，并将荷载信号转换成液体的压强。为了减少温度影响，液足够的准确度，高度一般为直径的1．5倍。传感器具有较高的腔的体积尽可能小。变送器的作用是将带有荷载信息的液压高度，一方面需要较大幅度增加锚索长度，易造成结构受力不信号转化成电信号。荷载分散板的作用是将锚索锚具上螺母利的影响，另一方面容易引起偏载，造成较大的测量误差。应的受力均匀地传递给弹性体储液缸。储液缸的材料采用可焊变式测力传感器一般采用粘结胶使应变片与弹性体同步变形。性好、强度高、物理性能稳定以及具有良好的机械加工和热处由于胶自身存在蠕变和易受潮的原因，该类测力传感器不适用理性能的Q345材料制造。承载液体，采用综合性能好的于长期测量。振弦式测力传感器，每测量一次的时间达3S，属DC200号硅油。变送器采用溅射薄膜液压变送器。于静态测量，不能实现动态测量。该方法同样也会存在因偏载造成测量不够准确的问题。近期，国外出现了一种新型液压测＼／／，＼／力传感器J，它由2块刚性板焊成一个整体的环形柔性薄膜盒——储液缸，内部充填无气体的液体，形成真空，而盒的旁边则又是连接一个机械压力表或溅射薄膜压力变送器，盒的轴向图1液压测力传感器结构图刚度非常小，可忽略不计，因此利用每个测力传感器所提供的1．2传感体的受载数值模拟标定数据可很容易地将读数转换成所量测的荷载。文中主要为了分析传感器的传感体在受荷情况下的整体和局部受研制该类液压测力传感器，并对其传感性能进行试验研究。力情况，并对结构进行优化。采用有限元软件ANSYS对其进行受荷模拟分析。储液缸采用8节点三维实体单元SOLID45收稿日期：2010—09—29收修改稿日期：2011—03一l0模拟，液体的压强用等效荷载模拟。加载工况采用从0力值到 第6期杨庆等：液压测力传感器研制与性能试验研究7120％量程荷载等量分级加载，每级荷载增量为20％量程荷载。和温度的加载试验，温度从室温31℃升温到50℃，每级温度结构优化计算过程中，使120％量程荷载工况下，弹性体受力达取5℃，变化。同级温度下，恒温1h使传感器温度恒定后，荷到屈服。由此校核结构强度情况并优化结构。载由50kN开始，加载至200kN，然后每级加载200kN，逐级加1．3传感器的制作工艺载至2000kN，每级荷载均持荷5min，连续加载3次。不同温传感器的制作工艺主要包括机械零件加工、防腐处理和灌度和不同力值下的电流力值曲线如图4所示。试验结果表明油组装3部分。首先对储液缸、荷载分散板和变送器保护罩进从3l一50℃，同级荷载不同温度下的最大均方差为0．052mA，行机械加工，之后将储液缸的上板和下板焊接形成可密封的储偏差0．68％FS．由上述试验结果可知，液压测力传感器受温度液腔，储液腔上有对称两孔与外面相通。储液缸的焊缝需要检影响不大。测，待检测合格后，对荷载分散板、储液缸和保护罩进行表面防腐处理。传感器制作比较重要的一道工序是组装灌油工艺，需要先将硅油静置一段时间排除融入其中的气体，然后将储液缸内腔抽成真空。抽真空过程中，将储液缸垂直放置使2个孔处于竖直线的正上和正下方，从上方孔道抽真空从下方孔道往空腔内灌油，待灌满油后安装螺堵和变送器以堵塞孔道，形成密封液腔。下方灌油时，研制了一套专用的挤压灌油装置。2传感器性能试验研究2．1力值传感试验为了研究液压测力传感器的力值传感性能，在某试验室的500T压力试验机上进行了力值加载试验，测试及加载过程参照《标准测力仪检定规程》(JJG144—2007)。对传感器先预加载满量程3次，然后至少分6级进行重复加载试验，每次加载的负荷保持时间为30s一1rain．每次加载被卸载之后，等待回图3自动恒温装置2O0o零至少308．对4000kN液压传感器(CLY400—154H)进行重复加载试验，力标准传感器采用0．3级5000kN标准测力仪1500EHB一5000，数据采集仪采用2000标准负荷仪。3次加载过程Z的力值传感曲线见图2。试验结果表明，传感器的灵敏度为翥l000333．4kN／rnA，线性度为1．7％，最大重复性误差为0．04％。电500流的最大偏差为0．012，力值最大不确定度为1．0％。034电流／mA3z图4不同温度和不同力值下的电流一力值曲线謇。2．3疲劳性能试验1为检验液压传感器的疲劳性能情况，在实体拉索做疲劳试验的过程中，同时安装液压传感器进行试验，在300T疲劳试验电流41t／ma机进行。对一台CLY300—224H液压传感器进行2×10次加图2CLY40o一154H传黪器力值传感曲线载的疲劳试验，力值在2170～2581kN内波动。疲劳试验前2．2温度影响试验后，采用同一标准传感器和同一台数据采集仪表，对传感器进为了研究液压传感器的零点温漂情况，在HS025恒定湿热行加载试验。测试结果表明，经过2×10。次疲劳试验后，传感试验箱内进行升温试验。5000kN液压传感器(CLY500—器的测量误差在3％FS以内。240H)，自由放置在恒温箱内，温度从室温28℃升温到50℃，2．4长期性能试验每级温度取5℃，为了使传感器内部温度达到均衡，每级温度为了研究传感器的长效测试性能，在某试验室的混凝土台恒温4h之后再读数，该传感器电流变化的最大值范围为座上，安装CLY200—215H传感器和M15—27锚具，并加载让13ⅡLA，此时传感器的零点漂移量为0．35％FS．其长期承受1500kN左右作用。在同根锚索的两端，分别安装为研究传感器在受荷情况下受温度影响情况，将2000kN了一个液压传感器。在传感器安装前的2008年3月12日对传液压传感器(CLY200—125H)安装于锚具静载试验台架上，传感器进行了标定，2009年2月4日将传感器从试验台架上拆卸感器位于拉索端部的锚具螺母下。含传感器的端部采用保温下来，并对传感器进行了测试，2个传感器经过接近1年时间受桶密封罩住，保温桶与自制的自动恒温装置(见图3)相连，保荷作用后，电流最大变化量0．447mA，此时变化相对偏差为温桶内放置可实现显示和反馈控制的温度传感器。不同力值1．3％FS．(下转第11页) 第6期吕迎春等：固体支撑双层类脂膜电极的稳态特性分析由于矗与参加反应的离子浓度的对数成正比变化，所以[6]TIENHTi，毕只初．从双层类脂膜到生物分子电子器件的研究．化．学传感器，2000，20(2)：4—6．项应为确定值。因而根据式(14)可知，对于确定的电极来logG[7]张彦莉．双层类脂膜与离子通道分子自组装性质的研究：[学位论说，k值随离子所带的电荷数及温度变化。文]．北京：军事医学科学院，2002．3结束语[8]YANLizhang，DUNLOPJ，THAIP，eta1．Supportedbilayerlipidmem—branesmodifiedwithaphosphateionophore．BiosensorsBioelectronics，从传感器研究的角度分析了嵌入膜中的受体与对应底物2006，21：2311—2314．作用时，S—BLM电极对底物的响应特性及其规律。研究结果[9]LIUAB，RIECKD，BERNARDJ，eta1．Bilayerlipidmembrane表明，在稳态条件下可以开发性能良好的S—BLM电导传感(BLM)basedionselectiveelectrodesatthemeso-，micro一，andnano-器。电导是物质组成结构所决定的固有属性，它不随电极的电scales．BiosensorsandBioelectronics，2009，24：1843—1849．压、电流变化，因此电导传感器会有较高的抗干扰能力。[1O]李裕辉，张洪伟，宋桂兰，等．直流偏压对于在玻碳电极上双层类参考文献：．脂膜成膜过程的影响．电化学，2007，13(1)：6—11．[1]朱宪，叶宇挥，孙当如．用平板双分子层脂膜模拟研究锌离子跨细[11]甘礼花，张付清．异丙酚与支撑双层类脂膜作用的电化学研究．胞膜的传递过程．环境化学，2005，24(5)：558—561．化学与生物工程，2009，26(3)：5O一52．[2]CASSIA．MOURAR，POPESCUA，LIMAJRSA，eta1．TheDynamic[12]马福昌，吕迎春．金属支架对BLM的K离子敏感特性的影响．ActivationofColicinIaChannelsinPlanarBilayerLipidMembrane．微纳电子技术，2007(7／8)：339—341．theor．Biol，2000，206：235—241．[13]蔡红，王斌，张占军．c60修饰的S—BLM离子传感器的研究与应[3]LIUXiaohua，BAIHaixin，HUANGWeimin，etal，Concentrationand用．安徽大学学报，自然科学版，2003，27(1)：84—88．timedependantbehaviorofchlorpromazineinteractionwithsupported[14]刘盛平．基于支撑双分子层膜的智能生物传感器系统研究：[学bilayerlipidmembrane．ElectrochimicaActa，2006，51：2512—2517．位论文]．重庆：重庆大学，2003．[4]安身景，甘礼华，陈柳华，等．联萘酚与固体支撑双层类脂膜相互[15]郑先科，李国华．机能实验科学．北京：北京大学医学出版社，作用．物理化学学报，2010，26(7)：1847—1851．2005：28—30．[5]BECUCCIL，INNOCENTIM，SALVIETI'IE，eta1．Potassiumion作者简介：吕迎春(1977一)，讲师，硕士，在读博士，研究方向为电化学transpo~bygramicidinandvalinomycinacrossaAg(111)-supported传感器。E—mail：xiaolv8853@126．corntetheredbilayerlipidmembrane．ElectrochimicaActa，2008，53：6372—6379．(上接第7页)大偏差为2．7％．2．5偏心受载试验(4)2000kN的CLY200—125H型液压传感器，2mm偏心传感器用于锚索索力测量时，它们之间的安装属于配合安受载情况下，最大偏差为0．2％FS，5mm偏心受载最大偏差为装，传感器与锚具的螺母之间往往存在一定的偏心。为了研究0．3％FS．结果表明，偏心受载对测量精度影响不大。偏心受载对传感器测试性能的影响，在5000kN液压万能试验总之，液压传感器的高度较小、传载较均匀。对传感器进机上对2000kN的CLY200—125H型液压传感器进行分级重行荷载传感、温度影响、疲劳试验、长期静载、偏心受载等方面复加卸载试验，试验荷载从200kN逐级加载至2000kN，每级试验研究，结果表明液压传感器测试性能良好。荷载200kN，每级加载均持荷5rain，连续加载3次。标准传感参考文献：器采用0．3级标准测力仪，最大偏心量分别取2mm和5mm．[1]邓年春．桥梁缆索索力测量传感器及测量系统研究：[学位论文]．其中2mm偏心受载与对中受载情况对比，电流值最大变化量为上海：同济大学博士后出站报告，2010：56—79．0．016mA，偏差最大为0．2％FS；5mm偏心受载与对中受载情[2]张川．液压传感器及监测系统研究：[学位论文]．柳州：广西工学况对比，电流值最大变化量为0．049mA，偏差最大为0．3％FS．院，2010：16—37．[3]鲁冬林，李永新，谭业发．基于集成技术的智能液压传感器．矿山试验结果表明，偏心受载对测量精度影响不大。机械，2004(5)：52—54．3结束语[4]杨小强，付万刚，刘鹏．基于多传感器数据融合技术的液压传感基于液体传递压强比较均匀的原理，研制了液压测力传感器．矿山机械，2003(11)：64—65．器，并进行了多方面的传感性能试验，可得出如下结论：[5]周光炯．流体力学，2版．北京：高等教育出版社，2000．(1)传感器的传感线性度和重复性比较好，测量精度较高。[6]李文科．工程流体力学．合肥：中国科学技术大学出版社，2007．(2)传感器的零点和受荷情况下，受温度影响较小。[7]李玉柱，江春波．工程流体力学．北京：清华大学出版社，2007．(3)在接近一年的长期静态试验过程中，2000kN的作者简介：杨庆(1974一)，工程师，主要从事预应力产品的检测与试验。CLY200—215H型传感器的相对偏差为1．3％FS，3000kN的E-mail：ayager@sohu．cornCLY300—224H型传感器，在200万次脉冲疲劳试验前后的最