• 概述：

確定物體重量及重心的位置在工程上有著非常重要的意義，特別是在有安全要求的物體應(yīng)用上尤顯其重要性。如在飛機(jī)的飛行過程中、飛機(jī)重心必須限定在一個(gè)相當(dāng)小的設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，尤其是飛機(jī)的起飛和降落飛機(jī)重心的準(zhǔn)確度直接影響著飛機(jī)的飛行安全；在汽車、火車的機(jī)車的重心關(guān)系到汽車、機(jī)車的牽引的運(yùn)動(dòng)性、運(yùn)行的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向的安全性；在機(jī)載各種機(jī)器設(shè)備的研制過程中，各種機(jī)器設(shè)備重量重心的確定是設(shè)計(jì)減震系統(tǒng)*的一項(xiàng)工作；在機(jī)車、船舶、坦克等重型工程裝備中，重心的檢測和測定也是一項(xiàng)*的步驟。由于重心的測量原理已經(jīng)特別明確，針對(duì)不同的被測對(duì)象可以采用不同的測量方法；目前測量物體重心坐標(biāo)方法有引力法、懸掛法、力矩平衡法、質(zhì)量矩守恒法等多種，對(duì)于重量較大的物體重心測量，力矩平衡法是現(xiàn)在zui常用的一種，利用力矩平衡原理測量物體重量及重心的方式目前有三種方式：稱重平臺(tái)式、懸掛式、千斤頂式；無論何種方式都是通過3點(diǎn)、4點(diǎn)或多支撐點(diǎn)的測力傳感器感知力值的大小，再通過采集系統(tǒng)對(duì)傳感器感知力值數(shù)據(jù)信號(hào)的采集，通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)該信號(hào)的解算，便得到物體重心的位置值，這便是本文將要介紹的基于力矩平衡原理的物體重量重心測量系統(tǒng)。

• 系統(tǒng)的基本原理和組成
  • 系統(tǒng)組成和原理

      系統(tǒng)由多套測力傳感器（或稱重平臺(tái)）、一套稱重儀表箱（含有數(shù)字模塊、電源模塊、RS232連接器等）、一臺(tái)筆記本電腦（含相應(yīng)的軟件）等部件組成。

從各測力傳感器（或稱重平臺(tái)）感知的力信號(hào)通過數(shù)字模塊進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換、處理，然后通過信號(hào)線與筆記本電腦連接，由筆記本電腦中的相關(guān)軟件對(duì)儀表采集傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行處理解算得到物體重心數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組成原理圖見圖1；

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

• 系統(tǒng)的支撐操作組合方式

利用力矩平衡原理測量物體重量及重心的方式目前有稱重平臺(tái)式、懸掛式、千斤頂式三種，因系統(tǒng)支撐操作不同而有多種組合，其一，單一的稱重平臺(tái)式是在每一測力的支撐點(diǎn)下放置一臺(tái)稱重平臺(tái)，通過稱重平臺(tái)感受被測物體施加的力；其二，懸掛式是通過多套拉式測力傳感器將被測物體以一定的要求懸掛起來，由拉式測力傳感器感知被測物體施加的力；其三，千斤頂式是在每一支撐點(diǎn)下的千斤頂頭部配裝一壓式測力傳感器，通過千斤頂頂推測力傳感器，測力傳感器頂起被測物體進(jìn)行測力；其四，在每一稱重平臺(tái)上放置一千斤頂，將稱重平臺(tái)作為千斤頂?shù)牡鬃脚_(tái)，由千斤頂支撐被測物體，通過稱重平臺(tái)感知所測力；以上這四種組合形式可根據(jù)被測物體的實(shí)際，需靈活組合和使用。

在這里，測力傳感器也常被叫作稱重傳感器、load cell、load sensor、重量傳感器、張力傳感器、載荷傳感器、載荷檢測傳感器、載荷監(jiān)測傳感器、負(fù)荷傳感器、負(fù)荷檢測傳感器、負(fù)荷監(jiān)測傳感器、力傳感器等。

• 影響因素的分析和解決方法

   1. 影響因素分析：

㈠ 運(yùn)用力矩平衡原理測量物體的重量和重心位置，對(duì)物體的要求是剛體的或物體受力變形小的，同時(shí)對(duì)物體的重心要求是不變的或者變動(dòng)非常小，但在實(shí)際應(yīng)用上，如飛機(jī)機(jī)翼剛性較差，受支撐力后變形較大，飛機(jī)空機(jī)以及油罐車、汽車等設(shè)備，都或多、或少都有油料或液體的存在，這將都會(huì)影響重心的測量精度；

㈡ 基于力矩平衡原理測量物體的重量和重心位置，采用的是多個(gè)單支撐獨(dú)力受力測量或輪重測量，物體受支撐力變形或因采用傾斜法測量時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向力，均由支撐傳感器或稱重平臺(tái)承擔(dān)，因此影響稱量精度。

㈢ 一般電子衡器在稱重時(shí)時(shí)間很短，國標(biāo)要求僅為30min,而物體重心測量如飛機(jī)稱重時(shí)要做各種姿態(tài)調(diào)整、放油等試驗(yàn)，用時(shí)在6小時(shí)以上，因此重量、重心測量系統(tǒng)所用儀表、傳感器的溫度性能、傳感器的蠕變性能、傳感器的抗側(cè)向力要求、以及稱重平臺(tái)的傳力結(jié)構(gòu)、平臺(tái)架的結(jié)構(gòu)形式等要求都將影響著測量結(jié)果。

㈣ 該系統(tǒng)一般為移動(dòng)使用，如飛機(jī)稱重所用（除固定式稱重平臺(tái)外）測量方法一般為可移動(dòng)式的，因此地域變化較大，很難保證物體水平，同時(shí)其支撐傳感器或稱重板使用狀態(tài)與標(biāo)定狀態(tài)不一致，影響著測量精度。

㈤ 對(duì)于大型設(shè)備的重心測量時(shí)，其安全性要求較高，如飛機(jī)、1200噸海工平臺(tái)、汽車等設(shè)備的稱重，因此在物體重量、重心系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、閉環(huán)控制設(shè)計(jì)以及重要的原材料選用和使用要求等方面都要進(jìn)行慎重考慮和嚴(yán)格要求，以保證物體安全測量。

2、解決方法和措施：

㈠ 為保證系統(tǒng)的精度要求和長時(shí)間（大于6小時(shí)）連續(xù)稱重，在設(shè)計(jì)稱重平臺(tái)結(jié)構(gòu)時(shí)，保證稱重平臺(tái)中心繞度在zui大載荷作用下不大于傳感器支撐點(diǎn)長度的1/1000，并要求稱重平臺(tái)的高度盡可能的低，以便降低系統(tǒng)稱重平臺(tái)重心，保證測量穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。

㈡ 為了減小或消除傳感器在物體稱重時(shí)的側(cè)向力，保證系統(tǒng)的標(biāo)定狀態(tài)與使用狀態(tài)一致，使稱重系統(tǒng)誤差符合要求，在設(shè)計(jì)稱重系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，除傳感器采用四柱式和雙膜盒結(jié)構(gòu)外，傳感器附件采用了可滑移回位傳力機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在稱重平臺(tái)組稱重時(shí)可進(jìn)行360度方向滑移30mm,當(dāng)稱重結(jié)束后附件自動(dòng)回到原位，采用千斤頂式支撐形式時(shí)，在千斤頂座下的可回位滑板也是采用此原理設(shè)計(jì)的。

㈢ 為保證大于6小時(shí)的長時(shí)間加載穩(wěn)定性要求，傳感器彈性體采用合金鋼40CrNiMoA或不銹鋼0Cr17Ni4Cu4Nb，經(jīng)專門、成熟的機(jī)加工藝加工和熱處理工藝處理；傳感器所用應(yīng)變計(jì)須經(jīng)過同批挑選、老化、去應(yīng)力等處理，以及進(jìn)行溫度性能篩選，同時(shí)傳感器進(jìn)行用高性能、高精度檢測設(shè)備嚴(yán)格的檢測等措施，以保證傳感器的長期穩(wěn)定性要求，并從中再挑選性能指標(biāo)優(yōu)者（特別是溫度、蠕變、滯后優(yōu)者）。

㈣ 為保證安全性，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)用傳感器時(shí)，除通過選擇彈性體合理科學(xué)的結(jié)構(gòu)外，并對(duì)傳感器的安全負(fù)載能力（150%F.S）和極限負(fù)載能力（300%F.S），進(jìn)行合理計(jì)算和嚴(yán)格保證；在稱重平臺(tái)上設(shè)計(jì)有阻輪擋條，在千斤頂式的稱重系統(tǒng)中，在裝有滑板的千斤頂與滑板之間設(shè)計(jì)有連接鎖緊機(jī)構(gòu)；在控制方面，除嚴(yán)格設(shè)計(jì)液壓舉升同步要求外，還通過采用位移傳感器進(jìn)行閉環(huán)控制以保證安全，可靠要求。

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