• 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(guò)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(chē)、火車(chē)的機(jī)車(chē)的重心關(guān)系到汽車(chē)、機(jī)車(chē)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(guò)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(chē)、船舶、坦克等重型工程裝備中，重心的檢測(cè)和測(cè)定也是一項(xiàng)*的步驟。由于重心的測(cè)量原理已經(jīng)特別明確，針對(duì)不同的被測(cè)對(duì)象可以采用不同的測(cè)量方法；目前測(cè)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(cè)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(cè)量物體重量及重心的方式目前有三種方式：稱(chēng)重平臺(tái)式、懸掛式、千斤頂式；無(wú)論何種方式都是通過(guò)3點(diǎn)、4點(diǎn)或多支撐點(diǎn)的測(cè)力傳感器感知力值的大小，再通過(guò)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(guò)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(cè)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(cè)力傳感器（或稱(chēng)重平臺(tái)）、一套稱(chēng)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(cè)力傳感器（或稱(chēng)重平臺(tái)）感知的力信號(hào)通過(guò)數(shù)字模塊進(jìn)行采集、A/D轉(zhuǎn)換、處理，然后通過(guò)信號(hào)線(xiàn)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(jiàn)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(cè)量物體重量及重心的方式目前有稱(chēng)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(chēng)重平臺(tái)式是在每一測(cè)力的支撐點(diǎn)下放置一臺(tái)稱(chēng)重平臺(tái)，通過(guò)稱(chēng)重平臺(tái)感受被測(cè)物體施加的力；其二，懸掛式是通過(guò)多套拉式測(cè)力傳感器將被測(cè)物體以一定的要求懸掛起來(lái)，由拉式測(cè)力傳感器感知被測(cè)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(cè)力傳感器，通過(guò)千斤頂頂推測(cè)力傳感器，測(cè)力傳感器頂起被測(cè)物體進(jìn)行測(cè)力；其四，在每一稱(chēng)重平臺(tái)上放置一千斤頂，將稱(chēng)重平臺(tái)作為千斤頂?shù)牡鬃脚_(tái)，由千斤頂支撐被測(cè)物體，通過(guò)稱(chēng)重平臺(tái)感知所測(cè)力；以上這四種組合形式可根據(jù)被測(cè)物體的實(shí)際，需靈活組合和使用。

在這里，測(cè)力傳感器也常被叫作稱(chēng)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(cè)傳感器、載荷監(jiān)測(cè)傳感器、負(fù)荷傳感器、負(fù)荷檢測(cè)傳感器、負(fù)荷監(jiān)測(cè)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(cè)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(chē)、汽車(chē)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(cè)量精度；

㈡ 基于力矩平衡原理測(cè)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(cè)量或輪重測(cè)量，物體受支撐力變形或因采用傾斜法測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向力，均由支撐傳感器或稱(chēng)重平臺(tái)承擔(dān)，因此影響稱(chēng)量精度。

㈢ 一般電子衡器在稱(chēng)重時(shí)時(shí)間很短，國(guó)標(biāo)要求僅為30min,而物體重心測(cè)量如飛機(jī)稱(chēng)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(cè)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(chēng)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(cè)量結(jié)果。

㈣ 該系統(tǒng)一般為移動(dòng)使用，如飛機(jī)稱(chēng)重所用（除固定式稱(chēng)重平臺(tái)外）測(cè)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(chēng)重板使用狀態(tài)與標(biāo)定狀態(tài)不一致，影響著測(cè)量精度。

㈤ 對(duì)于大型設(shè)備的重心測(cè)量時(shí)，其安全性要求較高，如飛機(jī)、1200噸海工平臺(tái)、汽車(chē)等設(shè)備的稱(chēng)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(cè)量。

2、解決方法和措施：

㈠ 為保證系統(tǒng)的精度要求和長(zhǎng)時(shí)間（大于6小時(shí)）連續(xù)稱(chēng)重，在設(shè)計(jì)稱(chēng)重平臺(tái)結(jié)構(gòu)時(shí)，保證稱(chēng)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(zhǎng)度的1/1000，并要求稱(chēng)重平臺(tái)的高度盡可能的低，以便降低系統(tǒng)稱(chēng)重平臺(tái)重心，保證測(cè)量穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。

㈡ 為了減小或消除傳感器在物體稱(chēng)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(chēng)重系統(tǒng)誤差符合要求，在設(shè)計(jì)稱(chēng)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(chēng)重平臺(tái)組稱(chēng)重時(shí)可進(jìn)行360度方向滑移30mm,當(dāng)稱(chēng)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(zhǎng)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(zhuān)門(mén)、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(guò)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(cè)設(shè)備嚴(yán)格的檢測(cè)等措施，以保證傳感器的長(zhǎng)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(guò)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(chēng)重平臺(tái)上設(shè)計(jì)有阻輪擋條，在千斤頂式的稱(chēng)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(guò)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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