我國(guó)稱重測(cè)力技術(shù)的現(xiàn)狀和展望

我國(guó)稱重測(cè)力技術(shù)的現(xiàn)狀和展望
稱重測(cè)力技術(shù)是衡器工業(yè)的核心，是自動(dòng)化控制和貿(mào)易計(jì)量的重要手段，是現(xiàn)代化建設(shè)中不可或缺的技術(shù)工具。如應(yīng)用于電站、化工等企業(yè)的鍋爐燃煤系統(tǒng)，可有效利用能源．加強(qiáng)企業(yè)管理：應(yīng)用于冶金等行業(yè)的張力、軋制力的測(cè)量，能節(jié)約原材料提高產(chǎn)品質(zhì)量：用于港口、車站、機(jī)場(chǎng)，可加快海、陸、空運(yùn)輸?shù)挠?jì)量速度，提高作業(yè)效率，增加商貿(mào)經(jīng)濟(jì)效益，在國(guó)際貿(mào)易中，還可提高國(guó)家主權(quán)地位。我們要充分利用“十一五”的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本文結(jié)合我國(guó)數(shù)位資深專家的觀點(diǎn)，來(lái)分析我國(guó)衡器工業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，并對(duì)其展望。 
      一、技術(shù)前沿
      1、動(dòng)態(tài)稱重是稱重領(lǐng)域的重大難題 
      動(dòng)態(tài)稱重(Weigh in Motion．WIM)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。現(xiàn)有的機(jī)械衡器和電子衡器都離不開兩個(gè)必需條件：一是重力場(chǎng)：二是靜力平衡。因此將這些稱為靜態(tài)衡。實(shí)質(zhì)上物體的質(zhì)量是不能直接進(jìn)行測(cè)試，它是是基于牛頓第二定律所描述的所有的物質(zhì)慣性特性而建立的，即F=ma的特殊形式W=mg式中g(shù)為重力場(chǎng)的重力加速度。但在科研、生產(chǎn)中，常常需要對(duì)運(yùn)動(dòng)中的物體進(jìn)行稱重．這時(shí)靜態(tài)質(zhì)量測(cè)量法和靜態(tài)電子秤就無(wú)能為力了。
      為了解決稱重領(lǐng)域的這一重大難題。國(guó)外學(xué)者早在2O世紀(jì)8O年代中期就開始研究工作。并已取得階段性的成果。目前，動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)已經(jīng)有了新的進(jìn)展。對(duì)物體在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行稱重是由稱重傳感器、稱重控制儀表等部分組成的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，嚴(yán)格來(lái)講它是一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的自動(dòng)控制。也就是說(shuō)，它只對(duì)系統(tǒng)給出的信號(hào)值進(jìn)行數(shù)字濾波、估算等特征性的處理。所以目前的動(dòng)態(tài)稱重方法主要是以信號(hào)處理為主的一種方法。實(shí)際上影響動(dòng)態(tài)稱重測(cè)量值和真值之間的誤差主要取決于動(dòng)態(tài)稱重時(shí)的擾動(dòng)和稱重系統(tǒng)的量值傳遞函數(shù)。近年來(lái)我國(guó)動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的發(fā)展也取得了豐碩的成果，比如通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)碾娮愉摻z秤、公路車輛檢測(cè)用的軸重秤、以及新型動(dòng)態(tài)稱重模塊的研制等等。我們應(yīng)該不懈努力、繼續(xù)創(chuàng)新，只有這樣我們才會(huì)取得更大的收獲。
      2、動(dòng)態(tài)稱重中需要攻關(guān)的技術(shù)及裝備 
      運(yùn)動(dòng)中的物體快速通過(guò)稱量設(shè)備產(chǎn)生的信號(hào)可看作是物體的靜態(tài)稱重信號(hào)與動(dòng)態(tài)的物體振動(dòng)信號(hào)的疊加。采用各種手段將振動(dòng)的影響降低到最小是動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的核心。為此在動(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域必須解決如下關(guān)鍵技術(shù)及裝置。
      (1)快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的高精度稱重傳感器和高精確度快速動(dòng)態(tài)稱重儀表技術(shù)及裝備：稱重傳感器技術(shù)包括動(dòng)態(tài)傳感器測(cè)試以及模擬試驗(yàn)場(chǎng)地及裝置等。傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變式稱重傳感器，由于動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢已跟不上高速動(dòng)態(tài)稱重場(chǎng)合而石英晶體稱重傳感器以其頻率響應(yīng)寬、動(dòng)態(tài)稱重速度快、稱重信號(hào)穩(wěn)定的特點(diǎn)尤其受到青睞在國(guó)外已有實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)用的實(shí)例。這項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)還屬于弱項(xiàng)。稱重儀表技術(shù)包括軟件開發(fā)裝置、模擬試驗(yàn)裝置、儀表全性能測(cè)試設(shè)備、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)稱重CPU結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速動(dòng)態(tài)稱重軌道衡等。
      (2)高速動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用：包括振動(dòng)與自振頻率測(cè)試、頻譜分析、函數(shù)記錄、阻尼系數(shù)測(cè)試、多普勒雷達(dá)測(cè)速等。用先進(jìn)的、最新的信號(hào)處理方法—— 經(jīng)驗(yàn)?zāi)７纸夥?EMD)將稱重信號(hào)中的動(dòng)態(tài)分量分離出來(lái)，從而得到反映真實(shí)軸重的穩(wěn)態(tài)值。
      (3)動(dòng)態(tài)稱重的測(cè)試環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件：建立動(dòng)態(tài)稱重測(cè)試環(huán)境和對(duì)測(cè)試環(huán)境的有效分析是解決動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的重要保障，它為其提供強(qiáng)有保障的技術(shù)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)。模擬仿真階段我國(guó)已取得了一定成果，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施階段我們必須孤注一擲的去攻關(guān)。
      3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
      無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量低成本、資源受限的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)某一特定任務(wù)。它是信息感知和采集技術(shù)的一場(chǎng)革命，是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。
      傳感器網(wǎng)絡(luò)為在復(fù)雜的環(huán)境中部署大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理帶來(lái)了希望。WSN在其他傳感檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用已經(jīng)為它在稱重測(cè)力技術(shù)應(yīng)用中奠定了基礎(chǔ)。
      4、多分量測(cè)力技術(shù)是一項(xiàng)新興技術(shù) 
      對(duì)空間任一力值矢量在擇定的三維坐標(biāo)系中最多可被分解為6個(gè)分量即3個(gè)力值分量Z、X、Y和3個(gè)力矩分量Mx、My、Mz。多分量測(cè)力技術(shù)即是指對(duì)6個(gè)分量中的至少兩個(gè)分量同時(shí)進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)。 
      隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展尤其是國(guó)防科技的不斷發(fā)展多分量測(cè)力技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣。如用于飛行器模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)的研究中的多分力天平、用于測(cè)量和控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的多分量力傳感器、用于汽車輪胎性能檢測(cè)的多分量測(cè)力儀、以及石油鉆探受力測(cè)量、發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量測(cè)試等近10年發(fā)展起來(lái)的用多分量測(cè)力儀進(jìn)行測(cè)力機(jī)(材料試驗(yàn)機(jī)等)性能的檢測(cè)應(yīng)用不僅大大豐富了多分量測(cè)力儀的應(yīng)用領(lǐng)域而且很大程度上提高了多分量測(cè)力儀的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)及應(yīng)用水平。
      我國(guó)衡器工業(yè)發(fā)展到今天已經(jīng)取得的突破性的進(jìn)展，隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，擺在我們衡器工業(yè)人面前的問(wèn)題也是層出不窮，除了上述外還有諸如：冶金、化工、鑄造、航天、核電等行業(yè)對(duì)高溫電子秤需求迫切；張力在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)傳感器；連鑄鋼坯定尺定重切割技術(shù)等都已擺在我們面前，要求我們?nèi)ゲ粩嚅_拓。
      二、發(fā)展趨勢(shì)
      1、光纖光柵稱重傳感器研究
      近年來(lái)，光纖光柵傳感器已被廣泛研究和發(fā)展。由于光纖傳感器具有小尺寸、高靈敏度、抗電磁干擾和易組成準(zhǔn)分布測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，使其成為測(cè)量應(yīng)變、溫度、壓強(qiáng)、加速度、沖擊力等物理量的理想傳感器。滿足布喇格反射條件的光纖光柵反射波長(zhǎng)，在外界物理場(chǎng)的作用下，因其柵格周期或折射率的改變而發(fā)生漂移。利用光纖布喇格光柵(Fiber Bragg Gyration，F(xiàn)BG)進(jìn)行傳感，最大的優(yōu)點(diǎn)在于FBG的波長(zhǎng)絕對(duì)編碼特性，這使得測(cè)量結(jié)
      果不受光源功率的波動(dòng)和系統(tǒng)損耗的影響。而且采用光纖傳感技術(shù)可以組成分布式網(wǎng)絡(luò)，符合現(xiàn)代智能網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。
      由于光纖光柵作為傳感器相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器有以上優(yōu)勢(shì)，近期圍繞著光纖光柵應(yīng)用在稱重領(lǐng)域研究已有大量報(bào)道。已發(fā)表的研究報(bào)告中對(duì)光纖稱重傳感器研究有了實(shí)質(zhì)性的突破。
      2、動(dòng)態(tài)稱重和數(shù)字稱重是電子稱重技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)
      其中數(shù)字稱重系統(tǒng)與模擬稱重系統(tǒng)的根本區(qū)別是：(1)模擬稱重系統(tǒng)其最底層的溯源器是標(biāo)準(zhǔn)法碼，而數(shù)字稱重系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)力源，這一特性奠定了數(shù)字電子衡器無(wú)法碼檢定的理論基礎(chǔ)，為工業(yè)稱重計(jì)量節(jié)省了大量人力物力。(2)數(shù)字稱重系統(tǒng)可對(duì)本系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)稱重傳感器有識(shí)別、自檢、控制的能力，大大提高了系統(tǒng)的自動(dòng)控制能力。正是數(shù)字稱重技術(shù)克服了模擬稱重系統(tǒng)固有的缺點(diǎn)，使稱重計(jì)量技術(shù)跟上現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、智能化的發(fā)展潮流。所以數(shù)字稱重傳感技術(shù)是現(xiàn)代稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)工程的重要發(fā)展方向，能適應(yīng)代表現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的現(xiàn)場(chǎng)總線、控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的需要。
      3、電子衡器向小型化、模塊化、集成化、智能化及綜合化發(fā)展
      根據(jù)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求可將電子衡器的發(fā)展趨勢(shì)歸納為：小型化、模塊化、集成化、智能化及綜合化。(1)小型化：電子平臺(tái)秤其結(jié)構(gòu)就體現(xiàn)了體積小、高度低、重量輕，即小、薄、輕的發(fā)展方向。(2)模塊化：如大型動(dòng)態(tài)電子汽車衡等，秤體采用幾種等寬度的標(biāo)準(zhǔn)模塊，經(jīng)組合可形成5～28m的多種規(guī)格秤體。這種模塊化的分體式結(jié)構(gòu)提高了產(chǎn)品的通用性、互換性和可靠性還降低了成本。(3)集成化：實(shí)現(xiàn)秤體與稱重傳感器、鋼軌與稱重傳感器、軌道衡秤體與鐵路線路的一體化或集成。(4)智能化：稱重顯示控制器與電子計(jì)算機(jī)相結(jié)合，利用后者的智能來(lái)增強(qiáng)前者的功能，從而使電子衡器能夠進(jìn)行推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)以及自組織等。(5)綜合化：綜合各種技術(shù)來(lái)同時(shí)解決稱重計(jì)量、自動(dòng)控制、信息處理等問(wèn)題。 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測(cè)試器| 電力計(jì)| 電力測(cè)量?jī)x| 光度計(jì)| 電壓計(jì)| 電流計(jì)| 
      三、綜述
      縱觀我國(guó)衡器工業(yè)的發(fā)展史，展望我國(guó)衡器工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。我們會(huì)覺(jué)得任重而道遠(yuǎn)，這對(duì)我們從事衡器工業(yè)的人提出了目標(biāo)，為我國(guó)衡器工業(yè)的相關(guān)企業(yè)提出了要求。我們必須緊跟國(guó)際技術(shù)潮流，不斷的完善和創(chuàng)新。為我國(guó)衡器工業(yè)的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從而使我國(guó)衡器工業(yè)技術(shù)位于世界前列。