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摘 要：通过对矿用自卸车氮缸结构的分析，提出了利用陶瓷压力传感器的变形量来获得其所承受的载荷量的车载称重方案。它采用称重技术在传感器内部采用高集成化、高智能化的处理单元，将模拟重量信号进行A/D转换等预处理，自动对应变式称重传感器的零点、温度、非线性、滞后、蠕变性能等进行数字化补偿，最后输出数字信号。试验及仿真结果表明，所构建的系统能有效地应用于矿用自卸车在线动态称重与矿山产量管理。
关键词：矿用自卸车；氮缸；压力传感器；动态称重
Study of dynamic weighing system of mining dump truck
Zhang kunfei
（Shenhue North Power Shengli Energy Co. Ltd Xilinhaote Inner Mongolia 026000 China）
Abstract： through the analysis of the dump truck nitrogen cylinder structure mining， put forward to get the vehicle load under the deformation of ceramic pressure sensor weighing scheme. It adopts weighing technology using processing unit， high integration， high intelligent at the sensor， analog weight signal A/D conversion pretreatment， automatic strain weighing sensor， temperature， zero， lag， nonlinear creep properties of digital compensation， finally the digital signal output. Experiment and simulation results show that， the system can be effectively used in mining auto-unloading vehicle dynamic weighing and mine production management.
Keywords：Dump truck Nitrogen cylinder The ceramic pressure sensor Dynamic weighing
1 前言
矿山生产是矿山经济发展的决定性因素，而矿山生产的产量统计和管理问题一直困扰着管理者们，由于众多人为因素，使管理者们很难对矿山的生产实际产量有一个准确的了解和控制其动态发展，这样一来便使矿山生产统计工作遇到了很大的阻碍，在管理上也出现很多漏洞，不易掌握和控制。
目前，在矿山生产中，生产产量（装载数量）的统计方法都采用人工计数，是靠估方或卸货后测量的方法，采用这种方法有很多的缺点，不但浪费人力，而且计数误差大、耗时长，外加人情数，误计数也时有发生。这些问题给矿山生产产量的计量工作带来了极大的困扰。为了解决上述问题，便于生产产量的统计与管理，本文以安装在矿用自卸车氮缸上的压力传感器为研究对象，该方案采用先进的单片机技术，不需要人工干预，计数精度高，实现空车起翻不计数，吨位不足不计数。此生产监量无线统计系统的开发，即节省人力，提高管理质量，又降低了成本。实现了生产监量自动化管理。有效的提高了矿山生产的产量。
2 称重系统构成及工作原理
2.1系统组成
称重系统由压力传感器、控制器、产量记录仪等部分组成。其中，控制器是系统的核心，负责接收和处理压力传感器的数据，产量记录仪负责记录和显示载重量信息，两个压力传感器安装在自卸车的两个后氮缸上，每个传感器将测到的压力信号转换成模拟电信号，并传输给控制器。压力传感器由陶瓷传感器、A/D转换电路、不锈钢外壳三部分组成。
（图一）实物图
（图二）剖面示意图
压力传感器是在传统陶瓷压力传感器基础上，结合矿用自卸车氮缸的机构、现代微电子技术、微型计算机技术等设计出来的。核心器件由压力传感器和数字化转换（A/D）模块两部分组成，数字模块是高度集成化的电子电路，采用SMT 表面贴装技术制成。本传感器电容的可动电极是用陶瓷弹性膜片构成的，膜片在受力发生形变时，电容与压力近似成线性函数关系。
2.2 系统工作原理
压力传感器安装在矿用自卸车后面的两个的氮缸上，矿用自卸车把重量作用在氮缸上，我们大家知道氮缸里主要填充的是氮气和液压油。将压力传感器安装在氮缸的注油孔位或充气孔位上，氮缸里有压力变化时，压力作用在传感器的陶瓷弹性膜片上，膜片发生形变，使极板的间距发生变化，导致传感器的电容发生变化，通过测量电路的电容变化即可计算出传感器所受压力的改变，进而测量出压力，再通过处理电路，将电容的变化转化为0～5V输出电压信号。同时，压力传感器采用数字技术，能对温度系数、非线性、滞后和蠕变等进行自动数字化补偿。
矿用自卸车多为油气悬挂式自卸车，车斗由4个油气悬挂氮缸固定安装，车斗及货物的重量作用在氮缸上，将引起氮缸内压力变化。结合四个氮缸在车架上的安装结构尺寸，建立了车辆载荷计算模型；主要利用后面两个压力传感器对悬挂氮缸压力进行测量。
大型自卸车车辆循环运输常分4个不同阶段或状态——空车、装载、运输、卸车。每个阶段或状态都需要自动称重系统进行不同的计算和储存不同的数据。
1）自动称重系统在卸车后，应确认载荷己被卸掉。如果有效载重量少于额定载荷的20%， 自动称重系统将切换到自重测量，并开始计算新的空车自重；如果有效载重量未降到额定载荷的20%以下，测量器将返回到运输状态，直至卸车系统将计数运行一次。 2）在自重测量状态下，当车速大丁5 km/h时， 自动称重系统采用先进的计算方法计算自卸车空车时悬挂承受重量。这个自重数值将从有效载荷的悬挂承受重量中扣除，以计算最后的有效载重量。如果检测到有回转载荷， 自动称重系统将从自重测量或空车状态切换到装车状态。
3）如果已施加制动锁定，自动称重系统将通过分析悬挂压力以检测回转载荷。如果检测到有回转载荷， 自动称重系统将切换到装车状态，检测回转载荷的最小值为额定载荷的10%，检测回转载荷一般要用4 S至6 S。如果载荷增至额定载荷的50%并已达10 S还未施加制动锁定，自动称重系统也会切换到装车。
4）只要自卸车开始移动，自动称重系统立即从装车切换到调度。调度区域为160 m， 以便让驾驶员把自卸车重新定位到装载机下面。在调度区内的任何时间都可添加更多的有效载重量。自卸车一旦行走了160 rn， 自动称重系统进入测重阶段。在测重阶段， 如果移动速度超过了5km/h， 自动称重系统就采用先进的计算方法计算负载时悬挂承受重量。测重结束后进入运输状态。
5）如果自动称重系统收到箱斗举升信号，自动称重系统将从测重阶段切换到卸车状态。如果自卸车在测重阶段里已运动了不到1 min， 自动称重系统将采用精确性较低的平均法来计算最后有效载重量。当自卸车箱斗降回原位时， 自动称重系统就切换到自重测量，进入下一个运输循环。
3 模型建立
那么应用在矿用自卸车上是这样实现动态称重计量的，首先将两个压力传感器安装在矿用自卸车两个后氮缸上，对装完压力传感器的矿用自卸车要进行称重校准，空车时（即载重量为零时）通过电路采集模块读取压力传感器输出的数值y1并保存在微型计算机里，然后再采集一次重车时（即满载时，假设为x）的数值y2并保存在微型计算机里，
通过以上两组数据微型计算机就可以计算出该车辆的载重斜率：，
这样当车辆载重不同时，从压力传感器读出的数值就不同，也就是y值在变化，根据斜率公式，得出x=k（y2-y1），当读出的传感器数值y变化时根据公式可计算出x的值，也就把当前的载重量计算出来了，从而实现了动态称重的目的。
4 压力传感器的应用实例
基于压力传感器的上述特点和优点，将压力传感器安装在矿用自卸车的两个后氮缸上进行了实际试验和现场论证。当车辆空载时微型计算机的显示屏上显示载重量为0吨，当车辆满载时微型计算机的显示屏上显示载重量为60吨（以载重量为60吨自卸车做的试验），当车辆装载一半时微型计算机的显示屏上显示载重量为30吨；经过多组数据反复论证，得出的结果都接近实际重量。称重系统测量显示值与车辆实际装载量两者之间误差小于2%，能够满足实用性要求。称重系统计算自卸车重量的主要误差是车辆维修时不正确的充气气压引起。因为称重系统计算有效载重量是通过测量自卸车在空车时和满载时的承受重量来进行斜率标定的，确定载重量的可靠数据是氮缸内的氮气压力。
5 结论
矿用自卸车压力传感器采用全新的称重概念，代表了矿山自卸车称重问题的最新发展成果，适用于各种矿用自卸车，并可实现动态称重。矿用自卸车压力传感器以其自身独有的特点和优点，将在矿用自卸车称重中得到广泛的应用和普及，对矿山的产量监管起到了重要作用，带来了可观的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 刘君华.智能传感器系统[M].西安电子科技大学出版社，2000
[2] 张宾.一种陶瓷电容压力传感器的设计和试验研究
[3] 刘尹霞.数字称重传感器在电子汽车衡中的应用
关键词：矿用自卸车；氮缸；压力传感器；动态称重
Study of dynamic weighing system of mining dump truck
Zhang kunfei
（Shenhue North Power Shengli Energy Co. Ltd Xilinhaote Inner Mongolia 026000 China）
Abstract： through the analysis of the dump truck nitrogen cylinder structure mining， put forward to get the vehicle load under the deformation of ceramic pressure sensor weighing scheme. It adopts weighing technology using processing unit， high integration， high intelligent at the sensor， analog weight signal A/D conversion pretreatment， automatic strain weighing sensor， temperature， zero， lag， nonlinear creep properties of digital compensation， finally the digital signal output. Experiment and simulation results show that， the system can be effectively used in mining auto-unloading vehicle dynamic weighing and mine production management.
Keywords：Dump truck Nitrogen cylinder The ceramic pressure sensor Dynamic weighing
1 前言
矿山生产是矿山经济发展的决定性因素，而矿山生产的产量统计和管理问题一直困扰着管理者们，由于众多人为因素，使管理者们很难对矿山的生产实际产量有一个准确的了解和控制其动态发展，这样一来便使矿山生产统计工作遇到了很大的阻碍，在管理上也出现很多漏洞，不易掌握和控制。
目前，在矿山生产中，生产产量（装载数量）的统计方法都采用人工计数，是靠估方或卸货后测量的方法，采用这种方法有很多的缺点，不但浪费人力，而且计数误差大、耗时长，外加人情数，误计数也时有发生。这些问题给矿山生产产量的计量工作带来了极大的困扰。为了解决上述问题，便于生产产量的统计与管理，本文以安装在矿用自卸车氮缸上的压力传感器为研究对象，该方案采用先进的单片机技术，不需要人工干预，计数精度高，实现空车起翻不计数，吨位不足不计数。此生产监量无线统计系统的开发，即节省人力，提高管理质量，又降低了成本。实现了生产监量自动化管理。有效的提高了矿山生产的产量。
2 称重系统构成及工作原理
2.1系统组成
称重系统由压力传感器、控制器、产量记录仪等部分组成。其中，控制器是系统的核心，负责接收和处理压力传感器的数据，产量记录仪负责记录和显示载重量信息，两个压力传感器安装在自卸车的两个后氮缸上，每个传感器将测到的压力信号转换成模拟电信号，并传输给控制器。压力传感器由陶瓷传感器、A/D转换电路、不锈钢外壳三部分组成。
（图一）实物图
（图二）剖面示意图
压力传感器是在传统陶瓷压力传感器基础上，结合矿用自卸车氮缸的机构、现代微电子技术、微型计算机技术等设计出来的。核心器件由压力传感器和数字化转换（A/D）模块两部分组成，数字模块是高度集成化的电子电路，采用SMT 表面贴装技术制成。本传感器电容的可动电极是用陶瓷弹性膜片构成的，膜片在受力发生形变时，电容与压力近似成线性函数关系。
2.2 系统工作原理
压力传感器安装在矿用自卸车后面的两个的氮缸上，矿用自卸车把重量作用在氮缸上，我们大家知道氮缸里主要填充的是氮气和液压油。将压力传感器安装在氮缸的注油孔位或充气孔位上，氮缸里有压力变化时，压力作用在传感器的陶瓷弹性膜片上，膜片发生形变，使极板的间距发生变化，导致传感器的电容发生变化，通过测量电路的电容变化即可计算出传感器所受压力的改变，进而测量出压力，再通过处理电路，将电容的变化转化为0～5V输出电压信号。同时，压力传感器采用数字技术，能对温度系数、非线性、滞后和蠕变等进行自动数字化补偿。
矿用自卸车多为油气悬挂式自卸车，车斗由4个油气悬挂氮缸固定安装，车斗及货物的重量作用在氮缸上，将引起氮缸内压力变化。结合四个氮缸在车架上的安装结构尺寸，建立了车辆载荷计算模型；主要利用后面两个压力传感器对悬挂氮缸压力进行测量。
大型自卸车车辆循环运输常分4个不同阶段或状态——空车、装载、运输、卸车。每个阶段或状态都需要自动称重系统进行不同的计算和储存不同的数据。
1）自动称重系统在卸车后，应确认载荷己被卸掉。如果有效载重量少于额定载荷的20%， 自动称重系统将切换到自重测量，并开始计算新的空车自重；如果有效载重量未降到额定载荷的20%以下，测量器将返回到运输状态，直至卸车系统将计数运行一次。 2）在自重测量状态下，当车速大丁5 km/h时， 自动称重系统采用先进的计算方法计算自卸车空车时悬挂承受重量。这个自重数值将从有效载荷的悬挂承受重量中扣除，以计算最后的有效载重量。如果检测到有回转载荷， 自动称重系统将从自重测量或空车状态切换到装车状态。
3）如果已施加制动锁定，自动称重系统将通过分析悬挂压力以检测回转载荷。如果检测到有回转载荷， 自动称重系统将切换到装车状态，检测回转载荷的最小值为额定载荷的10%，检测回转载荷一般要用4 S至6 S。如果载荷增至额定载荷的50%并已达10 S还未施加制动锁定，自动称重系统也会切换到装车。
4）只要自卸车开始移动，自动称重系统立即从装车切换到调度。调度区域为160 m， 以便让驾驶员把自卸车重新定位到装载机下面。在调度区内的任何时间都可添加更多的有效载重量。自卸车一旦行走了160 rn， 自动称重系统进入测重阶段。在测重阶段， 如果移动速度超过了5km/h， 自动称重系统就采用先进的计算方法计算负载时悬挂承受重量。测重结束后进入运输状态。
5）如果自动称重系统收到箱斗举升信号，自动称重系统将从测重阶段切换到卸车状态。如果自卸车在测重阶段里已运动了不到1 min， 自动称重系统将采用精确性较低的平均法来计算最后有效载重量。当自卸车箱斗降回原位时， 自动称重系统就切换到自重测量，进入下一个运输循环。
3 模型建立
那么应用在矿用自卸车上是这样实现动态称重计量的，首先将两个压力传感器安装在矿用自卸车两个后氮缸上，对装完压力传感器的矿用自卸车要进行称重校准，空车时（即载重量为零时）通过电路采集模块读取压力传感器输出的数值y1并保存在微型计算机里，然后再采集一次重车时（即满载时，假设为x）的数值y2并保存在微型计算机里，
通过以上两组数据微型计算机就可以计算出该车辆的载重斜率：，
这样当车辆载重不同时，从压力传感器读出的数值就不同，也就是y值在变化，根据斜率公式，得出x=k（y2-y1），当读出的传感器数值y变化时根据公式可计算出x的值，也就把当前的载重量计算出来了，从而实现了动态称重的目的。
4 压力传感器的应用实例
基于压力传感器的上述特点和优点，将压力传感器安装在矿用自卸车的两个后氮缸上进行了实际试验和现场论证。当车辆空载时微型计算机的显示屏上显示载重量为0吨，当车辆满载时微型计算机的显示屏上显示载重量为60吨（以载重量为60吨自卸车做的试验），当车辆装载一半时微型计算机的显示屏上显示载重量为30吨；经过多组数据反复论证，得出的结果都接近实际重量。称重系统测量显示值与车辆实际装载量两者之间误差小于2%，能够满足实用性要求。称重系统计算自卸车重量的主要误差是车辆维修时不正确的充气气压引起。因为称重系统计算有效载重量是通过测量自卸车在空车时和满载时的承受重量来进行斜率标定的，确定载重量的可靠数据是氮缸内的氮气压力。
5 结论
矿用自卸车压力传感器采用全新的称重概念，代表了矿山自卸车称重问题的最新发展成果，适用于各种矿用自卸车，并可实现动态称重。矿用自卸车压力传感器以其自身独有的特点和优点，将在矿用自卸车称重中得到广泛的应用和普及，对矿山的产量监管起到了重要作用，带来了可观的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 刘君华.智能传感器系统[M].西安电子科技大学出版社，2000
[2] 张宾.一种陶瓷电容压力传感器的设计和试验研究
[3] 刘尹霞.数字称重传感器在电子汽车衡中的应用