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0引言
隨著中國經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和飛速發(fā)展，中國鐵路已逐步建立成為客運快速、貨運快捷和重載、行車密度高的現(xiàn)代化運輸體系。鐵路高速、重載、長交路以及技術(shù)的進(jìn)步，使得保障鐵路運輸生產(chǎn)安全成為社會關(guān)注的重大課題。應(yīng)變式傳感器是利用測量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變精確測量物體受力的1種傳感器。由于其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定可靠；易于實現(xiàn)測試過程自動化和多點同步測量，遠(yuǎn)距離測量和遙測；靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量等諸多特點，被廣泛應(yīng)用于鐵路貨運車輛的稱重計量及安全監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。依據(jù)傳感器的測量值與鋼軌形變的對應(yīng)關(guān)系，精確地測量出鋼軌相應(yīng)位置的受力大小，進(jìn)而計算出貨物列車的輪重、軸重、脫軌系數(shù)及超偏載等列車狀態(tài)信息，保障鐵路車輛運輸?shù)陌踩?br />
1應(yīng)變式測力傳感器介紹
1.1組成及工作原理應(yīng)變式測力傳感器是由受力后產(chǎn)生形變的彈性體和能感應(yīng)這個形變量的電阻應(yīng)變片組成的電橋電路（如惠斯通電橋），以及能把電阻應(yīng)變片固定粘貼在彈性體上并能傳導(dǎo)應(yīng)變量的粘合劑和保護(hù)電子電路的密封膠等3大部分組成，1種應(yīng)變式測力傳感器的稱重感應(yīng)示意圖。


在測量過程中，將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體上，作為傳感器的敏感元件。彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生形變（應(yīng)變片電阻絲的相對線應(yīng)變ε=Δl/l）。電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化ΔR/R，且形變與阻值的變化成正比。即：ΔR/R=K·Δl/l=Kε（1）阻值的變化使組成的惠斯通電橋失去平衡輸出1個與外力成線性正比變化的電量電信號，從而完成了將外力變換為電信號的過程。其中，R為應(yīng)變片電阻絲的初始電阻；ΔR為電阻絲由于受拉（壓）產(chǎn)生的電阻增（減）量；l為電阻絲直線部分的初始全長；Δl為電阻絲由于受拉（壓）產(chǎn)生的直線部分的長度增（減）量；K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，K=（ΔR/R）（/Δl/l）。1.2電路原理應(yīng)變式測力傳感器測量電路廣泛采用惠斯通電橋?；菟雇姌蚶秒娮璧淖兓瘉頊y量物理量的變化，由4個電阻R1、R2、R3、R4連成四邊形組成的電路稱為惠斯通電橋電路，這4個電阻分別叫做電橋的橋臂；AC對角線連接直流電源，稱為供橋端，Ui稱為供橋電壓；BD對角線連接測量儀表，稱為輸出端，U0稱為輸出電壓。

典型的惠斯通電橋電路包括：1/4橋電路，即電橋電路的4個電阻中有1個為可變電阻；半橋電路，即電橋電路的4個電阻中有2個為可變電阻；全橋電路，即電橋電路的4個電阻均為可變電阻。傳感器使用的電路多為全橋電路，以增加靈敏度。當(dāng)R1=R2=R3=R4=R時，無論供橋電壓Ui多大，輸出電壓U0總為0，這種狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。如果平衡被破壞，即4個橋臂電阻變化為R+ΔR1、R+ΔR2、R+ΔR3、R+ΔR4時，就會產(chǎn)生與電阻變化相對應(yīng)的輸出電壓。
Uo=Ui4（ΔR1R-ΔR2R+ΔR3R-ΔR4R）（2）將（1）式代入（2）式可得：Uo=UiK4（ε1-ε2+ε3-ε4）（3）當(dāng)彈性體元件上電阻應(yīng)變計的安裝定位和電橋接線滿足ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε時，式（3）簡化為：Uo=UiKε（4）即此時，電橋輸出電壓與彈性體元件的應(yīng)變呈線性關(guān)系。惠斯通電橋就是應(yīng)用此原理將橋臂的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。測得電壓輸出即可計算得出環(huán)境中物理量的變化，實現(xiàn)測量的目的。

2應(yīng)變式測力傳感器在車輛運行品質(zhì)軌旁動態(tài)監(jiān)測 
系統(tǒng)中的應(yīng)用車輛運行品質(zhì)軌旁動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）是集列車運行狀態(tài)監(jiān)測、超偏載監(jiān)測、踏面擦傷監(jiān)測等功能為一體的列車運行狀態(tài)地面安全監(jiān)測系統(tǒng)，可實時在線監(jiān)測運行中列車輪軌間動力學(xué)參數(shù)。系統(tǒng)以列車運行過程中輪對與鋼軌之間的動力學(xué)關(guān)系為依據(jù)，將鋼軌作為傳遞力的彈性體，通過傳感器內(nèi)置的應(yīng)變片感應(yīng)鋼軌的形變，引起應(yīng)變片電阻變化導(dǎo)致惠斯通電橋失衡，傳感器產(chǎn)生電壓信號輸出，依據(jù)傳感器的測量值與鋼軌形變的對應(yīng)關(guān)系，精確地測量鋼軌相應(yīng)位置所受垂向力和橫向力的大小。進(jìn)而計算出貨物列車的輪重、軸重、脫軌系數(shù)、超偏載信息以及踏面損傷程度等列車狀態(tài)信息。系統(tǒng)軌道測試平臺結(jié)構(gòu)。

早在2001年哈鐵科研所就設(shè)計并研發(fā)出二維力傳感器，并申請了專利。本次系統(tǒng)開發(fā)過程中，根據(jù)TB/T3339-2013要求的技術(shù)條件，對二維力傳感器及剪力傳感器進(jìn)行了針對性的改進(jìn)設(shè)計，在應(yīng)變片的選型、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計、貼片工藝、密封方式等方面都取得了重大突破，并獲得2項國家專利。同時，系統(tǒng)采用稱重應(yīng)力傳感器和振動傳感器結(jié)合判別的方式，分級評判列車運行狀態(tài)，識別狀態(tài)不良車輛，并預(yù)警、追蹤、處理，信息化程度高，判別結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠。
2.1TPDS系統(tǒng)輪軌力測量方法 
TPDS系統(tǒng)軌道測試平臺采用在2個剪力傳感器之間設(shè)置若干個軌下二維力傳感器組成綜合檢測區(qū)域的方式進(jìn)行測量，2種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過計算機合成處理，得到檢測區(qū)內(nèi)的垂直力之和。連續(xù)測量輪軌力原理圖。P=Q+∑R，P為輪重，Q為剪力，R為壓力；ι1=ι3+h，ι1為剪力傳感器的間距，ι2為壓力傳感器的間距，ι3為測試區(qū)的長度，h為鋼軌高度。此種檢測方法的檢測區(qū)長度范圍可以任意設(shè)置，因此可以測得1段較長時間內(nèi)車輪垂直力增減變化過程數(shù)據(jù)的平均值。與只能測到瞬時動載數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)的輪軌力測量方法相比，大大提高了檢測精度，而且擴(kuò)大了適用的速度范圍。在不增加軌枕間距、不破壞軌道平順性的條件下，實現(xiàn)了列車行進(jìn)狀態(tài)下輪軌力的連續(xù)測量。2.2超偏載及踏面損傷判別研究（1）超偏載檢測。TPDS系統(tǒng)軌道測試平臺共使用了20支壓力傳感器和12支剪力傳感器，均勻分布于測量區(qū)域的兩側(cè)鋼軌上，以剪力傳感器為界線分為5個測量區(qū)間。

測試平臺采用組合框架式混凝土稱重結(jié)構(gòu)，軌枕間運用高強度螺栓連接，以保持測試平臺的平順性和穩(wěn)定性，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)列車通過測量區(qū)域時，二維力傳感器和剪力傳感器輸出檢測到的軌道力學(xué)信號并按比例轉(zhuǎn)換成電壓信號，傳送至數(shù)據(jù)采集儀器。數(shù)據(jù)采集儀對信號進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出數(shù)字信號到計算機。傳感器的輸出波形數(shù)據(jù)傳遞到計算機，按照5個測量區(qū)間進(jìn)行合成分析處理，計算得出行進(jìn)中列車的輪重、總重、速度及超偏載信息。（2）踏面損傷的驗證。TPDS系統(tǒng)測試平臺檢測區(qū)域長度的增加，實現(xiàn)了輪軌力連續(xù)測量，同時也提高了車輪踏面擦傷的捕獲率，可對車輪全周長范圍內(nèi)的踏面擦傷進(jìn)行檢測。同時，我們采用稱重傳感器和振動傳感器結(jié)合判別的方式，進(jìn)行多傳感器融合，充分兼顧了二者的優(yōu)點，從而提高踏面損傷判別的可靠性和健壯性。該系統(tǒng)的力傳感器檢測區(qū)和振動傳感器檢測區(qū)。


2.3試驗并驗證在現(xiàn)場試驗過程中，檢測、標(biāo)定了專用卡具及傳感器在各種速度、壓力下的補償曲線。開展脫線識別模型的構(gòu)建，通過數(shù)據(jù)采集及分析的方法來確定各種應(yīng)力的計算方法?；诖怪绷鞲衅鳒y量踏面擦傷的沖擊力，結(jié)合車速、軸重等形成當(dāng)量計算模型，并進(jìn)行實測數(shù)據(jù)對比試驗，綜合試驗數(shù)據(jù)與TPDS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，評估踏面擦傷識別模型的一致性。建立超、偏載計算模型，建立全面的標(biāo)定概率統(tǒng)計模型，以修正測重數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。大量試驗數(shù)據(jù)充分證明，TPDS系統(tǒng)軌道測試平臺方案設(shè)計合理、科學(xué)、技術(shù)先進(jìn)，已實現(xiàn)TB/T3339-2013標(biāo)準(zhǔn)的接車、存儲、判別、預(yù)報等主要功能，測量結(jié)果完全能達(dá)到系統(tǒng)要求?，F(xiàn)正在不斷積累數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核，對算法及判別模型進(jìn)行升級完善。

3結(jié)束語 
應(yīng)變式測力傳感器在鐵路貨運稱重計量及安全監(jiān)測中的成功應(yīng)用，對鐵路運行事故的防范和預(yù)警起到重要作用，大大減少了危及鐵路運輸安全的因素，防范和降低了事故發(fā)生，保障行車安全。對于鐵路安全運輸生產(chǎn)起到了重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

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