稱重傳感器技術(shù)是電子稱重技術(shù)的重要基礎(chǔ)，稱重傳感器是電子衡器和電子稱重系統(tǒng)的核心部件。而電阻應(yīng)變式稱重傳感器是地磅中的核心部件，是電子衡器的性能價格的基本決定因素。本文以軌道測試的實踐為基礎(chǔ)，較為深入地分析了電阻應(yīng)變式位移傳感器的原理、基本參數(shù)及其在機車測試中應(yīng)用的有關(guān)技術(shù)問題。

1.引言

現(xiàn)代稱重技術(shù)的發(fā)展促進了稱重傳感器技術(shù)的進步，而微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、現(xiàn)代制造技術(shù)、防護密封技術(shù)等的發(fā)展，又為開發(fā)新型稱重傳感器提供了技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。電阻應(yīng)變式稱重傳感器，已經(jīng)有幾十年的歷史，在原理、材料、電子測量技術(shù)等方面已趨向成熟，并走上了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的道路。

電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于彈性體 （彈性元件，敏感梁） 在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片 （轉(zhuǎn)換元件） 也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片產(chǎn)生變形后，它的阻值將發(fā)生變化 （增大或減小），再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號 （電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。

2.工作原理

電阻應(yīng)變式稱重傳感器之所以能作為質(zhì)量一電量的轉(zhuǎn)換元件，是基于金屬絲在受拉或受壓后會發(fā)生彈性變形，其電阻值也隨之產(chǎn)生相應(yīng)的變化這一物理特性實現(xiàn)的。當電阻應(yīng)變片的金屬絲承受外力作用發(fā)生彈性變形時，它的長度 L、截面積 Js 以及電阻率 lD 均會發(fā)生相應(yīng)變化。此時其電阻相對變化為在鋼制圓柱體上，成對地在縱向和橫向上貼有 R1，R2，R3，R4 共 4 個電阻應(yīng)變片，它們組成一個全橋式測量電路，如圖 1 所示。

根據(jù)上述原理制成的稱重傳感器主要由三部分組成，即彈性元件、電阻應(yīng)變片和測量電路。

用專門、十分嚴格的粘貼技術(shù)并通過連接線將這三者聯(lián)系起來，就可以實現(xiàn)質(zhì)量一電量信號之間的線形變換。

3.電阻應(yīng)變片的主要技術(shù)特性

傳感器的靜態(tài)特性是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸出一輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標是線性度、靈敏度、遲滯、重復(fù)性、分辨率和漂移度等。

3.1靈敏度

金屬絲的靈敏度系數(shù) （Ko） 是表示金屬絲受力后，電阻的相對變化與軸向長度的相對變化之間的關(guān)系。當將金屬絲制成應(yīng)變片之后，應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) K 就是一個新的量值了，而且 K 恒小于 Ko。這是由于除了膠基對力傳遞變形失真外，主要還存在有橫向效應(yīng)，而且 K 還是溫度的函數(shù)，所以對 K 的主要要求是穩(wěn)定性。

3.2 橫向效應(yīng)

粘貼在試件上的應(yīng)變片，其敏感柵由許多條直線及圓角部分組成。當受到縱向應(yīng)力之后，直線段的電阻將增加，圓角部分的電阻將減小，其綜合效應(yīng)是使應(yīng)變片的靈敏度下降，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。在工程上采用箔式應(yīng)變片可以減小橫向效應(yīng)。

3.3線性度

試件上的應(yīng)變敏感元件，其電阻的相對變化 AR/R 理論上呈線性關(guān)系。實際上，當施加到試件上的力超過一定范圍時，就會出現(xiàn)非線性關(guān)系。

3.4機械滯后和熱滯后

當對貼有應(yīng)變片的試件循環(huán)加載和卸載時，應(yīng)變片的 AR/R 與 A/// 之間的特性曲線的不重合程度稱為機械滯后。把加載和卸載特性曲線的最大差異值稱為應(yīng)變片的機械滯后值。

它的物理意義是，保持外界條件不變，對試件循環(huán)加載、卸載過程中，對同一載荷，應(yīng)變片輸出的差值即為機械滯后值。當試件受到恒定外力，環(huán)境溫度改變時應(yīng)變片的電阻也要變化。在循環(huán)改變溫度時，應(yīng)變片在同一溫度下電阻的差值稱為應(yīng)變片的熱滯后值。工程上只對在中溫（60℃~350℃） 和高溫 （大于 350℃） 條件下使用的應(yīng)變片考慮熱滯后特性。

3.5 零漂和蠕變

在恒溫條件下，貼有應(yīng)變片的試件不承受載荷，應(yīng)變片的阻值隨時間變化的情況稱為應(yīng)變片的零漂。在恒溫條件下，加到貼有應(yīng)變片的試件上的載荷力恒定，應(yīng)變片的應(yīng)變輸出隨時間變化的情況稱為應(yīng)變片的蠕變。

3.6 應(yīng)變極限

粘貼在試件上的應(yīng)變片所能測量的最大載荷力稱為應(yīng)變極限。在恒溫條件下，緩慢均勻地施加載荷力，當應(yīng)變片的輸出大于機械應(yīng)變的 10% 時，就認為應(yīng)變片已接近破壞狀態(tài)，此時的應(yīng)變值就稱為應(yīng)變極限值。

3.7 電阻應(yīng)變片的疲勞壽命應(yīng)變片粘貼到試件上之后，在應(yīng)變極限之內(nèi)往復(fù)循環(huán)地施加載荷，應(yīng)變片所能承受某一特定載荷作用的循環(huán)次數(shù)為應(yīng)變片的疲勞壽命。

3.8 電阻應(yīng)變片的容許電流應(yīng)變片接成橋路之后，當有電流通過時，將會產(chǎn)生熱量，可以使電阻應(yīng)變片的溫度升高。當電流超過允許電流值時，可能造成應(yīng)變片燒斷柵絲。顯然，允許電流與試件的尺寸、材料的導(dǎo)熱系數(shù)及應(yīng)變片本身的尺寸等條件有關(guān)。使用中不允許超過允許電流的數(shù)值并注意相關(guān)的條件。

3.9 電阻應(yīng)變片的絕緣電阻應(yīng)變片的引線與試件之間的電阻值稱為絕緣電阻。它的數(shù)量級為兆歐級。

3.10 電阻應(yīng)變片的動態(tài)響應(yīng)特性進行動態(tài)測量時，應(yīng)變是以應(yīng)變波的形式在材料中傳播 （傳播速度與聲波相同），當應(yīng)變波在應(yīng)變片的敏感柵的軸向傳播時，將會產(chǎn)生延遲。當測量以正弦規(guī)律變化的載荷時，應(yīng)變片反映的應(yīng)變波形是線柵長度內(nèi)所感受變量的平均值，故所反映的波幅將低于實際應(yīng)變數(shù)，而造成測量誤差。其誤差還將隨應(yīng)變片的基長增大而增加。一般制造動態(tài)測量用應(yīng)變片時，要將應(yīng)變片的基長設(shè)計成應(yīng)變波長的 1/10-1/20。

4.電阻應(yīng)變式稱重傳感器在機車的應(yīng)用

電阻應(yīng)變式稱重傳感器在經(jīng)過各方面的調(diào)試后，在長大貨物列車、內(nèi)燃機車測量上進行了實際應(yīng)用，獲得了良好的運用效果。通過實際運用表明，電阻應(yīng)變式稱重傳感器特別適合長大貨物列車自重和貨物的測量。其原因是長大貨物列車的車輛長度比較大，轉(zhuǎn)向架組成形式基本為轉(zhuǎn)向架群，普通軌道衡無法滿足長大貨物列車的稱重測量需要。

而電阻應(yīng)變式稱重傳感器是通過測量各個車輪的輪重來達到測量整個車輛和裝載貨物重量的目的，滿足了長大貨物列車的稱重需要，從而對長大貨物列車的運輸起到了安全保證作用，說明電阻應(yīng)變式稱重傳感器，具有廣闊的應(yīng)用前景，必將帶來巨大的經(jīng)濟及社會效益，滿足國家經(jīng)濟宏觀政策而研發(fā)的新型專用貨車。

4.1 傳感器的運行原理當一列貨車勻速或滑行通過測重段時，先到

達電阻應(yīng)變式傳感器，計算機先測出速度并判斷出貨車的運行方向。同時計算機系統(tǒng)由零點調(diào)待車狀態(tài)，進入數(shù)據(jù)采集程序，并做好稱重的準備工作。當貨車車輪到達重量傳感器時，傳感器輸出與輪重成比例的剪切應(yīng)變信號，經(jīng)過電橋盒組橋，由電纜傳送到機房，再經(jīng)過放大，濾波后送 A/D 采集，轉(zhuǎn)換，存儲。計算機實時修正某些變量函數(shù)，并發(fā)出各種控制命令實現(xiàn)多通道的連續(xù)采集。當一列貨車采集完成后，程序轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)，根據(jù)機頭類型，機頭軸數(shù)，判別出車頭與車廂，計算出單個車廂與整列車的毛重，自重，凈重。最后顯示打印測量結(jié)果，包括每節(jié)車廂的車號，物質(zhì)類型，毛重，自重，凈重，車速和整個車列的總重量。

4.2 傳感器的安裝電阻應(yīng)變式傳感器的安裝質(zhì)量，對測試結(jié)果的可靠性和精度有著直接的影響。作絕對位移測量時，要求電阻應(yīng)變式傳感性安裝在一個絕對固定的參考點上，這個參考點一般采用打深樁的辦法來取得。國外資料指出，采用 2.5m 深的鋼樁是必要的。但是為了不影響列車運行，保證行車安全，在較短的行車間隔時間內(nèi)在軌道上打深樁是比較困難的。因此，在測試中一般取樁的長度為1.2m-1.6m，直徑為 12mm-18mm。作軌道絕對水平 （橫向或縱向） 位移測試時，樁的大部分長度是打入路基和道床的，在道床表面僅 10cm 左右，

樁的抗彎剛度遠遠大于電阻應(yīng)變式傳感器的剛度，傳感器作用在樁端的彈性反力很小，因此所采用的樁深對絕對水平位移的測試是足夠的。

作相對位移測試時，同樣要求消除非測定位移參數(shù)對測定參數(shù)的影響。例如在測試鋼軌和軌枕的相對位移時，應(yīng)該把傳感器安裝在軌枕上，并通過合理布置測點或安裝固定基座，消除安裝彎曲對測試結(jié)果的影響。電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)布置在位移較大的一側(cè)，為了測得反向位移，要給彈性元件一定的預(yù)壓量,這與傳感器跟隨性的要求是一致的。

4.3 傳感器的標定在光線示波器的記錄紙上記錄位移信號之后，需要通過標定將波形的高度值轉(zhuǎn)換成被測部件的位移值。通常采用塞尺辦法進行標定, 即用精度為 0.01mm 的塞尺塞入傳感器的頂桿與被測部件之間，記錄一定位移時的波形高。進行標定時，應(yīng)保持應(yīng)變儀“衰減”檔位和測試時的檔位相同。在測試過程中，由于各種外界干擾及儀器本身的穩(wěn)定性等影響，測試的靈敏度可能會有所變化，因此在測試前和測試后各標定一次，取兩次標定的平均值作為標定位移。

4.4適用范圍

(1)自重輕、載重大，可適應(yīng) 2 萬噸重載列車編組要求。

(2)車輛結(jié)構(gòu)按 2 萬噸列車的考核標準進行設(shè)計，底架中梁采用屈服強度為 450MPa 的高強度耐候鋼，并對牽引梁部分進行了加強。

(3)轉(zhuǎn)向架采用轉(zhuǎn) K6 型轉(zhuǎn)向架，具有運行速度高、動力學(xué)性能穩(wěn)定等特點。

(4)應(yīng)用可靠性設(shè)計理念，對枕梁、下側(cè)門口連接結(jié)點等大應(yīng)力部位進行了細部設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)可靠性。

(5)關(guān)鍵零部件實行了壽命管理，并延長了質(zhì)量保證期，實現(xiàn)了取消輔修、延長廠段修周期的目標。

4.5 機車重量測試數(shù)據(jù)分析通過測試數(shù)據(jù)匯總處理后得到機車的重量為

69338kg，與軌道衡上給出的 69249kg 相比，測試的相對誤差為 0.15%，說明電阻應(yīng)變式傳感器的測量結(jié)果是真實可靠的，用于軌道振動位移測試是可行的。其結(jié)構(gòu)簡單，制做、安裝、標定簡便易行，通過適當設(shè)計，可以滿足軌道位移測試的量程、精度、頻響等方面的要求。測試的原理和方法亦可用于其它工程結(jié)構(gòu)的動態(tài)位移測試。

5.小結(jié)

本文介紹了電阻應(yīng)變式稱重傳感器及其安裝裝置、稱重測試數(shù)據(jù)采集設(shè)備和稱重測試數(shù)據(jù)處理方法。根據(jù)軌道機車車輛稱重的技術(shù)要求,設(shè)計了由電阻應(yīng)變式稱重傳感器及其安裝裝置、虛擬儀器為基礎(chǔ)組成的專用動態(tài)信號測試分析系統(tǒng),并在實際運用中對其準確性和可靠性進行了驗證。