稱重傳感器技術(shù)是電子稱重技術(shù)的重要基礎(chǔ)，稱重傳感器是汽車衡和電子稱重系統(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，是汽車衡的性能價(jià)格的基本決定因素。本文以軌道測試的實(shí)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(jī)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(jìn)了稱重傳感器技術(shù)的進(jìn)步，而微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、現(xiàn)代制造技術(shù)、防護(hù)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(huì)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)電阻應(yīng)變片的金屬絲承受外力作用發(fā)生彈性變形時(shí)，它的長度 L、截面積 Js 以及電阻率 lD 均會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。此時(shí)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(gè)電阻應(yīng)變片，它們組成一個(gè)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(yán)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(shí)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(shí)的輸出一輸入關(guān)系。衡量靜態(tài)特性的重要指標(biāo)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(dāng)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(gè)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(dāng)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(shí)際上，當(dāng)施加到試件上的力超過一定范圍時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)非線性關(guān)系。

3.4機(jī)械滯后和熱滯后

當(dāng)對貼有應(yīng)變片的試件循環(huán)加載和卸載時(shí)，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(jī)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(jī)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(jī)械滯后值。當(dāng)試件受到恒定外力，環(huán)境溫度改變時(shí)應(yīng)變片的電阻也要變化。在循環(huán)改變溫度時(shí)，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(shí)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(shí)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(dāng)應(yīng)變片的輸出大于機(jī)械應(yīng)變的 10% 時(shí)，就認(rèn)為應(yīng)變片已接近破壞狀態(tài)，此時(shí)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(dāng)有電流通過時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生熱量，可以使電阻應(yīng)變片的溫度升高。當(dāng)電流超過允許電流值時(shí)，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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量時(shí)，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(dāng)應(yīng)變波在應(yīng)變片的敏感柵的軸向傳播時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生延遲。當(dāng)測量以正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)，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(shí)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(dòng)態(tài)測量用應(yīng)變片時(shí)，要將應(yīng)變片的基長設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)車測量上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，獲得了良好的運(yùn)用效果。通過實(shí)際運(yùn)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(gè)車輪的輪重來達(dá)到測量整個(gè)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(yùn)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(jì)及社會(huì)效益，滿足國家經(jīng)濟(jì)宏觀政策而研發(fā)的新型專用貨車。

4.1 傳感器的運(yùn)行原理當(dāng)一列貨車勻速或滑行通過測重段時(shí)，先到

達(dá)電阻應(yīng)變式傳感器，計(jì)算機(jī)先測出速度并判斷出貨車的運(yùn)行方向。同時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由零點(diǎn)調(diào)待車狀態(tài)，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集程序，并做好稱重的準(zhǔn)備工作。當(dāng)貨車車輪到達(dá)重量傳感器時(shí)，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(jī)房，再經(jīng)過放大，濾波后送 A/D 采集，轉(zhuǎn)換，存儲。計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)修正某些變量函數(shù)，并發(fā)出各種控制命令實(shí)現(xiàn)多通道的連續(xù)采集。當(dāng)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(jī)頭類型，機(jī)頭軸數(shù)，判別出車頭與車廂，計(jì)算出單個(gè)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(gè)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(shí)，要求電阻應(yīng)變式傳感性安裝在一個(gè)絕對固定的參考點(diǎn)上，這個(gè)參考點(diǎn)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(yùn)行，保證行車安全，在較短的行車間隔時(shí)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(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，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(shí)，應(yīng)該把傳感器安裝在軌枕上，并通過合理布置測點(diǎn)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行標(biāo)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(shí)的波形高。進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，應(yīng)保持應(yīng)變儀“衰減”檔位和測試時(shí)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(huì)有所變化，因此在測試前和測試后各標(biāo)定一次，取兩次標(biāo)定的平均值作為標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，底架中梁采用屈服強(qiáng)度為 450MPa 的高強(qiáng)度耐候鋼，并對牽引梁部分進(jìn)行了加強(qiáng)。

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

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

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

4.5 機(jī)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(jī)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(shí)可靠的，用于軌道振動(dòng)位移測試是可行的。其結(jié)構(gòu)簡單，制做、安裝、標(biāo)定簡便易行，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)，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(dòng)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(jī)車車輛稱重的技術(shù)要求,設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)信號測試分析系統(tǒng),并在實(shí)際運(yùn)用中對其準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。