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0引言
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和飛速發(fā)展，中國(guó)鐵路已逐步建立成為客運(yùn)快速、貨運(yùn)快捷和重載、行車密度高的現(xiàn)代化運(yùn)輸體系。鐵路高速、重載、長(zhǎng)交路以及技術(shù)的進(jìn)步，使得保障鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全成為社會(huì)關(guān)注的重大課題。應(yīng)變式傳感器是利用測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變精確測(cè)量物體受力的1種傳感器。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，性能穩(wěn)定可靠；易于實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程自動(dòng)化和多點(diǎn)同步測(cè)量，遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè)；靈敏度高，測(cè)量速度快，適合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量等諸多特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鐵路貨運(yùn)車輛的稱重計(jì)量及安全監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。依據(jù)傳感器的測(cè)量值與鋼軌形變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，精確地測(cè)量出鋼軌相應(yīng)位置的受力大小，進(jìn)而計(jì)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(yùn)輸?shù)陌踩?br />
1應(yīng)變式測(cè)力傳感器介紹
1.1組成及工作原理應(yīng)變式測(cè)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(gè)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(cè)力傳感器的稱重感應(yīng)示意圖。


在測(cè)量過(guò)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(duì)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(gè)與外力成線性正比變化的電量電信號(hào)，從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過(guò)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(zhǎng)；Δl為電阻絲由于受拉（壓）產(chǎn)生的直線部分的長(zhǎng)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(cè)力傳感器測(cè)量電路廣泛采用惠斯通電橋。惠斯通電橋利用電阻的變化來(lái)測(cè)量物理量的變化，由4個(gè)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(gè)電阻分別叫做電橋的橋臂；AC對(duì)角線連接直流電源，稱為供橋端，Ui稱為供橋電壓；BD對(duì)角線連接測(cè)量?jī)x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(gè)電阻中有1個(gè)為可變電阻；半橋電路，即電橋電路的4個(gè)電阻中有2個(gè)為可變電阻；全橋電路，即電橋電路的4個(gè)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(shí)，無(wú)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(gè)橋臂電阻變化為R+ΔR1、R+ΔR2、R+ΔR3、R+ΔR4時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生與電阻變化相對(duì)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(jì)的安裝定位和電橋接線滿足ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε時(shí)，式（3）簡(jiǎn)化為：Uo=UiKε（4）即此時(shí)，電橋輸出電壓與彈性體元件的應(yīng)變呈線性關(guān)系?；菟雇姌蚓褪菓?yīng)用此原理將橋臂的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出。測(cè)得電壓輸出即可計(jì)算得出環(huán)境中物理量的變化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的目的。

2應(yīng)變式測(cè)力傳感器在車輛運(yùn)行品質(zhì)軌旁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè) 
系統(tǒng)中的應(yīng)用車輛運(yùn)行品質(zhì)軌旁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）是集列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、超偏載監(jiān)測(cè)、踏面擦傷監(jiān)測(cè)等功能為一體的列車運(yùn)行狀態(tài)地面安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行中列車輪軌間動(dòng)力學(xué)參數(shù)。系統(tǒng)以列車運(yùn)行過(guò)程中輪對(duì)與鋼軌之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系為依據(jù)，將鋼軌作為傳遞力的彈性體，通過(guò)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(hào)輸出，依據(jù)傳感器的測(cè)量值與鋼軌形變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，精確地測(cè)量鋼軌相應(yīng)位置所受垂向力和橫向力的大小。進(jìn)而計(jì)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(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)。

早在2001年哈鐵科研所就設(shè)計(jì)并研發(fā)出二維力傳感器，并申請(qǐng)了專利。本次系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，根據(jù)TB/T3339-2013要求的技術(shù)條件，對(duì)二維力傳感器及剪力傳感器進(jìn)行了針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，在應(yīng)變片的選型、傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、貼片工藝、密封方式等方面都取得了重大突破，并獲得2項(xiàng)國(guó)家專利。同時(shí)，系統(tǒng)采用稱重應(yīng)力傳感器和振動(dòng)傳感器結(jié)合判別的方式，分級(jí)評(píng)判列車運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)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(cè)量方法 
TPDS系統(tǒng)軌道測(cè)試平臺(tái)采用在2個(gè)剪力傳感器之間設(shè)置若干個(gè)軌下二維力傳感器組成綜合檢測(cè)區(qū)域的方式進(jìn)行測(cè)量，2種傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)合成處理，得到檢測(cè)區(qū)內(nèi)的垂直力之和。連續(xù)測(cè)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(cè)試區(qū)的長(zhǎng)度，h為鋼軌高度。此種檢測(cè)方法的檢測(cè)區(qū)長(zhǎng)度范圍可以任意設(shè)置，因此可以測(cè)得1段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)車輪垂直力增減變化過(guò)程數(shù)據(jù)的平均值。與只能測(cè)到瞬時(shí)動(dòng)載數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)的輪軌力測(cè)量方法相比，大大提高了檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了列車行進(jìn)狀態(tài)下輪軌力的連續(xù)測(cè)量。2.2超偏載及踏面損傷判別研究（1）超偏載檢測(cè)。TPDS系統(tǒng)軌道測(cè)試平臺(tái)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(cè)量區(qū)域的兩側(cè)鋼軌上，以剪力傳感器為界線分為5個(gè)測(cè)量區(qū)間。

測(cè)試平臺(tái)采用組合框架式混凝土稱重結(jié)構(gòu)，軌枕間運(yùn)用高強(qiáng)度螺栓連接，以保持測(cè)試平臺(tái)的平順性和穩(wěn)定性，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。當(dāng)列車通過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)，二維力傳感器和剪力傳感器輸出檢測(cè)到的軌道力學(xué)信號(hào)并按比例轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，傳送至數(shù)據(jù)采集儀器。數(shù)據(jù)采集儀對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出數(shù)字信號(hào)到計(jì)算機(jī)。傳感器的輸出波形數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)，按照5個(gè)測(cè)量區(qū)間進(jìn)行合成分析處理，計(jì)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(yàn)證。TPDS系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)檢測(cè)區(qū)域長(zhǎng)度的增加，實(shí)現(xiàn)了輪軌力連續(xù)測(cè)量，同時(shí)也提高了車輪踏面擦傷的捕獲率，可對(duì)車輪全周長(zhǎng)范圍內(nèi)的踏面擦傷進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，我們采用稱重傳感器和振動(dòng)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(diǎn)，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(cè)區(qū)和振動(dòng)傳感器檢測(cè)區(qū)。


2.3試驗(yàn)并驗(yàn)證在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，檢測(cè)、標(biāo)定了專用卡具及傳感器在各種速度、壓力下的補(bǔ)償曲線。開展脫線識(shí)別模型的構(gòu)建，通過(guò)數(shù)據(jù)采集及分析的方法來(lái)確定各種應(yīng)力的計(jì)算方法。基于垂直力傳感器測(cè)量踏面擦傷的沖擊力，結(jié)合車速、軸重等形成當(dāng)量計(jì)算模型，并進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比試驗(yàn)，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與TPDS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，評(píng)估踏面擦傷識(shí)別模型的一致性。建立超、偏載計(jì)算模型，建立全面的標(biāo)定概率統(tǒng)計(jì)模型，以修正測(cè)重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分證明，TPDS系統(tǒng)軌道測(cè)試平臺(tái)方案設(shè)計(jì)合理、科學(xué)、技術(shù)先進(jìn)，已實(shí)現(xiàn)TB/T3339-2013標(biāo)準(zhǔn)的接車、存儲(chǔ)、判別、預(yù)報(bào)等主要功能，測(cè)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(chǎng)復(fù)核，對(duì)算法及判別模型進(jìn)行升級(jí)完善。

3結(jié)束語(yǔ) 
應(yīng)變式測(cè)力傳感器在鐵路貨運(yùn)稱重計(jì)量及安全監(jiān)測(cè)中的成功應(yīng)用，對(duì)鐵路運(yùn)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(yùn)輸安全的因素，防范和降低了事故發(fā)生，保障行車安全。對(duì)于鐵路安全運(yùn)輸生產(chǎn)起到了重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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