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電子軌道衡作為鐵道車輛稱重使用的電子稱重設(shè)備，目前在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中應(yīng)用越來越廣泛。電子軌道衡有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種工作方式,工作原理基本相同,都是稱重傳感器感應(yīng)由機(jī)械臺(tái)面?zhèn)鱽淼奈矬w重量信號(hào)，并按一定的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成與其重量相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，再通過二次儀表進(jìn)行信號(hào)處理，最終在計(jì)算機(jī)上顯示車輛的重量數(shù)值。電子軌道衡稱重具有反應(yīng)速度快、精度高、體積小、自動(dòng)化程度高、維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中動(dòng)態(tài)過磅的動(dòng)態(tài)電子軌道衡，有著過磅速度快的特有優(yōu)點(diǎn),受到許多用戶的青睞。結(jié)合江西銅業(yè)集團(tuán)公司永平銅礦的基坑型、單臺(tái)面、以轉(zhuǎn)向架為計(jì)量方式的電子軌道衡，分析動(dòng)態(tài)電子軌道衡的工作原理。
1稱重原理分析
電子軌道衡一般由機(jī)械臺(tái)面（或傳力機(jī)構(gòu)）、傳感器、二次儀表和計(jì)算機(jī)（顯示裝置）四部分組成,其稱重信號(hào)處理順著這四部分自上而下逐步進(jìn)行，這也是一般電子稱重設(shè)備的信號(hào)處理流程。下面對(duì)這四個(gè)部分工作原理逐一加以分析。
1.1機(jī)械臺(tái)面
軌道衡的機(jī)械臺(tái)面系統(tǒng)要求有足夠的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)必須做到傳力準(zhǔn)確。在結(jié)構(gòu)上，主要由臺(tái)面鋼軌、過渡器、限位器、承重梁組成。臺(tái)面鋼軌和過渡器安裝在承重梁上，直接與車輛輪對(duì)相接觸。限位器是必要的輔助裝置,起限制整個(gè)秤架擺動(dòng)的作用。承重梁則在車輛與傳感器之間起到力的傳遞作用。
1.1.1臺(tái)面軌
對(duì)臺(tái)面軌有物點(diǎn)要求:（1）臺(tái)面軌與其兩端各長(zhǎng)15m的引軌要在同一水平線上。引軌必須筆直，其基礎(chǔ)要十分牢固，不能有松動(dòng)。如果臺(tái)面軌與引軌不在同一水平線上，而是存在坡度,過磅車輛的重心線必將偏離本來的位置，產(chǎn)生稱重誤差。（2）兩根臺(tái)面軌要在同一水平面上。這樣可避免車輛輪對(duì)對(duì)鋼軌產(chǎn)生側(cè)向力而影響重力的傳輸，同時(shí)也是傳感器正確使用的前提條件。
1.1.2過渡器
弓I軌和臺(tái)面軌之間存在著縫隙，如果不加處理,則車輛進(jìn)出臺(tái)面時(shí)會(huì)對(duì)臺(tái)面產(chǎn)生較大沖擊，影響稱重精度，并且很容易損壞傳感器。過渡器是臺(tái)面和引軌的聯(lián)接軌，它用來減少鋼軌接頭沖擊所引起的振動(dòng)。過渡器一般安裝成隨動(dòng)橋式的，并且保持靈活。其外形一般做成頂部縱向成弧形，最高點(diǎn)高出臺(tái)面軌車輪經(jīng)過過渡器時(shí)，自然會(huì)繞過橫向軌縫，從而有效減少?zèng)_擊振動(dòng)。
1.1.3限位器
限位器對(duì)動(dòng)態(tài)軌道衡來說是至關(guān)重要的部件，它對(duì)感量和稱量值有直接的影響。這是由于車輛進(jìn)入和離開臺(tái)面會(huì)對(duì)臺(tái)面產(chǎn)生沖擊，車輪與鋼軌之間也存在動(dòng)摩擦，使承重梁產(chǎn)生擺動(dòng)，影響力的傳輸。為了限制承重梁的擺動(dòng)幅度，必須使用縱向和橫向的限位裝置。其一端固定在基坑上，另一端控制承重梁的位移。限位器的狀態(tài)不能太緊或太松。太緊會(huì)使整個(gè)秤的靈敏度降低，；太松會(huì)使傳感器的側(cè)向力加大,具體表現(xiàn)為數(shù)據(jù)分散，變差加大。永平銅礦軌道衡使用了四根縱向拉桿和四根橫向拉板進(jìn)行限位，拉板的松緊程度可由螺栓調(diào)整。
1.1.4承重梁
承重梁不與基坑相連，是懸空的,靠限位拉桿固定在傳感器上，其自身重量全部由傳感器承受。承重梁要保持靈活，才能將車輛的重量無損失地傳遞給傳感器。
1.2傳感器
傳感器是電子稱重設(shè)備中完成力一電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，也是影響稱重精度的主要部件。傳感器安裝在承重梁的底部,固定在一塊可調(diào)高度的墊鐵上。通過調(diào)整墊鐵,可以調(diào)整臺(tái)面的水平面。傳感器的力一電轉(zhuǎn)換精度很高，一般在0.5%~0.01%。在電子稱重中普遍采用的是稱重傳感器。
1.2.1轉(zhuǎn)換原理
傳感器的力一電轉(zhuǎn)換是利用傳感器內(nèi)部的金屬絲（即電阻應(yīng)變片）在受壓發(fā)生彈性變形時(shí),其電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)變化這一物理性能進(jìn)行工作的，這一特性稱為電阻的“應(yīng)變一電阻效應(yīng)”。電阻應(yīng)變片外形及其在傳感器內(nèi)部的位置見圖1所示。

（b）傳感器內(nèi)部的應(yīng)變片

圖1電阻應(yīng)變片
Fig1Resistancestrainpiece
1-敏感柵；2-引線；3-粘結(jié)劑；4-蓋層；5-基底
電阻應(yīng)變片:用粘合劑粘貼在金屬?gòu)椥栽砻?，在橫向和縱向上都粘貼有兩片，并接成橋式測(cè)量電路，如圖2。如果在彈性元件上加上重量W,電阻應(yīng)變片隨同彈性元件一起變形，應(yīng)變片的阻值將發(fā)生變化。通過測(cè)量阻值的變化,就可間接得到外加重量W的值（一般是測(cè)其輸出的電壓值）。圖3是傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2電阻應(yīng)變片測(cè)量電路
Fig2Themeasurecircuitofresistancestrainpiece

圖3傳感器安裝結(jié)構(gòu)示意圖
Fig3Theinstallingstructuresketchofloadcell

1.2.2電路聯(lián)接原理
轉(zhuǎn)向架計(jì)量方式的動(dòng)態(tài)電子軌道衡使用了四只20t的柱形傳感器共同支撐稱重臺(tái)面，能稱量100t的鐵道車輛。為得到各個(gè)傳感器輸出信號(hào)的總和，四個(gè)傳感器橋路采用了并聯(lián)的聯(lián)接方式，用24V直流恒壓源激勵(lì)，如圖4所示。
由于采用的是同一型號(hào)的稱重傳感器，其輸出阻抗基本一致，故橋路輸出總電壓Ua為各個(gè)橋路輸出的算術(shù)平均值：
站（S+U站韓+U翕4
圖4中,E為傳感器激勵(lì)電源電壓，并聯(lián)后輸出信號(hào)為0,各傳感器的輸出電阻為R如靈敏度為島,輸出電壓為仏，載荷容量為G,根據(jù)疊加原理有（把J?，、&看成短路）,有:
其中朋/G,而K,=S/（冊(cè)G）稱為傳感器特性系數(shù)，月為各磚感器上分別承受的重量。

僅與傳感器上的總重量成正比,而與各傳感器的受力狀況無關(guān),條件是各傳感器的特性系數(shù)要一致，即四只傳感器的靈敏度、輸出電阻、載荷容量相同?？梢栽诿總€(gè)傳感器的兩輸出端各串接一只低溫系數(shù)的電阻％,這樣能減少因傳感器輸出阻抗不等而影響傳感器的總輸出。
1.2.3稱重傳感器的特性參數(shù)
稱重傳感器的主要性能參數(shù)有:額定載荷、輸出靈敏度、非線性、蠕變、滯后.、重復(fù)性、零點(diǎn)輸出、零點(diǎn)漂移、輸出溫度影響等。由于制造傳感器的技術(shù)不斷進(jìn)步，在實(shí)際應(yīng)用中,通常只需考慮靈敏度、滯后、重復(fù)性和非線性對(duì)稱重的影響。下面介紹其中一些基本概念。
靈敏度:指額定載荷下，供橋電壓為IV時(shí)的輸出電壓（mV/V）；若傳感器靈敏度系數(shù)不一致，則同一物體置于稱臺(tái)的不同位置,就會(huì)顯示不同重量，從而影響稱重精度,其原因前面已論述。
滯后:傳感器的滯后誤差對(duì)稱重的影響較大。當(dāng)輪對(duì)進(jìn)入臺(tái)面后，前兩個(gè)傳感器的載荷最大，然后逐漸減少，使用加載曲線段;而后兩個(gè)傳感器的載荷逐漸增加,使用卸載曲線段。當(dāng)加載曲線段和卸載曲線段不重合時(shí),會(huì)給輸出引入較大誤差。滯后誤差較大時(shí)，一般只有更換傳感器。
重復(fù)性:表現(xiàn)為某一稱量點(diǎn)重復(fù)稱量的誤差。這是一個(gè)隨機(jī)的量,在應(yīng)用中很難消除它的影響，合格的傳感器的重復(fù)性誤差很小,不會(huì)影響使用精度。
非線性:會(huì)影響某一稱量段的稱重。表現(xiàn)為一個(gè)系統(tǒng)誤差，可以在數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行補(bǔ)償。
1.3二次儀表
二次儀表對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理,并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)輸出給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。二次儀表我們也稱作通道。通道對(duì)傳感器的信號(hào)處理不好，會(huì)直接影響稱重準(zhǔn)確度。圖5是通道電路原理圖。

1.3.1前置放大器
傳感器輸出的信號(hào)為毫伏級(jí)，輸出靈敏度一般為l~3mV/V。軌道衡傳感器使用的是24V供橋電壓,其最大輸出為24mV,電信號(hào)比較弱。二次儀表在信號(hào)處理前，必須對(duì)傳感器輸岀的電信號(hào)進(jìn)行放大。放大器要求輸入阻抗大，漂移小,增益高，噪聲低。永平銅礦軌道衝采用進(jìn)口的高精密放大器ICL7650作為前置放大器。放大倍數(shù)約為100倍。
放大器的放大倍數(shù)應(yīng)與傳感器及A/D轉(zhuǎn)換器相匹配?？梢杂?jì)算出二次儀表應(yīng)有的放大倍數(shù)。由于傳感器的靈敏度為ImV/V,供橋電壓為24V,那么在額定載荷20t的作用下單個(gè)傳感器的輸出電壓為：
t/o=24VxlmV/V=24mV
此24mV代表20000kg的重量，則每kg表示的電壓為：
^1=24mV/20000kg=0.0012mV/kg
而A/D轉(zhuǎn)換器ADC1130是14位的，最大輸出數(shù)值為3FFFH,代表著16383kg的重量值，這是四個(gè)傳感器感應(yīng)重量的平均值。由于A/D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸出電壓為10V,轉(zhuǎn)換數(shù)字為3FFFH,對(duì)應(yīng)為16383kg的重量。則每kg表示的電壓為；
7^2=10V/16383kg=0.61mV/kg
由此可以算出放大倍數(shù)：
X=Kj術(shù)=0.61mV/0.0012mV=508
即放大器應(yīng)放大的倍數(shù)為508倍。前置放大器只放大了約100倍，剩下的約5倍的放大倍數(shù)則由濾波器來完成。
1.3.2濾波器

圖6低通濾波器
Fig6Thelowpass

車輛在臺(tái)面上行使時(shí)會(huì)對(duì)臺(tái)面產(chǎn)生振動(dòng)，使傳感器輸出的直流信號(hào)又疊加了一個(gè)交流分量，影響稱重精度。由于車輛在臺(tái)面上的行使速度較低（一般小于15km4i）,故疊加的振動(dòng)信號(hào)屬于低頻信號(hào)。在電路上要抑制這種低頻信號(hào)，一般采用低通有源濾波器。圖6是二階低通濾波器的電路形式，這種濾波器能獲得較好的濾波效果，而且兼有信號(hào)放大作用，放大倍數(shù)約為5倍。
1.3.3A/D轉(zhuǎn)換
永平銅礦軌道衡A/D轉(zhuǎn)換釆用進(jìn)口的高精度的14位轉(zhuǎn)換器ADC1130,其轉(zhuǎn)換時(shí)間為52us,最大輸入電壓為10V。專門設(shè)有一個(gè)電路振蕩器，輸出50Hz的窄脈沖來控制ADC1130的轉(zhuǎn)換，即A/D每10ms轉(zhuǎn)換一次。A/D轉(zhuǎn)換完成后，輸出一個(gè)轉(zhuǎn)換完畢信號(hào)，貯存在緩沖器的最高位（與數(shù)值信號(hào)疊加在一起）。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過光電耦合器傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)共有16位，前14位是數(shù)據(jù)位，第14位為空位，第15位為轉(zhuǎn)換完畢信號(hào)。
通常在軌道衡檢定時(shí)，只需稍微調(diào)整濾波器電路部分的可調(diào)電位器W,使放大電路滿足稱重的準(zhǔn)確度。這是因?yàn)閭鞲衅鞯墓螂娫匆约半娐穮?shù)隨時(shí)間變化會(huì)有漂移，因此二次儀表的放大倍數(shù)需要適當(dāng)調(diào)整,以保證稱重的準(zhǔn)確度°
1.4計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理
計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集一分析程序、過磅數(shù)據(jù)處理程序、打印程序等組成。二次儀表與計(jì)算機(jī)的通信需要一塊接口板來完成。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集一分析程序通過接口板釆集稱重?cái)?shù)據(jù)，依次取稱重信號(hào)的高8位和低8位，然后合并成一個(gè)完整的16位數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)釆集一分析程序需要完成稱重?cái)?shù)據(jù)的采集、自動(dòng)調(diào)零、臺(tái)面來車判別、車輛車型判別、過磅數(shù)據(jù)顯示和貯存等功能。臺(tái)面零點(diǎn)是以256次的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，再乘以4（力作用在四個(gè)傳感器上）得到的。這種平均算法可以起到數(shù)字濾波作用，算出的臺(tái)面零點(diǎn)很穩(wěn)定。在臺(tái)面來車過磅后，要去掉臺(tái)面零點(diǎn)的數(shù)值，才是車輛稱重的數(shù)值。
程序中，車輛車型判斷和數(shù)值計(jì)算方法最為重要。車型判斷原理:根據(jù)車輛兩個(gè)輪對(duì)和一個(gè)輪對(duì)對(duì)臺(tái)面壓力的不同，計(jì)算機(jī)所取的稱重?cái)?shù)據(jù)是有差異的,程序依此判斷臺(tái)面是否來車"由于信號(hào)取樣時(shí)間T（10ms）是固定的冶面鋼軌的長(zhǎng)度1也是固定的，可以計(jì)算出車輛過磅速度S：
S=L/（TxK）
K為轉(zhuǎn)向架通過臺(tái)面時(shí)稱重?cái)?shù)據(jù)的釆集次數(shù)。
有了過磅速度,根據(jù)數(shù)據(jù)釆集次數(shù)，可以反算出車輛前后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的長(zhǎng)度，程序依此能獲知車輛的車型（標(biāo)準(zhǔn)車輛與非標(biāo)準(zhǔn)車輛）。
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)四軸車的稱重，單臺(tái)面、以轉(zhuǎn)向架為計(jì)量方式的動(dòng)態(tài)電子軌道衡采用兩頭稱重再求和的方法。即先計(jì)量前轉(zhuǎn)向架的重量，再計(jì)量后轉(zhuǎn)向架的重量（一個(gè)轉(zhuǎn)向架有兩個(gè)輪對(duì)）。車輛輪對(duì)進(jìn)出臺(tái)面時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)有一個(gè)突變階段，只有中間階段的平穩(wěn)信號(hào)才能正確反映車輛的重量，而兩端的信號(hào)則給予剔除。將前后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的重量求和，即為一節(jié)車輛的稱重?cái)?shù)值。程序還可以讀取稱重修正文件中的數(shù)據(jù),用以修正稱重?cái)?shù)值。
2結(jié)語
通過以上分析，可以了解動(dòng)態(tài)電子軌道衡的稱重原理，知道影響稱重精度的環(huán)節(jié)主要在機(jī)械臺(tái)面、傳感器、二次儀表上。在對(duì)動(dòng)態(tài)電子軌道衝進(jìn)行檢修或精度調(diào)整時(shí)，主要從這三方面入手。由此及一般，可知電子稱重設(shè)備的一般稱重原理和維護(hù)方法。當(dāng)岀現(xiàn)稱重精度不夠時(shí)，應(yīng)從機(jī)械臺(tái)面是否水平、靈活，傳感器有無損壞，二次儀表信號(hào)處理是否正確這三方面逐一尋找原因。永平銅礦對(duì)軌道衡進(jìn)行調(diào)整時(shí)，就是參照這些方法進(jìn)行的，軌道衡也多次在國(guó)家檢定中獲得0.2級(jí)的最高檢定精度。

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