0引言
隨著中國經濟結構的調整和飛速發展，中國鐵路已逐步建立成為客運快速、貨運快捷和重載、行車密度高的現代化運輸體係。鐵路高速、重載、長交路以及技術的進步，使得保障鐵路運輸生產安全成為社會關注的重大課題。應變式傳感器是利用測量物體受力變形所產生的應變精確測量物體受力的1種傳感器。由於其結構簡單，使用方便，性能穩定可靠；易於實現測試過程自動化和多點同步測量，遠距離測量和遙測；靈敏度高，測量速度快，適合靜態、動態測量等諸多特點，被廣泛應用於鐵路貨運車輛的稱重計量及安全監測技術領域。依據傳感器的測量值與鋼軌形變的對應關係，精確地測量出鋼軌相應位置的受力大小，進而計算出貨物列車的輪重、軸重、脫軌係數及超偏載等列車狀態信息，保障鐵路車輛運輸的安全。

1應變式測力傳感器介紹
1.1組成及工作原理應變式測力傳感器是由受力後產生形變的彈性體和能感應這個形變量的電阻應變片組成的電橋電路（如惠斯通電橋），以及能把電阻應變片固定粘貼在彈性體上並能傳導應變量的粘合劑和保護電子電路的密封膠等3大部分組成，1種應變式測力傳感器的稱重感應示意圖。


在測量過程中，將電阻應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生彈性變形，使粘貼在其表麵的電阻應變片也隨同產生形變（應變片電阻絲的相對線應變ε=Δl/l）。電阻應變片變形後，它的阻值將發生變化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為應變片電阻絲的初始電阻；ΔR為電阻絲由於受拉（壓）產生的電阻增（減）量；l為電阻絲直線部分的初始全長；Δl為電阻絲由於受拉（壓）產生的直線部分的長度增（減）量；K為應變片的靈敏係數，K=（ΔR/R）（/Δl/l）。1.2電路原理應變式測力傳感器測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測量物理量的變化，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，這種狀態稱為平衡狀態。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，就會產生與電阻變化相對應的輸出電壓。
Uo=Ui4（ΔR1R-ΔR2R+ΔR3R-ΔR4R）（2）將（1）式代入（2）式可得：Uo=UiK4（ε1-ε2+ε3-ε4）（3）當彈性體元件上電阻應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變呈線性關係。惠斯通電橋就是應用此原理將橋臂的電阻變化轉換成電壓輸出。測得電壓輸出即可計算得出環境中物理量的變化，實現測量的目的。

2應變式測力傳感器在車輛運行品質軌旁動態監測 
係統中的應用車輛運行品質軌旁動態監測係統（TPDS）是集列車運行狀態監測、超偏載監測、踏麵擦傷監測等功能為一體的列車運行狀態地麵安全監測係統，可實時在線監測運行中列車輪軌間動力學參數。係統以列車運行過程中輪對與鋼軌之間的動力學關係為依據，將鋼軌作為傳遞力的彈性體，通過傳感器內置的應變片感應鋼軌的形變，引起應變片電阻變化導致惠斯通電橋失衡，傳感器產生電壓信號輸出，依據傳感器的測量值與鋼軌形變的對應關係，精確地測量鋼軌相應位置所受垂向力和橫向力的大小。進而計算出貨物列車的輪重、軸重、脫軌係數、超偏載信息以及踏麵損傷程度等列車狀態信息。係統軌道測試平台結構。

早在2001年哈鐵科研所就設計並研發出二維力傳感器，並申請了專利。本次係統開發過程中，根據TB/T3339-2013要求的技術條件，對二維力傳感器及剪力傳感器進行了針對性的改進設計，在應變片的選型、傳感器結構設計、貼片工藝、密封方式等方麵都取得了重大突破，並獲得2項國家專利。同時，係統采用稱重應力傳感器和振動傳感器結合判別的方式，分級評判列車運行狀態，識別狀態不良車輛，並預警、追蹤、處理，信息化程度高，判別結果更加準確、可靠。
2.1TPDS係統輪軌力測量方法 
TPDS係統軌道測試平台采用在2個剪力傳感器之間設置若幹個軌下二維力傳感器組成綜合檢測區域的方式進行測量，2種傳感器采集的數據通過計算機合成處理，得到檢測區內的垂直力之和。連續測量輪軌力原理圖。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為測試區的長度，h為鋼軌高度。此種檢測方法的檢測區長度範圍可以任意設置，因此可以測得1段較長時間內車輪垂直力增減變化過程數據的平均值。與隻能測到瞬時動載數據的傳統的輪軌力測量方法相比，大大提高了檢測精度，而且擴大了適用的速度範圍。在不增加軌枕間距、不破壞軌道平順性的條件下，實現了列車行進狀態下輪軌力的連續測量。2.2超偏載及踏麵損傷判別研究（1）超偏載檢測。TPDS係統軌道測試平台共使用了20支壓力傳感器和12支剪力傳感器，均勻分布於測量區域的兩側鋼軌上，以剪力傳感器為界線分為5個測量區間。

測試平台采用組合框架式混凝土稱重結構，軌枕間運用高強度螺栓連接，以保持測試平台的平順性和穩定性，保證測量數據的準確性。當列車通過測量區域時，二維力傳感器和剪力傳感器輸出檢測到的軌道力學信號並按比例轉換成電壓信號，傳送至數據采集儀器。數據采集儀對信號進行放大、濾波、模數轉換，並輸出數字信號到計算機。傳感器的輸出波形數據傳遞到計算機，按照5個測量區間進行合成分析處理，計算得出行進中列車的輪重、總重、速度及超偏載信息。（2）踏麵損傷的驗證。TPDS係統測試平台檢測區域長度的增加，實現了輪軌力連續測量，同時也提高了車輪踏麵擦傷的捕獲率，可對車輪全周長範圍內的踏麵擦傷進行檢測。同時，我們采用稱重傳感器和振動傳感器結合判別的方式，進行多傳感器融合，充分兼顧了二者的優點，從而提高踏麵損傷判別的可靠性和健壯性。該係統的力傳感器檢測區和振動傳感器檢測區。


2.3試驗並驗證在現場試驗過程中，檢測、標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建，通過數據采集及分析的方法來確定各種應力的計算方法。基於垂直力傳感器測量踏麵擦傷的衝擊力，結合車速、軸重等形成當量計算模型，並進行實測數據對比試驗，綜合試驗數據與TPDS數據統計分析，評估踏麵擦傷識別模型的一致性。建立超、偏載計算模型，建立全麵的標定概率統計模型，以修正測重數據的準確性。大量試驗數據充分證明，TPDS係統軌道測試平台方案設計合理、科學、技術先進，已實現TB/T3339-2013標準的接車、存儲、判別、預報等主要功能，測量結果完全能達到係統要求。現正在不斷積累數據進行現場複核，對算法及判別模型進行升級完善。

3結束語 
應變式測力傳感器在鐵路貨運稱重計量及安全監測中的成功應用，對鐵路運行事故的防範和預警起到重要作用，大大減少了危及鐵路運輸安全的因素，防範和降低了事故發生，保障行車安全。對於鐵路安全運輸生產起到了重大的經濟和社會效益。

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