0引言
随着中国经济结构的调整和飞速发展，中国铁路已逐步建立成为客运快速、货运快捷和重载、行车密度高的现代化运输体系。铁路高速、重载、长交路以及技术的进步，使得保障铁路运输生产安全成为社会关注的重大课题。应变式传感器是利用测量物体受力变形所产生的应变精确测量物体受力的1种传感器。由于其结构简单，使用方便，性能稳定可靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测量，远距离测量和遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量等诸多特点，被广泛应用于铁路货运车辆的称重计量及安全监测技术领域。依据传感器的测量值与钢轨形变的对应关系，精确地测量出钢轨相应位置的受力大小，进而计算出货物列车的轮重、轴重、脱轨系数及超偏载等列车状态信息，保障铁路车辆运输的安全。

1应变式测力传感器介绍
1.1组成及工作原理应变式测力传感器是由受力后产生形变的弹性体和能感应这个形变量的电阻应变片组成的电桥电路（如惠斯通电桥），以及能把电阻应变片固定粘贴在弹性体上并能传导应变量的粘合剂和保护电子电路的密封胶等3大部分组成，1种应变式测力传感器的称重感应示意图。


在测量过程中，将电阻应变片粘贴在弹性体上，作为传感器的敏感元件。弹性体在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的电阻应变片也随同产生形变（应变片电阻丝的相对线应变ε=Δl/l）。电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化ΔR/R，且形变与阻值的变化成正比。即：ΔR/R=K·Δl/l=Kε（1）阻值的变化使组成的惠斯通电桥失去平衡输出1个与外力成线性正比变化的电量电信号，从而完成了将外力变换为电信号的过程。其中，R为应变片电阻丝的初始电阻；ΔR为电阻丝由于受拉（压）产生的电阻增（减）量；l为电阻丝直线部分的初始全长；Δl为电阻丝由于受拉（压）产生的直线部分的长度增（减）量；K为应变片的灵敏系数，K=（ΔR/R）（/Δl/l）。1.2电路原理应变式测力传感器测量电路广泛采用惠斯通电桥。惠斯通电桥利用电阻的变化来测量物理量的变化，由4个电阻R1、R2、R3、R4连成四边形组成的电路称为惠斯通电桥电路，这4个电阻分别叫做电桥的桥臂；AC对角线连接直流电源，称为供桥端，Ui称为供桥电压；BD对角线连接测量仪表，称为输出端，U0称为输出电压。

典型的惠斯通电桥电路包括：1/4桥电路，即电桥电路的4个电阻中有1个为可变电阻；半桥电路，即电桥电路的4个电阻中有2个为可变电阻；全桥电路，即电桥电路的4个电阻均为可变电阻。传感器使用的电路多为全桥电路，以增加灵敏度。当R1=R2=R3=R4=R时，无论供桥电压Ui多大，输出电压U0总为0，这种状态称为平衡状态。如果平衡被破坏，即4个桥臂电阻变化为R+ΔR1、R+ΔR2、R+ΔR3、R+ΔR4时，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。
Uo=Ui4（ΔR1R-ΔR2R+ΔR3R-ΔR4R）（2）将（1）式代入（2）式可得：Uo=UiK4（ε1-ε2+ε3-ε4）（3）当弹性体元件上电阻应变计的安装定位和电桥接线满足ε1=ε3=ε，ε2=ε4=-ε时，式（3）简化为：Uo=UiKε（4）即此时，电桥输出电压与弹性体元件的应变呈线性关系。惠斯通电桥就是应用此原理将桥臂的电阻变化转换成电压输出。测得电压输出即可计算得出环境中物理量的变化，实现测量的目的。

2应变式测力传感器在车辆运行品质轨旁动态监测 
系统中的应用车辆运行品质轨旁动态监测系统（TPDS）是集列车运行状态监测、超偏载监测、踏面擦伤监测等功能为一体的列车运行状态地面安全监测系统，可实时在线监测运行中列车轮轨间动力学参数。系统以列车运行过程中轮对与钢轨之间的动力学关系为依据，将钢轨作为传递力的弹性体，通过传感器内置的应变片感应钢轨的形变，引起应变片电阻变化导致惠斯通电桥失衡，传感器产生电压信号输出，依据传感器的测量值与钢轨形变的对应关系，精确地测量钢轨相应位置所受垂向力和横向力的大小。进而计算出货物列车的轮重、轴重、脱轨系数、超偏载信息以及踏面损伤程度等列车状态信息。系统轨道测试平台结构。

早在2001年哈铁科研所就设计并研发出二维力传感器，并申请了专利。本次系统开发过程中，根据TB/T3339-2013要求的技术条件，对二维力传感器及剪力传感器进行了针对性的改进设计，在应变片的选型、传感器结构设计、贴片工艺、密封方式等方面都取得了重大突破，并获得2项国家专利。同时，系统采用称重应力传感器和振动传感器结合判别的方式，分级评判列车运行状态，识别状态不良车辆，并预警、追踪、处理，信息化程度高，判别结果更加准确、可靠。
2.1TPDS系统轮轨力测量方法 
TPDS系统轨道测试平台采用在2个剪力传感器之间设置若干个轨下二维力传感器组成综合检测区域的方式进行测量，2种传感器采集的数据通过计算机合成处理，得到检测区内的垂直力之和。连续测量轮轨力原理图。P=Q+∑R，P为轮重，Q为剪力，R为压力；ι1=ι3+h，ι1为剪力传感器的间距，ι2为压力传感器的间距，ι3为测试区的长度，h为钢轨高度。此种检测方法的检测区长度范围可以任意设置，因此可以测得1段较长时间内车轮垂直力增减变化过程数据的平均值。与只能测到瞬时动载数据的传统的轮轨力测量方法相比，大大提高了检测精度，而且扩大了适用的速度范围。在不增加轨枕间距、不破坏轨道平顺性的条件下，实现了列车行进状态下轮轨力的连续测量。2.2超偏载及踏面损伤判别研究（1）超偏载检测。TPDS系统轨道测试平台共使用了20支压力传感器和12支剪力传感器，均匀分布于测量区域的两侧钢轨上，以剪力传感器为界线分为5个测量区间。

测试平台采用组合框架式混凝土称重结构，轨枕间运用高强度螺栓连接，以保持测试平台的平顺性和稳定性，保证测量数据的准确性。当列车通过测量区域时，二维力传感器和剪力传感器输出检测到的轨道力学信号并按比例转换成电压信号，传送至数据采集仪器。数据采集仪对信号进行放大、滤波、模数转换，并输出数字信号到计算机。传感器的输出波形数据传递到计算机，按照5个测量区间进行合成分析处理，计算得出行进中列车的轮重、总重、速度及超偏载信息。（2）踏面损伤的验证。TPDS系统测试平台检测区域长度的增加，实现了轮轨力连续测量，同时也提高了车轮踏面擦伤的捕获率，可对车轮全周长范围内的踏面擦伤进行检测。同时，我们采用称重传感器和振动传感器结合判别的方式，进行多传感器融合，充分兼顾了二者的优点，从而提高踏面损伤判别的可靠性和健壮性。该系统的力传感器检测区和振动传感器检测区。


2.3试验并验证在现场试验过程中，检测、标定了专用卡具及传感器在各种速度、压力下的补偿曲线。开展脱线识别模型的构建，通过数据采集及分析的方法来确定各种应力的计算方法。基于垂直力传感器测量踏面擦伤的冲击力，结合车速、轴重等形成当量计算模型，并进行实测数据对比试验，综合试验数据与TPDS数据统计分析，评估踏面擦伤识别模型的一致性。建立超、偏载计算模型，建立全面的标定概率统计模型，以修正测重数据的准确性。大量试验数据充分证明，TPDS系统轨道测试平台方案设计合理、科学、技术先进，已实现TB/T3339-2013标准的接车、存储、判别、预报等主要功能，测量结果完全能达到系统要求。现正在不断积累数据进行现场复核，对算法及判别模型进行升级完善。

3结束语 
应变式测力传感器在铁路货运称重计量及安全监测中的成功应用，对铁路运行事故的防范和预警起到重要作用，大大减少了危及铁路运输安全的因素，防范和降低了事故发生，保障行车安全。对于铁路安全运输生产起到了重大的经济和社会效益。

本文源于网络转载，如有侵权，请联系删除