稱(chēng)重傳感器技術(shù)是電子稱(chēng)重技術(shù)的重要基礎，稱(chēng)重傳感器是電子衡器和電子稱(chēng)重系統的核心部件。而電阻應變式稱(chēng)重傳感器是地磅中的核心部件，是電子衡器的性能價(jià)格的基本決定因素。本文以軌道測試的實(shí)踐為基礎，較為深入地分析了電阻應變式位移傳感器的原理、基本參數及其在機車(chē)測試中應用的有關(guān)技術(shù)問(wèn)題。

1.引言

現代稱(chēng)重技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了稱(chēng)重傳感器技術(shù)的進(jìn)步，而微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )通訊技術(shù)、現代制造技術(shù)、防護密封技術(shù)等的發(fā)展，又為開(kāi)發(fā)新型稱(chēng)重傳感器提供了技術(shù)和物質(zhì)基礎。電阻應變式稱(chēng)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。

電阻應變式稱(chēng)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變片 （轉換元件） 也隨同產(chǎn)生變形，電阻應變片產(chǎn)生變形后，它的阻值將發(fā)生變化 （增大或減?。?，再經(jīng)相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號 （電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過(guò)程。

2.工作原理

電阻應變式稱(chēng)重傳感器之所以能作為質(zhì)量一電量的轉換元件，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)生相應的變化這一物理特性實(shí)現的。當電阻應變片的金屬絲承受外力作用發(fā)生彈性變形時(shí)，它的長(cháng)度 L、截面積 Js 以及電阻率 lD 均會(huì )發(fā)生相應變化。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)電阻應變片，它們組成一個(gè)全橋式測量電路，如圖 1 所示。

根據上述原理制成的稱(chēng)重傳感器主要由三部分組成，即彈性元件、電阻應變片和測量電路。

用專(zhuān)門(mén)、十分嚴格的粘貼技術(shù)并通過(guò)連接線(xiàn)將這三者聯(lián)系起來(lái)，就可以實(shí)現質(zhì)量一電量信號之間的線(xiàn)形變換。

3.電阻應變片的主要技術(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)特性的重要指標是線(xiàn)性度、靈敏度、遲滯、重復性、分辨率和漂移度等。

3.1靈敏度

金屬絲的靈敏度系數 （Ko） 是表示金屬絲受力后，電阻的相對變化與軸向長(cháng)度的相對變化之間的關(guān)系。當將金屬絲制成應變片之后，應變片的靈敏度系數 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，而且 K 還是溫度的函數，所以對 K 的主要要求是穩定性。

3.2 橫向效應

粘貼在試件上的應變片，其敏感柵由許多條直線(xiàn)及圓角部分組成。當受到縱向應力之后，直線(xiàn)段的電阻將增加，圓角部分的電阻將減小，其綜合效應是使應變片的靈敏度下降，這種現象稱(chēng)為應變片的橫向效應。在工程上采用箔式應變片可以減小橫向效應。

3.3線(xiàn)性度

試件上的應變敏感元件，其電阻的相對變化 AR/R 理論上呈線(xiàn)性關(guān)系。實(shí)際上，當施加到試件上的力超過(guò)一定范圍時(shí)，就會(huì )出現非線(xiàn)性關(guān)系。

3.4機械滯后和熱滯后

當對貼有應變片的試件循環(huán)加載和卸載時(shí)，應變片的 AR/R 與 A/// 之間的特性曲線(xiàn)的不重合程度稱(chēng)為機械滯后。把加載和卸載特性曲線(xiàn)的最大差異值稱(chēng)為應變片的機械滯后值。

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(guò)程中，對同一載荷，應變片輸出的差值即為機械滯后值。當試件受到恒定外力，環(huán)境溫度改變時(shí)應變片的電阻也要變化。在循環(huán)改變溫度時(shí)，應變片在同一溫度下電阻的差值稱(chēng)為應變片的熱滯后值。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，貼有應變片的試件不承受載荷，應變片的阻值隨時(shí)間變化的情況稱(chēng)為應變片的零漂。在恒溫條件下，加到貼有應變片的試件上的載荷力恒定，應變片的應變輸出隨時(shí)間變化的情況稱(chēng)為應變片的蠕變。

3.6 應變極限

粘貼在試件上的應變片所能測量的最大載荷力稱(chēng)為應變極限。在恒溫條件下，緩慢均勻地施加載荷力，當應變片的輸出大于機械應變的 10% 時(shí)，就認為應變片已接近破壞狀態(tài)，此時(shí)的應變值就稱(chēng)為應變極限值。

3.7 電阻應變片的疲勞壽命應變片粘貼到試件上之后，在應變極限之內往復循環(huán)地施加載荷，應變片所能承受某一特定載荷作用的循環(huán)次數為應變片的疲勞壽命。

3.8 電阻應變片的容許電流應變片接成橋路之后，當有電流通過(guò)時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生熱量，可以使電阻應變片的溫度升高。當電流超過(guò)允許電流值時(shí)，可能造成應變片燒斷柵絲。顯然，允許電流與試件的尺寸、材料的導熱系數及應變片本身的尺寸等條件有關(guān)。使用中不允許超過(guò)允許電流的數值并注意相關(guān)的條件。

3.9 電阻應變片的絕緣電阻應變片的引線(xiàn)與試件之間的電阻值稱(chēng)為絕緣電阻。它的數量級為兆歐級。

3.10 電阻應變片的動(dòng)態(tài)響應特性進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量時(shí)，應變是以應變波的形式在材料中傳播 （傳播速度與聲波相同），當應變波在應變片的敏感柵的軸向傳播時(shí)，將會(huì )產(chǎn)生延遲。當測量以正弦規律變化的載荷時(shí)，應變片反映的應變波形是線(xiàn)柵長(cháng)度內所感受變量的平均值，故所反映的波幅將低于實(shí)際應變數，而造成測量誤差。其誤差還將隨應變片的基長(cháng)增大而增加。一般制造動(dòng)態(tài)測量用應變片時(shí)，要將應變片的基長(cháng)設計成應變波長(cháng)的 1/10-1/20。

4.電阻應變式稱(chēng)重傳感器在機車(chē)的應用

電阻應變式稱(chēng)重傳感器在經(jīng)過(guò)各方面的調試后，在長(cháng)大貨物列車(chē)、內燃機車(chē)測量上進(jìn)行了實(shí)際應用，獲得了良好的運用效果。通過(guò)實(shí)際運用表明，電阻應變式稱(chēng)重傳感器特別適合長(cháng)大貨物列車(chē)自重和貨物的測量。其原因是長(cháng)大貨物列車(chē)的車(chē)輛長(cháng)度比較大，轉向架組成形式基本為轉向架群，普通軌道衡無(wú)法滿(mǎn)足長(cháng)大貨物列車(chē)的稱(chēng)重測量需要。

而電阻應變式稱(chēng)重傳感器是通過(guò)測量各個(gè)車(chē)輪的輪重來(lái)達到測量整個(gè)車(chē)輛和裝載貨物重量的目的，滿(mǎn)足了長(cháng)大貨物列車(chē)的稱(chēng)重需要，從而對長(cháng)大貨物列車(chē)的運輸起到了安全保證作用，說(shuō)明電阻應變式稱(chēng)重傳感器，具有廣闊的應用前景，必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟及社會(huì )效益，滿(mǎn)足國家經(jīng)濟宏觀(guān)政策而研發(fā)的新型專(zhuān)用貨車(chē)。

4.1 傳感器的運行原理當一列貨車(chē)勻速或滑行通過(guò)測重段時(shí)，先到

達電阻應變式傳感器，計算機先測出速度并判斷出貨車(chē)的運行方向。同時(shí)計算機系統由零點(diǎn)調待車(chē)狀態(tài)，進(jìn)入數據采集程序，并做好稱(chēng)重的準備工作。當貨車(chē)車(chē)輪到達重量傳感器時(shí)，傳感器輸出與輪重成比例的剪切應變信號，經(jīng)過(guò)電橋盒組橋，由電纜傳送到機房，再經(jīng)過(guò)放大，濾波后送 A/D 采集，轉換，存儲。計算機實(shí)時(shí)修正某些變量函數，并發(fā)出各種控制命令實(shí)現多通道的連續采集。當一列貨車(chē)采集完成后，程序轉入數據處理狀態(tài)，根據機頭類(lèi)型，機頭軸數，判別出車(chē)頭與車(chē)廂，計算出單個(gè)車(chē)廂與整列車(chē)的毛重，自重，凈重。最后顯示打印測量結果，包括每節車(chē)廂的車(chē)號，物質(zhì)類(lèi)型，毛重，自重，凈重，車(chē)速和整個(gè)車(chē)列的總重量。

4.2 傳感器的安裝電阻應變式傳感器的安裝質(zhì)量，對測試結果的可靠性和精度有著(zhù)直接的影響。作絕對位移測量時(shí)，要求電阻應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(lái)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(chē)運行，保證行車(chē)安全，在較短的行車(chē)間隔時(shí)間內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(cháng)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(cháng)度是打入路基和道床的，在道床表面僅 10cm 左右，

樁的抗彎剛度遠遠大于電阻應變式傳感器的剛度，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對測定參數的影響。例如在測試鋼軌和軌枕的相對位移時(shí)，應該把傳感器安裝在軌枕上，并通過(guò)合理布置測點(diǎn)或安裝固定基座，消除安裝彎曲對測試結果的影響。電阻應變式傳感器應布置在位移較大的一側，為了測得反向位移，要給彈性元件一定的預壓量,這與傳感器跟隨性的要求是一致的。

4.3 傳感器的標定在光線(xiàn)示波器的記錄紙上記錄位移信號之后，需要通過(guò)標定將波形的高度值轉換成被測部件的位移值。通常采用塞尺辦法進(jìn)行標定, 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)行標定時(shí)，應保持應變儀“衰減”檔位和測試時(shí)的檔位相同。在測試過(guò)程中，由于各種外界干擾及儀器本身的穩定性等影響，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定一次，取兩次標定的平均值作為標定位移。

4.4適用范圍

(1)自重輕、載重大，可適應 2 萬(wàn)噸重載列車(chē)編組要求。

(2)車(chē)輛結構按 2 萬(wàn)噸列車(chē)的考核標準進(jìn)行設計，底架中梁采用屈服強度為 450MPa 的高強度耐候鋼，并對牽引梁部分進(jìn)行了加強。

(3)轉向架采用轉 K6 型轉向架，具有運行速度高、動(dòng)力學(xué)性能穩定等特點(diǎn)。

(4)應用可靠性設計理念，對枕梁、下側門(mén)口連接結點(diǎn)等大應力部位進(jìn)行了細部設計，提高結構可靠性。

(5)關(guān)鍵零部件實(shí)行了壽命管理，并延長(cháng)了質(zhì)量保證期，實(shí)現了取消輔修、延長(cháng)廠(chǎng)段修周期的目標。

4.5 機車(chē)重量測試數據分析通過(guò)測試數據匯總處理后得到機車(chē)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(shuō)明電阻應變式傳感器的測量結果是真實(shí)可靠的，用于軌道振動(dòng)位移測試是可行的。其結構簡(jiǎn)單，制做、安裝、標定簡(jiǎn)便易行，通過(guò)適當設計，可以滿(mǎn)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構的動(dòng)態(tài)位移測試。

5.小結

本文介紹了電阻應變式稱(chēng)重傳感器及其安裝裝置、稱(chēng)重測試數據采集設備和稱(chēng)重測試數據處理方法。根據軌道機車(chē)車(chē)輛稱(chēng)重的技術(shù)要求,設計了由電阻應變式稱(chēng)重傳感器及其安裝裝置、虛擬儀器為基礎組成的專(zhuān)用動(dòng)態(tài)信號測試分析系統,并在實(shí)際運用中對其準確性和可靠性進(jìn)行了驗證。