专利名称：轨道衡传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及轨道衡领域，尤其涉及一种轨道衡传感器及其制作方法。
背景技术：
传统应用于轨道称重的传感器结构复杂，主要安装于静、动态轨道称台底部，再通过二次仪表和计算机的模数转换计算出重量，安装要求复杂，需要对企业原有的轨 道进行改装，轨道衡安装、测试必须耗费大量的时间与费用，而且无法实现动态整车称量，成本较高，已逐渐无法满足高吨位、高精度、轨道非标准化的要求，同时传统的轨道衡多为静态整车称量，实际操作中难以将车准确停在待检测位置，因此应用范围窄，效率低。同时，受结构复杂性的限制，传统轨道称重传感器的制作流程复杂，成本高，不易于批量生产，此外，传统方法制的产品，温控和应力处理不足，弹性体蠕变过高，安全过载和极限过载能力都很低。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、安装容易、测量精度高、成本低廉、便于生产的轨道衡传感器及其制作方法。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的一种轨道衡传感器，包括依次连接的弹性体(I)、应变电阻(2)和导线(3)，其中，所述弹性体的纵向截面呈“工”字型，所述应变电阻至少为一组，每组所述应变电阻都分为两部分并粘接于所述弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分所述应变电阻都至少为4块并通过所述导线连成桥式电路，各部分所述应变电阻之间为并联。作为优�。拱ㄓ傻鬃�(4)和连接在所述底座上的支撑梁(5)构成的纵向截面呈倒“T”型的轨道体，所述弹性体包设于所述支撑梁中，所述支撑梁和弹性体为一体成型且材质相同的弹性金属，所述轨道体于腰部两侧对应设有所述应变电阻的位置处开有应变孔，所述导线穿出所述轨道体，所述底座上设有用以将自身固定在轨道枕上的安装孔(7)。作为优�。龅蕴宓牡撞亢退龅鬃渚哂屑渚�(8)，所述弹性体的底部也粘接有至少一组、每组4块通过导线连成并联桥式电路的应变电阻。作为优�。鲇Ρ涞缱璧囊幻嬲秤芯档幕撞悴⑼ü龌撞阏辰釉谒龅蕴迳�、所述应变电阻的另一面粘接有保护层。作为优�。鲇Ρ涞缱栉傻缱杷抗钩傻恼ぷ雌�。作为优选,所述弹性体的材质为40CrNiMoA钢材。作为优�。鲇Ρ涞缱璧牟闹饰低�。一种轨道衡传感器的制作方法，其中，包括如下步骤步骤一提供纵向截面呈“工”字型的弹性体；步骤二 提供至少一组应变电阻，所提供的每组所述应变电阻都分为两部分并粘接于所述弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分所述应变电阻都至少为4块；步骤三提供导线并将所述每部分中的至少4块应变电阻通过所述导线连成桥式电路，各部分所述应变电阻之间为并联。作为优�。龅蕴寰扇缦路椒ㄖ频貌街枰惶峁�40CrNiMoA钢材；步骤二 锻造所述40CrNiMoA钢材为纵向截面呈“工”字型的结构；步骤三将锻造好的所述40CrNiMoA钢材放入高温炉中进行830°C 850°C的预先真空退火、然后进行4 8小时640°C 660°C的等温退火，然后炉冷至350°C后进行空冷，然后在830°C 850°C温度下进行淬火处理，最后放入高温烘箱中通过48小时180°C的高温加热去除应力。作为优选，所述应变电阻采用康铜经如下方法制得 步骤一打磨清洗应变电阻，打磨表面层，去除氧化层，刻画电阻丝粘贴坐标线；步骤二 依照坐标线把一根电阻丝机械地分布在一块有机材料制成的基底上；步骤三在基底的表面上均匀的涂上粘贴剂，用手指于基底上轴向滚压电阻丝使~■者粘接；步骤四在烘箱中加热至180°C烘烤3小时；步骤五检查是否固定好电阻丝；步骤六在表面涂上凡士林进行防潮处理。由上述技术方案可知，本发明的有益效果是相比现有技术，本发明产品结构简单、安装容易、测量精度高、使用方便、动态响应快、稳定时间短、测试范围宽、性能稳定、工作寿命长，能完全满足轨道称重的需要，本发明方法成本低廉、便于生产。具体而言，本发明中的弹性体在车轮外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的应变电阻产生变形，应变电阻变形后产生“电阻应变效应”，利用其阻值发生变化，经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，从而完成将外力变换为电信号的过程，以金属丝为例，金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形即伸长或缩短的变化而发生变化的现象即为金属的电阻应变效应，电阻应变原理公式为+ 其中，μ为金属丝材料的泊松系数，ε为金属丝轴向相对伸长量，K。称为金属丝的灵敏系数，通常金属电阻丝的Ktl为I. 7 4. 6。本发明选用40CrNiMoA钢材制作弹性体,经高温退火、油淬回火等热处理工艺,采用桥式工字形轨道的结构，且可根据客户的不同需要，设计出与客户轨道形状相同的高度与端面，如倒置T型。本发明通过嵌于轨道直接进行称重计量，简化了传统的轨道衡结构。同时，本发明利用并联电桥补偿技术，解决了国内传统同类传感器受长度限制的问题，使应力点的误差小于O. 1%，而同类产品的误差值为2%，以下为本发明与国内现有同类产品技术性能对比情况丨国内同类产品本发明
综合误差__± O. 05-0. 1%F · S 士 O. 05-0. 1%F · S
1 变(30 分钟) ±0. 04%F.S -±0. 02%F-S点温度影响士 O. 02°/oF. S/10°C ± 0. Q2%F. S/10°C—工作温度范围 -30°C-50°C -30°C-70°C安全过载 125%F · S 一 150%F · S_极限过载 200%F . S 250%F · S—工作精度 O. 015-0. 02 ~ 0.001-0.002灵敏度 2. O ± O. 003tnv/v 2. O ± O. 003mv/v最大行车速度__15km/h__30km/h_综上对比，本发明的主要优势在于·
一 通过选用40CrNiMoA钢材制作弹性体,经高温退火、油淬回火等热处理加工，弹性体蠕变是同类轨道衡产品的一半，安全过载提高20%，极限过载提高25% ；二可以制出与客户轨道相同的高度与端面，通过增加应变孔延长传感器的长度，实现了不断轨整车称量，传感器与轨道之间接缝宽度�。轿刃院茫屏渴痹市碜畲笮谐邓俣瓤纱�30km/h,同类产品仅为15km/h ；三通过多个应变孔的并联电路组桥方式，使各个应变孔误差精度小于O. 1%，t匕国内同类轨道衡提高20倍。四承载稳定性好，抗冲击、抗震动、抗疲劳、抗过载能力强，在动态称量和精密度指标等方面均优于同类产品，实现了称重传感器与轨道秤台的集成一体化。
图I为本发明的纵向截面结构示意图。图2为本发明的侧面结构示意图。图3为本发明的俯视结构示意图。图4为本发明中的电路原理示意图。I、弹性体；2、应变电阻；3、导线；4、底座；5、支撑梁；6、应变孔； 7、安装孔；8、间距
具体实施例方式为了使本领域技术人员能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。请参阅图I至图4所示，本发明提供了一种轨道衡传感器，包括依次连接的弹性体I、应变电阻2和导线3，其中，所述弹性体的纵向截面呈“工”字型，所述应变电阻至少为一组，每组所述应变电阻都分为两部分并粘接于所述弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分所述应变电阻都至少为4块并通过所述导线连成桥式电路，各部分所述应变电阻之间为并联，还包括由底座4和连接在所述底座上的支撑梁5构成的纵向截面呈倒“T”型的轨道体，所述弹性体包设于所述支撑梁中，所述支撑梁和弹性体为一体成型且材质相同的弹性金属，所述轨道体于腰部两侧对应设有所述应变电阻的位置处开有应变孔6，所述导线穿出所述轨道体，所述底座上设有用以将自身固定在轨道枕上的安装孔7，所述弹性体的底部和所述底座间具有间距8，所述弹性体的底部也粘接有所述应变电阻(图中未示出)，所述应变电阻的一面粘有绝缘的基底层并通过所述基底层粘接在所述弹性体上、所述应变电阻的另一面粘接有保护层，所述应变电阻为由电阻丝构成的栅状片体，所述弹性体的材质为40CrNiMoA钢材,所述应变电阻的材质为康铜。传统的传感器长度一般在40 80cm，只有两个应变孔，应变孔中的应变片采用单一电桥电路进行传感器灵敏度补偿，在弹 性体长度超过80cm时，由于各个应变点受力时受杠杆作用，测量值的误差就会变大，因此国内同类桥式结构无法满足动态整车测量，本发明利用并联电路补偿设计突破这一技术难点，各应力点测量值误差值达到O. 1%。在本发明中，每个应变孔中粘有4个应变电阻，在弹性体长度超过80cm时，按特定比例增加应变孔，每个应变孔中应变片采用电桥方式进行精密度补偿，同时将各个应变孔电桥采用并联电路方式连接，减小了平均阻抗、降低了传感器的公差系数，且采用并联法只要一个供桥电源，系统简单经济。经试验表明，采用这种电路连接方式，传感器各个应力点平均误差小于O. 1%。本发明选用的应变电阻是用直径为O. 025mm、具有高电阻率的电阻丝制成的，为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状片体或称敏感栅，敏感栅上面粘贴有保护作用的保护层，并粘有绝缘的基底层，弹性体的变形通过基底层传递给敏感栅，电阻丝的两端焊接导线，应变电阻在弹性体或称敏感梁的表面和底面上都粘贴有两片，并通过导线接成桥式测量电路，如果在弹性体上加上重量，应变电阻随同弹性体一起变形，通过测量阻值的变化，就可间接得到外加重量的输出电压值，即可测量应变。本发明主要由弹性体、应变电阻、检测电路组成工作系统，支撑梁与弹性体为一体成型且材质相同的弹性金属，支撑梁通过螺钉安装在底座上，导线从底座下方穿出用以连接于一个信号盒中，安装时将现有钢轨切割出与本发明等长的一段，再将本发明嵌于钢轨之间，并用高强度螺栓固定在钢轨枕上，应变电阻贴于应变孔中，称量工作时，火车行驶过本发明，弹性体敏感梁发生形变，使粘贴在弹性体应变孔中的应变电阻同时产生形变，应变电阻的形变产生“电阻应变效应”，利用其阻值发生变化，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号，信号处理后即可得出称重结果，为保证不同矿场的称重系统，当弹性体所需长度超过80cm时，按特定比例增加应变孔。本发明中的应变电阻采用金属丝式，车辆通过轨道时，车辆的重量通过轮轴或转向架加到弹性体，弹性体上的应变电阻发生形变，称重数据由传感器将重量信号转换为电压信号，经放大、滤波后送入A/D转换装置，将模拟信号转换为数字信号，通过计算机接口，送入计算机，再经过程序软件，进行数据处理，然后将称重的结果，在屏幕上显示和在打印机上打印出来。对于不同客户的不同轨道，本发明中弹性体的工字型结构可进行高度与端面的修改，安装后可直接作为轨道的一部分，与轨道之间接缝宽度�。哂辛己玫目乖睾珊涂钩寤髂芰�。本发明还提供了一种轨道衡传感器的制作方法，其中，包括如下步骤
步骤一提供纵向截面呈“工”字型的弹性体；步骤二 提供至少一组应变电阻，所提供的每组所述应变电阻都分为两部分并粘接于所述弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分所述应变电阻都至少为4块；步骤三提供导线并将所述每部分中的至少4块应变电阻通过所述导线连成桥式电路，各部分所述应变电阻之间为并联。作为优�。龅蕴寰扇缦路椒ㄖ频貌街枰惶峁�40CrNiMoA钢材；步骤二 锻造所述40CrNiMoA钢材为纵向截面呈“工”字型的结构；
步骤三将锻造好的所述40CrNiMoA钢材放入高温炉中进行830°C 850°C的预先真空退火、然后进行4 8小时640°C 660°C的等温退火，然后炉冷至350°C后进行空冷，然后在830°C 850°C温度下进行淬火处理，最后放入高温烘箱中通过48小时180°C的高温加热去除应力。作为优�。鲇Ρ涞缱璨捎每低缦路椒ㄖ频貌街枰淮蚰デ逑从Ρ涞缱瑁蚰ケ砻娌悖コ趸悖袒缱杷空程晗撸徊街瓒� 依照坐标线把一根电阻丝机械地分布在一块有机材料制成的基底上；步骤三在基底的表面上均匀的涂上粘贴剂，用手指于基底上轴向滚压电阻丝使~■者粘接；步骤四在烘箱中加热至180°C烘烤3小时；步骤五检查是否固定好电阻丝；步骤六在表面涂上凡士林进行防潮处理本发明选用40CrNiMoA钢材制作弹性体，该钢材具有高柔韧性、抗冲击、抗载荷、耐腐蚀较好等特性，具有足够的强度和韧性，受力后应力和应变的关系具有良好的线性和重复性，较小的滞后和蠕变，长期使用时具有良好的稳定性，其加工工艺主要步骤如下原材料检验、下料成型、热处理、数控线切割加工、应变孔加工、表面加工、表面防锈电镀处理及高温烘箱180°C加热的48小时高温去除应力、应变孔去除氧化层等，其采用高温炉控制加热速度和冷却速度，开发弹性体热处理过程中的最佳工艺参数，包括加热温度、加热速度、保温时间、冷却方式、冷却速度等，确定了最佳的热处理工艺参数，弹性体经锻造后进行830°C 850°C的预先真空退火处理，后进行640°C 660°C的等温退火4 8小时，炉冷至350°C后空冷。冷却后在830°C 850°C温度下淬火处理，再经过二次回火去除应力。弹性体淬火后表面达到的硬度不低于HRC50 55，回火后达到HRC38 43。根据传感器的工作环境条件与稳定性要求，本发明在_20°C 70°C范围内能够经受住二十万次的额定量值的连续加、卸载荷，在极限温度、湿度和气压的环境下工作精度不受影响。本发明采用康铜作为应变电阻，温度系数小、热输出小、电阻值大、接触电势小、疲劳寿命高。康铜是含40%镍、I. 5%锰的铜合金，具有较低的电阻率温度系数和中等电阻率，其电阻率为48μ Ω .cm.康铜可在较宽的温度范围内使用，有良好的加工性能和焊接性能，其加工工艺主要步骤如下打磨清洗应变电阻，打磨表面层，去除氧化层，刻画电阻丝粘贴坐标线；布线依照坐标线，应变电阻是把一根电阻丝机械地分布在一块有机材料制成的基底上；
涂胶在基底的表面上均匀的涂上粘贴剂，用手指轴向滚压贴片；固化采用贴片专用胶在烘箱中烘烤180°C加热3小时；复查检查是否固定好电阻丝；防护在表面涂上凡士林进行防潮处理。但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故 凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均同理包含在本发明的范围内。
权利要求
1.一种轨道衡传感器，包括依次连接的弹性体(I)、应变电阻(2)和导线(3)，其特征在于，所述弹性体的纵向截面呈“工”字型，所述应变电阻至少为一组，每组所述应变电阻都分为两部分并粘接于所述弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分所述应变电阻都至少为4块并通过所述导线连成桥式电路，各部分所述应变电阻之间为并联。
2.如权利要求I所述的轨道衡传感器，其特征在于，还包括由底座(4)和连接在所述底座上的支撑梁(5)构成的纵向截面呈倒“T”型的轨道体，所述弹性体包设于所述支撑梁中，所述支撑梁和弹性体为一体成型且材质相同的弹性金属，所述轨道体于腰部两侧对应设有所述应变电阻的位置处开有应变孔￠)，所述导线穿出所述轨道体，所述底座上设有用以将自身固定在轨道枕上的安装孔(7)。
3.如权利要求2所述的轨道衡传感器，其特征在于，所述弹性体的底部和所述底座间具有间距(8)，所述弹性体的底部也粘接有至少一组、每组4块通过导线连成并联桥式电路的应变电阻。
4.如权利要求3所述的轨道衡传感器，其特征在于，所述应变电阻的一面粘有绝缘的基底层并通过所述基底层粘接在所述弹性体上、所述应变电阻的另一面粘接有保护层。
5.如权利要求4所述的轨道衡传感器，其特征在于，所述应变电阻为由电阻丝构成的栅状片体。
6.如权利要求I至5中任一项所述的轨道衡传感器，其特征在于，所述弹性体的材质为40CrNiMoA 钢材。
7.如权利要求6所述的轨道衡传感器，其特征在于，所述应变电阻的材质为康铜。
8.—种轨道衡传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤一提供纵向截面呈“工”字型的弹性体； 步骤二 提供至少一组应变电阻，所提供的每组所述应变电阻都分为两部分并粘接于所述弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分所述应变电阻都至少为4块； 步骤三提供导线并将所述每部分中的至少4块应变电阻通过所述导线连成桥式电路，各部分所述应变电阻之间为并联。
9.如权利要求8所述的轨道衡传感器的制作方法，其特征在于，所述弹性体经由如下方法制得 步骤一提供40CrNiMoA钢材； 步骤二 锻造所述40CrNiMoA钢材为纵向截面呈“工”字型的结构； 步骤三将锻造好的所述40CrNiMoA钢材放入高温炉中进行830°C 850°C的预先真空退火、然后进行4 8小时640°C 660°C的等温退火，然后炉冷至350°C后进行空冷，然后在830°C 850°C温度下进行淬火处理，最后放入高温烘箱中通过48小时180°C的高温加热去除应力。
10.如权利要求8或9所述的轨道衡传感器的制作方法，其特征在于，所述应变电阻采用康铜经如下方法制得 步骤一打磨清洗应变电阻，打磨表面层，去除氧化层，刻画电阻丝粘贴坐标线； 步骤二 依照坐标线把一根电阻丝机械地分布在一块有机材料制成的基底上； 步骤三在基底的表面上均匀的涂上粘贴剂，用手指于基底上轴向滚压电阻丝使二者粘接;步骤四在烘箱中加热至180°C烘烤3小时；步骤五 检查是否固定好电阻丝；步骤六在表面涂上凡士林进行防潮处理。
全文摘要
本发明公开了一种轨道衡传感器，包括依次连接的弹性体、应变电阻和导线，弹性体的纵向截面呈“工”字型，应变电阻至少为一组，每组应变电阻都分为两部分并粘接于弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分所述应变电阻都至少为4块并通过所述导线连成桥式电路，各部分所述应变电阻之间为并联。本发明还公开了一种轨道衡传感器的制作方法，包括如下步骤提供纵向截面呈“工”字型的弹性体；提供至少一组应变电阻，所提供的每组应变电阻都分为两部分并粘接于弹性体腰部两侧对称的位置上，每部分应变电阻都至少为4块；提供导线并将应变电阻通过导线连成并联桥式电路。本发明产品结构简单、安装容易、测量精度高，本发明方法成本低廉、便于生产。
文档编号G01G19/04GK102879069SQ20121036509
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者陈立成, 彭志坚 申请人:福建省莆田市衡力传感器有限公司
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