阅读说明：本技术 组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统及解耦方法 (Combined bridge type coupler multi-element multi-directional load measuring system and decoupling method ) 是由 周伟 刘杨 王田天 梁习锋 王中钢 孙博 吴依桐 康婧彦 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统及其解耦方法,该系统包括用于设置在车钩的钩体上的至少四个方向的表面上的至少四组电阻应变计,每组电阻应变计包括相互呈正交布置且首尾相靠组成正四边形的四个电阻应变计；四组电阻应变计内的每二或四个电阻应变计按照设定的全桥结构串联后组成四个桥臂首尾相连。本发明将钩体各表面应变计与其他表面应变计串联组合,设计不同的组桥运算顺序,以实现钩体各表面多向(纵向/横向/垂向)的车钩载荷的测量,以测量车钩在不同工况下的应力。(The invention discloses a combined bridge type multiple multidirectional load measuring system of a coupler and a decoupling method thereof, wherein the system comprises at least four groups of resistance strain gauges which are arranged on the surfaces of at least four directions on a coupler body of the coupler, and each group of resistance strain gauges comprises four resistance strain gauges which are mutually orthogonally arranged and lean against each other end to form a regular quadrangle; every two or four resistance strain gauges in the four groups of resistance strain gauges are connected in series according to a set full-bridge structure to form four bridge arms which are connected end to end. According to the invention, each surface strain gauge of the coupler body is combined with other surface strain gauges in series, and different bridge-assembling operation sequences are designed, so that the measurement of the load of the coupler in multiple directions (longitudinal/transverse/vertical) on each surface of the coupler body is realized, and the stress of the coupler under different working conditions is measured.)

组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统及解耦方法

技术领域

本发明涉及重载列车车钩的力学研究领域，尤其涉及一种组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统及解耦方法。

背景技术

随着现代化工业的发展，特别是电力、钢铁及化学工业的发展，越来越多的重型货物需要通过铁路来运输，重载列车是运送这类特殊重型货物的不二甚至唯一之选。

目前，针对重载列车运输任务的安全监测对象主要包括列车纵向动力学性能参数以及车钩纵向力的测量，而缺少对重载列车车钩的横向力及垂向力的测量与分析。

因此，研究一种基于温度自补偿组合电桥式车钩多元载荷解耦识别方法，结合线路、车速在不同工况下分别进行解耦出纵向力的组桥方式及计算模型、横向力的组桥方式及计算模型、垂向力的组桥方式及计算模型，评估车钩是否超过安全限度，对于确保设备的运输安全具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统及解耦方法，用以解决目前缺少对重载列车车钩的横向力及垂向力的测量与分析的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统，其特征在于，包括用于设置在车钩的钩体上的至少四个方向的表面上的至少四组电阻应变计，每组电阻应变计包括相互呈正交布置且首尾相靠组成正四边形的四个电阻应变计；四组电阻应变计内的每二或四个电阻应变计按照设定的全桥结构串联后组成四个桥臂首尾相连。

优选地，设定的全桥结构包括：

纵向载荷全桥：第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第一电阻应变计依次串联组成第一桥臂，第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第二电阻应变计依次串联组成第二桥臂，第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第三电阻应变计依次串联组成第三桥臂，第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第四电阻应变计依次串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成纵向载荷全桥。

优选地，设定的全桥结构包括：

横向载荷全桥：第一表面的第一电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成横向载荷全桥。

优选地，设定的全桥结构包括：

垂向载荷全桥：第二表面的第一电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第二表面的第二电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第二表面的第三电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第二表面的第四电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成垂向载荷全桥。

优选地，当钩体的横向截面为四边形时，第一表面为顶部表面，第三表面为底部表面，第二表面和第四表面分别为右部表面和左部表面或左部表面和右部表面；

第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面中：第一电阻应变计和第三电阻应变计与车钩纵向平行布置，第二电阻应变计和第四电阻应变计与车钩纵向呈正交布置。

优选地，还包括可变电压源和数据采集系统，可变电压源用于给全桥结构供电，数据采集系统与全桥结构的电路输出相连并用于将全桥结构的输出量输入对应的计算模型以计算得到各向的测量结果。

本发明还提供三种如上述的组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统的解耦方法，

当测量车钩纵向力时，采用纵向载荷全桥，采用以下解耦方式：

记材料泊松比为v，令：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，应变记电阻的变化量为ΔR，K为应变计的灵敏度系数；第一表面为钩体顶面：ε₁₁与ε′₁₁沿车钩纵向布置、ε₁₂与ε′₁₂沿表面正交方向布置；第二表面为钩体右面：ε₂₁与ε'₂₁沿车钩纵向布置、ε₂₂与ε'₂₂沿表面正交方向布置；第三表面为钩体底面：ε₃₁与ε'₃₁沿车钩纵向布置、ε₃₂与ε'₃₂沿表面正交方向布置；第四表面为钩体左面：ε₄₁与ε'₄₁沿车钩纵向布置、ε₄₂与ε'₄₂沿表面正交方向布置，分别为该各表面测得的纵向应变；ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分别为车钩四个面测得的纵向应变。

当测量车钩横向力时，采用横向载荷全桥，采用以下解耦方式：

另一方面，记材料泊松比为v,令：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，应变记电阻的变化量为ΔR，K为应变计的灵敏度系数，第一表面为钩体右面：ε₁₁与ε₁₁＇沿车钩纵向布置、ε₁₂与ε₁₂＇沿表面正交方向布置；第三表面为钩体左面：ε₃₁与ε₃₁＇沿车钩纵向布置、ε₃₂与ε₃₂＇沿表面正交方向布置；ε₁、ε₃分别为车钩右面和左面两个面测得的横向应变。

当测量车钩垂向力时，采用垂向载荷全桥，采用以下解耦方式：

另一方面，记材料泊松比为v,令：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，应变记电阻的变化量为ΔR，K为应变计的灵敏度系数，第二表面为钩体顶面：ε₂₁与ε'₂₁沿车钩纵向布置、ε₂₂与ε'₂₂沿表面正交方向布置；第四表面为钩体底面：ε₄₁与ε'₄₁沿车钩纵向布置、ε₄₂与ε'₄₂沿表面正交方向布置；ε₂、ε₄分别为车钩顶面和底面两个面测得的垂向应变。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统及解耦方法，通过钩体表面应变感知采集的车钩多元多向载荷。通过把电阻式应变计沿车钩纵向、横向正交布置于钩体各表面中心部位，将钩体各表面应变计与其他表面应变计串联组合，设计不同的组桥运算顺序，以实现钩体各表面多向(纵向/横向/垂向)的车钩载荷的测量，以测量车钩在不同工况下的应力。

2、在优选方案中，本发明的解耦方法，可以提高测量结果的精度，所测量数据更加接近实际情况，进行温度自补偿可以有效避免温度带来的影响及非线性误差。

3.本发明可用于测量重载列车车钩多自由度的车钩力测量及评估车钩力各向受力大小，为纵向动力学的设计、优化提供数据支撑。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例1的钩体各表面电阻应变计布点位置的示意图；

图2是本发明优选实施例1的测量车钩纵向力的纵向载荷全桥的结构示意图；

图3是本发明优选实施例2的测量车钩横向力的横向载荷全桥的结构示意图；

图4是本发明优选实施例3的测量车钩垂向力的垂向载荷全桥的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

参见图1，本发明的组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统，包括用于设置在车钩的钩体上的至少四个方向的表面上的至少四组电阻应变计，每组电阻应变计包括相互呈正交布置且首尾相靠组成正四边形的四个电阻应变计；四组电阻应变计内的每二或四个电阻应变计按照设定的全桥结构串联后组成四个桥臂首尾相连。

通过钩体表面应变感知采集车钩多元多向载荷识别与测量。通过把电阻式应变计沿车钩纵向、横向正交布置于钩体各表面中心部位，将钩体各表面应变计与其他表面应变计串联组合，设计不同的组桥运算顺序，以实现钩体各表面纵向/横向/垂向车钩载荷的解耦与识别，以测量车钩在不同工况下的纵向力和横向力或垂向力。

优选可以设定的以下全桥结构中的任意一种：

实施例1：

参见图2，纵向载荷全桥：第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第一电阻应变计依次串联组成第一桥臂，第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第二电阻应变计依次串联组成第二桥臂，第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第三电阻应变计依次串联组成第三桥臂，第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面的第四电阻应变计依次串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成纵向载荷全桥。在图1至图2中，本实施例选用钩体的横向截面为四边形，此时，第一表面为顶部表面，第三表面为底部表面，第二表面和第四表面分别为右部表面和左部表面。第一表面、第二表面、第三表面以及第四表面中：第一电阻应变计和第三电阻应变计与车钩纵向平行布置，第二电阻应变计和第四电阻应变计与车钩纵向呈正交布置。

对应地，本实施例还提供一种对上述的组合电桥式的车钩多元多向载荷测量系统的解耦方法，根据对应的全桥结构，按照以下对应的解耦方式进行解耦：

当测量车钩纵向力时，对应图1，图2的情形，采用纵向载荷全桥，数据采集系统采用以下解耦方式：

其中，(ε₁₁+ε′₁₁+ε₁₂+ε′₁₂)为顶面温度自补偿，(ε₂₁+ε'₂₁+ε₂₂+ε'₂₂)为右面温度自补偿，(ε₃₁+ε'₃₁+ε₃₂+ε'₃₂)为底面温度自补偿，(ε₄₁+ε'₄₁+ε₄₂+ε'₄₂)为左面温度自补偿。

另一方面，记材料泊松比为v，令：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，应变记电阻的变化量为ΔR，K为应变计的灵敏度系数。钩体顶面：ε₁₁与ε′₁₁沿车钩纵向布置、ε₁₂与ε′₁₂沿表面正交方向布置；钩体右面：ε₂₁与ε'₂₁沿车钩纵向布置、ε₂₂与ε'₂₂沿表面正交方向布置；钩体底面：ε₃₁与ε'₃₁沿车钩纵向布置、ε₃₂与ε'₃₂沿表面正交方向布置；钩体左面：ε₄₁与ε'₄₁沿车钩纵向布置、ε₄₂与ε'₄₂沿表面正交方向布置，分别为该各表面测得的纵向应变；ε₁、ε₂、ε₃和ε₄分别为车钩顶面，底面，左面和右面测得的纵向应变。其中，

其中，K为材料的灵敏系数，其物理意义是单位应变的电阻变化率，标志着该类丝材电阻应变片效应显著与否。ε为测点处应变，为无量纲的量，但习惯上仍给以单位微应变，常用符号με表示。由此可知，金属丝在产生应变效应时，应变ε与电阻变化率成线性关系，这就是利用金属应变片来测量构件应变的理论基础。

为配合全桥结构，本实施例的测量系统还优选包括可变电压源和数据采集系统，可变电压源用于给全桥结构供电，数据采集系统与全桥结构的电路输出相连并用于将全桥结构的输出量输入对应的计算模型以计算得到各向的测量结果。

实施例2：

参见图3，横向载荷全桥：第一表面的第一电阻应变计与第三表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第一表面的第二电阻应变计与第三表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第一表面的第三电阻应变计与第三表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第一表面的第四电阻应变计与第三表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成横向载荷全桥。在图3中，本实施例选用钩体的横向截面为四边形，此时，第一表面为右部表面，第三表面为左部表面。第一表面以及第三表面：第一电阻应变计和第三电阻应变计与车钩纵向平行布置，第二电阻应变计和第四电阻应变计与车钩纵向呈正交布置。

当测量车钩横向力时，采用横向载荷全桥，对应图3的情形，数据采集系统采用以下解耦方式：

其中，(ε₁₁+ε′₁₁-ε₁₂-ε′₁₂)为右面温度自补偿，(ε₃₂+ε'₃₂-ε₃₁-ε'₃₁)为左面温度自补偿；

另一方面，记材料泊松比为v,令：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，应变记电阻的变化量为ΔR，K为应变计的灵敏度系数，钩体右面：ε₁₁与ε₁₁＇沿车钩纵向布置、ε₁₂与ε₁₂＇沿表面正交方向布置；钩体左面：ε₃₁与ε₃₁＇沿车钩纵向布置、ε₃₂与ε₃₂＇沿表面正交方向布置；ε₁、ε₃分别为车钩右面和左面两个面测得的横向应变。

实施例3：

参见图4，垂向载荷全桥：第二表面的第一电阻应变计与第四表面的第四电阻应变计串联组成第一桥臂，第二表面的第二电阻应变计与第四表面的第一电阻应变计串联组成第二桥臂，第二表面的第三电阻应变计与第四表面的第二电阻应变计串联组成第三桥臂，第二表面的第四电阻应变计与第四表面的第三电阻应变计串联组成第四桥臂，四个桥臂首尾相连组成垂向载荷全桥。在图4中，本实施例选用钩体的横向截面为四边形，此时，第二表面为顶部表面，第四表面为底部表面。第一表面以及第三表面：第一电阻应变计和第三电阻应变计与车钩纵向平行布置，第二电阻应变计和第四电阻应变计与车钩纵向呈正交布置。

当测量车钩垂向力时，采用垂向载荷全桥，对应图4的情形，数据采集系统采用以下解耦方式：

其中，(ε₂₁+ε'₂₁-ε₂₂-ε'₂₂)为顶面温度自补偿；(ε₄₂+ε'₄₂-ε₄₁-ε'₄₁)为底面温度自补偿；

另一方面，记材料泊松比为v,令：

其中，U_B为惠斯通电路桥压，U₀为全桥应变计的输出电压，R为应变计的电阻，应变记电阻的变化量为ΔR，K为应变计的灵敏度系数，钩体顶面：ε₂₁与ε'₂₁沿车钩纵向布置、ε₂₂与ε'₂₂沿表面正交方向布置；钩体底面：ε₄₁与ε'₄₁沿车钩纵向布置、ε₄₂与ε'₄₂沿表面正交方向布置；ε₂、ε₄分别为车钩顶面和底面两个面测得的垂向应变。

上述的解耦方法中，考虑到车钩不同面受光照影响的不均匀性，温度差异对于钩体各面的应变影响均不相同。上述的解耦方式均采用了温度自补偿，可以提高测量结果的精度，所测量数据更加接近实际情况，进行温度自补偿可以有效避免温度带来的影响及非线性误差。

综上所述，本发明通过钩体表面应变感知-组合正交运算放大-模数转换信号采集的车钩多元多向载荷识别与测量。通过把电阻式应变计沿车钩纵向、横向正交布置于钩体各表面中心部位，将钩体各表面应变计与其他表面应变计串联组合，设计不同的组桥运算顺序，以实现钩体各表面独立温度补偿和纵向/横向/垂向车钩载荷的解耦与识别，以测量车钩在不同工况下的纵向力和横向力或垂向力。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。