CN117460935A - 使用温度补偿应变仪测量车轴负载的方法（变体） - Google Patents
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Abstract
本发明涉及计量技术领域,尤其涉及称重装置,可用于测定车辆总重、负载重量和车轴上的负载。该方法包括从安装在车轴上的应变仪接收第一电输出信号并测量轴上沿其纵向轴线的拉伸和压缩应变,从安装在车辆的车轴上的应变仪接收第二电输出信号并测量车轴沿其横向轴线的拉伸和压缩应变,并根据所述第一电输出信号和第二电输出信号之间的差计算车轴上的负载值。技术成果在于将环境温度波动对安装在车轴上的应变仪读数的影响降至最低。
Description
所提出的使用温度补偿应变仪(其可以是张力计、振动线应变仪或其他类型的应变仪)测量车轴负载的方法是指重量测量装置，可用于确定车辆的总重量和轴负载以及货物重量。
目前，在环境温度从-50℃到+70℃的显著波动中使用的应变仪的操作是一个重大挑战。在这样的环境中，轴负载测量的精度显著降低，并且由所施加的负载引起的应变仪的电输出信号变得与由环境温度的变化引起的应变仪的电输出信号相当。
当系统在环境温度从-50℃到+70℃的显著波动中运行时，使用应变仪测量车轴负载会遇到主要挑战。在这种情况下，应考虑到，由于制动负载和驱动负载，车辆的驱动轴(变速箱轴)可能会加热到+70℃，这可能导致应变仪和轴之间的温差高达5℃。结果，除了环境温度之外，应变仪的电输出信号还受到应变仪和车轴之间的温差的影响。在这种恶劣的操作环境中，应变仪的电输出信号应仅反映负载特性，而不响应周围环境和车轴的温度波动。
申请人对现有技术的调查揭示了所要求保护的技术方案在描述使用温度补偿应变仪测量车轴负载的方法的相同特征集方面的各种类似物，这将在下面更详细地讨论。
对现有技术的调查揭示了一项专利发明(US4042049A，IPC G01G19/12，公布于1977年8月16日)。本质上，它指的是串联轮式车辆(带串联转向架)的负载测量系统。车辆的串联轴接合两个横向间隔的平衡梁的相对端，平衡梁的中点枢转地支撑车辆。响应于车辆的负载，平衡梁和前轴的挠度由安装在每个平衡梁和前轴上的应变仪(称重传感器)感测。放大电路接收应变仪的输出并驱动负载指示器。负载指示器提供相对于预设最大负载点的前后轮轴负载的视觉指示。
该系统的缺点是它没有温度补偿，并且由于应变仪在环境温度的影响下发生变化而容易产生不准确的重量读数。这种温度变化并不反映车辆负载的实际差异，但会影响应变仪的输出信号。该专利中描述的应变仪测量车辆的每个平衡梁和前轴的挠度，并使用线性校准函数，将从应变仪接收的读数转换为重量测量值。车辆的前轴和平衡梁的热膨胀系数与应变仪的热膨胀系数不同，这随后会影响应变仪的输出信号，并阻止其反映车轴上的实际负载。
对现有技术的调查揭示了一项发明专利(RU2711183，IPC G01L1/22，G01G19/12，G01B7/16，公布于2020年1月15日)。本质上，它指的是测量货车车轴负载的应变仪，它由一个组件组成，该组件包含两对垂直的康铜箔型应变仪，这些应变仪代表通过粘合剂附接在弧形几何中心的惠斯登桥电路，通过手动或半机械方法预抛光至至少纯度等级7，以及应变仪设计的金属制成元件的脱脂表面，该应变仪包括集成在应变仪外壳中的应变仪组件的电子信号处理模块，并包括32位Cortex MO核心处理器、用于实现温度补偿过程的高精度数字温度传感器、用于识别应变仪并将服务信息无线传输至外部无线读取器的NFC模块和用于将数据无线传输至系统监视器以进行进一步处理和指示的CAN接口，应变仪外壳的金属部分由40CrNiMoA合金钢制成，外壳的塑料部分由耐冲击和耐油的玻璃填充聚酰胺制成，所有内部设计元件都由Etal-1480TG阻尼防潮化合物保护。
用于测量轴负载的应变仪的缺点在于，温度补偿过程仅针对应变仪实施，而不考虑车轴和应变仪的热膨胀系数之间的差异。
发明专利US7478001(IPC G01G23/01，G01G19/08，公布于2008年10月23日)在其基本特征集和目的方面是最接近所要求保护的技术方案。本质上，它指的是一种用于温度补偿重量测量的方法，该方法包括从耦合到结构构件的负载传感器装置接收第一输出信号，从温度传感器装置接收第二输出信号，并通过使用第一输出信号和第二输出信号以及应用统计生成的温度补偿因子来计算负载重量值。
这种方法的缺点是它将传感器的校准曲线绑定到安装传感器的特定轴上。这导致在三种不同温度和三种不同负载下单独校准每个传感器，或者使用给定车轴材料的平均校准特性。这种方法允许保持较低的重量测量误差(单个校准高达0.5％，平均因子的选择高达2％)，但它是极其劳动密集的，并且需要相当大的财务成本。
因此，考虑到上述已知情况，需要一种基于应变仪并在宽的温度范围内操作并确保不超过2％的低误差范围的具有成本效益的车载称重系统。应变仪的输出信号应仅反映负载特性，而不响应温度波动。
本发明的任务是降低环境温度以及应变仪和车轴之间的温差对应变仪的电输出信号的影响，这将在较宽的环境温度范围内(从-50℃到+70℃)将轴负载测量的误差幅度降低到2％。
该任务通过测量车轴负载的方法来解决，该方法包括从安装在车轴上的应变仪获得第一电输出信号并测量该车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，从安装在车轴上的应变仪获得第二电输出信号，并测量该车轴沿其横向轴线的拉伸/压缩应变，并基于第一电输出信号和第二电输出信号之间的差计算车轴重负载。
该任务还通过使用用于测量车轴负载的方法的变体来解决，该方法包括从安装在车轴的上平面上的应变仪获得第一电输出信号并测量该车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，从安装在车轴的下平面上的应变仪获得第二电输出信号，并测量该车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，以及基于第一电输出信号和第二电输出信号之间的差计算车轴负载。附图对所要求保护的技术方案进行了解释，其中：
图1示出了使用应变仪的温度补偿轴负载测量的潜在实施例，该应变仪由安装在单个壳体内的两个应变仪组成，并测量卡车转向轴上两个相互垂直方向上的应变。在该示例中，应变仪(6)通过三个焊接支架(3)安装在车轴梁(1)上，或者安装在制造车轴梁(1)时制造的铸件(2)上。应变仪(6)通过三个紧固件(7)附接到支架(3)或铸件(2)。应变仪(6)以车轴梁(1)的中心线(5)为中心，且与车辆弹簧(4)等距。
图2示出了使用在卡车转向轴上相互垂直的方向上安装的两个单独的相同应变仪的温度补偿轴负载测量的潜在实施例。在该示例中，应变仪(10)直接用粘合剂或四个焊接支架(9)安装在车轴梁(1)上，或安装在制造车轴梁(1)时制造的铸件(8)上。应变仪(10)通过四个紧固件(7)附接到支架(9)或铸件(8)。应变仪(10)以车轴梁(1)的中心线(5)为中心，且与车辆弹簧(4)等距。
图3示出了使用安装在卡车转向轴上方和下方的两个单独的相同应变计的温度补偿轴负载测量的潜在实施例。在该示例中，应变仪(10)直接用粘合剂或四个焊接支架(12)安装在车轴梁(1)上，或安装在制造车轴梁(1)时制造的铸件(11)上。应变仪(10)通过四个紧固件(7)附接到支架(12)或铸件(11)。应变仪(10)以车轴梁(1)的中心线(5)为中心，且与车辆弹簧(4)等距。
图1中的附图标记逐项描述：
1.卡车转向轴的轴梁；
2.用于附接应变仪的铸件；
3.用于附接应变仪的支架；
4.车辆弹簧的连接点；
5.卡车转向轴的车轴梁中心线；
6.应变仪；
7.应变仪的紧固件的项目。
2.图2中的附图标记逐项描述：
1.卡车转向轴的轴梁；
4.车辆弹簧的连接点；
5.卡车转向轴的车轴梁中心线；
7.应变仪紧固件的项目；
8.用于附接应变仪的铸件；
9.用于附接应变仪的支架；
10.应变仪。
3.图3中的附图标记逐项描述：
1.卡车转向轴的轴梁；
4.车辆弹簧的连接点；
5.卡车转向轴的车轴梁中心线；
7.应变仪紧固件的项目；
10.应变仪。
11.用于附接应变仪的铸件；
12.用于附接应变仪的支架；
使用方法如下。
最初，根据车轴的设计特征，为应变仪选择位置。在考虑了将应变仪安装在车轴上选定位置的技术特征后，采用两种建议变体中的一种来测量车轴负载。
测量车轴负载的第一种变体包括在车轴上安装两个应变仪，以测量两个相互垂直方向上的挠度。一个应变仪测量车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，在这种情况下，该应变仪可以安装在车轴的上平面或下平面上，安装位置根据车轴的设计特征选择。第二应变仪测量车轴沿其横向轴线的拉伸/压缩应变，该应变仪可以安装在任何轴平面(上、下或横向)上，安装位置根据车轴的设计特征选择。通过测量应变仪的电输出信号之间的差值来计算车辆的轴负载。
测量车轴负载的第二种变体包括在车轴上安装两个应变仪，以测量一个方向上的挠度。一个应变仪测量车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，其安装在车轴的上平面上，安装位置根据车轴的设计特征选择。第二应变仪测量车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，其安装在车轴的下平面上，安装位置根据车轴的设计特征选择。通过测量应变仪的电输出信号之间的差值来计算车辆的轴负载。
来自应变仪的电输出信号之间的差可以通过使用模拟方法并且将应变仪连接到一个换能器并且改变来自其中一个应变仪的电输出信号的极性来计算，或者通过使用数字方法并将应变仪连接到两个换能器，然后用微控制器计算来自应变仪的电信号之间的差来计算。
在上述方法的第一种变体中，应变仪测量的应变ε由以下公式描述：
其中
Τ2是车轴的温度；
Τ1是应变仪的温度；
k2是车轴材料的热膨胀系数；
k1是应变仪材料的热膨胀系数；
是应变仪读数的温度相关性；
ε2(T)是轴应变与施加负载的相关性；
Α是将应变仪安装在车轴上后产生的非零应变的常数值。
上述公式中的温度影响不取决于施加在车轴上的负载，但仅由车轴和应变仪的热膨胀系数和温度之间的差来确定。因此，安装在具有相同温度的位置的两个相同应变仪的输出信号中的温度效应的贡献将是相同的。因此，使用来自安装在具有相同温度的位置的两个相同应变仪的电输出信号的差允许排除温度效应的影响。
在该方法的第一种变体中，第一信号和第二信号之间的差Δ1由以下公式描述：
其中
是来自测量车轴材料沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变的应变仪的信号；
是来自测量车轴材料沿其横向轴线的拉伸/压缩应变的应变仪的信号；
ε2(F)是轴应变与施加负载的相关性；
是将应变仪安装在车轴上后产生的非零应变的常数值。
因此，当使用该方法的第一种变体时，来自应变仪的第一信号和第二信号之间的差Δ1仅取决于由施加的负载引起的车轴应变。只要应变仪相同，并且安装位置的温度相同，这个表达式就成立。
对于测量车轴负载方法的第二种变体，通过应变仪测量的应变ε由以下公式描述：
其中
是来自测量车轴材料沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变的应变仪的信号；
是来自测量车轴材料沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变的应变仪的信号；
ε2(F)是轴应变与施加负载的相关性；
是将应变仪安装在车轴上后产生的非零应变的常数值。
因此，当使用该方法的第二种变体时，来自测量仪的第一信号和第二信号之间的差D2仅取决于由所施加的负载引起的车轴的加倍应变。只要应变仪相同，并且安装位置的温度相同，这个表达式就成立。
本发明的技术成果是最小化环境温度波动对安装在车辆的车轴上的应变仪的读数的影响，并确保应变仪仅执行反映车轴上的重量负载的特征的功能。
Claims (2)
1.一种测量车轴负载的方法，其特征在于，所述方法包括从安装在所述车轴上的应变仪获得第一电输出信号并测量所述车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，从安装在所述车轴上的应变仪获得第二电输出信号，并测量所述车轴沿其横向轴线的拉伸/压缩应变，并基于所述第一电输出信号和所述第二电输出信号之间的差计算车轴负载。
2.一种测量车轴负载的方法，其特征在于，所述方法包括从安装在所述车轴的上平面上的应变仪获得第一电输出信号并测量所述车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，从安装在所述车轴的下平面上的应变仪获得第二电输出信号，并测量所述车轴沿其纵向轴线的拉伸/压缩应变，以及基于所述第一电输出信号和所述第二电输出信号之间的差计算车轴负载。
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