石英式動(dòng)態(tài)汽車衡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙滿倉

(黑龍江省交通科學(xué)研究所)

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石英式動(dòng)態(tài)汽車衡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙滿倉

(黑龍江省交通科學(xué)研究所)

為了配合公路管理部門對超載行為進(jìn)行打擊和處罰，特研發(fā)了用于快速不停車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。石英式動(dòng)態(tài)汽車衡，是一種對道路行駛車輛進(jìn)行質(zhì)量稱量的一種自動(dòng)衡器。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，即對行駛車輛的每一個(gè)軸(或軸組)分別稱量，且能自動(dòng)累加軸(或軸組)的稱量結(jié)果，獲得車輛總重量和軸(或軸組)載荷，又可稱為動(dòng)態(tài)軸重衡。

石英壓電傳感器；動(dòng)態(tài)稱重

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示，石英式動(dòng)態(tài)汽車衡主要由稱重石英壓電傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、動(dòng)態(tài)稱重控制器、指示裝置、野外機(jī)柜等構(gòu)成。組成框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

其中地面?zhèn)鞲醒b置包括石英壓電傳感器、環(huán)形線圈兩部分。

1.2 工作原理

石英式動(dòng)態(tài)汽車衡工作原理是當(dāng)車輛正常通過傳感器時(shí)，每個(gè)車輪的動(dòng)態(tài)車輪力施加到傳感器表面，石英傳感器壓電效應(yīng)將車輪力轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，電荷信號(hào)經(jīng)過電荷放大器的放大和高、低通濾波處理后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，采集卡完成模擬電荷信號(hào)到數(shù)字電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化，稱重控制器通過PCI總線獲取采集卡數(shù)字電壓信號(hào)后經(jīng)過系統(tǒng)軟件的分析運(yùn)算得到車輛軸載荷以及總載荷信息，稱量結(jié)果在指示裝置進(jìn)行顯示，完成一輛車的稱量過程。

1.3 檢測數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)全面，配合車牌識(shí)別裝置，可獲得軸載荷、總載荷、軸型、軸間距、總軸距、軸數(shù)、車型、車長、車牌號(hào)、通過速度、通過加速度、通過時(shí)間、通過車道、違例(超重、超速)等14項(xiàng)車輛信息參數(shù)，其中絕大多數(shù)來源于石英壓電傳感器的信號(hào)。

2 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)與國內(nèi)其它動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)相比，最顯著的優(yōu)勢在于真正突破實(shí)現(xiàn)了對高速通行車輛的軸載測量，而高速狀態(tài)下動(dòng)態(tài)稱重功能的實(shí)現(xiàn)和軸載測量精度則主要依賴于先進(jìn)的石英壓電傳感器和優(yōu)良的動(dòng)態(tài)稱重軸載計(jì)算方法。同時(shí)，系統(tǒng)低功耗的特點(diǎn)很好地滿足了系統(tǒng)在無法進(jìn)行電纜供電路段安裝應(yīng)用的需求。

2.1 石英壓電傳感器

(1)壓電材料

本傳感器選用石英晶體片作為壓電材料，該材料的主要性能特點(diǎn)是：壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好；機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好；居里點(diǎn)573 ℃，無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。由于固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好，因此利用石英壓電材料制作的傳感器在動(dòng)態(tài)測量方面具有其它材料所不能比擬的優(yōu)良性能。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本傳感器的傳力板和承力板均為整體結(jié)構(gòu)，并為剛性金屬構(gòu)件；它們之間置有均勻分布的壓電元件和傳力片；壓電元件和傳力片外側(cè)設(shè)有絕緣套和屏蔽定位環(huán)，絕緣密封層將其余空間填滿；預(yù)緊螺栓將傳力板、承力板以及置于它們之間的壓力感應(yīng)單元聯(lián)結(jié)，它既是傳力板和承力板的結(jié)構(gòu)連接部件，又構(gòu)成了壓力感應(yīng)單元的預(yù)緊裝置；定位環(huán)將傳力板和承力板準(zhǔn)確定位并防止水平方向位移。

傳感器從單體長度上分為750和900 mm兩種規(guī)格，上表面、下底面寬度均為50 mm、90 mm。根據(jù)不同的道路路面寬度，按實(shí)際安裝需求可將多根傳感器以橫向、緊密排列方式進(jìn)行組合，來覆蓋整個(gè)車道寬度，以做到對正常通過車輛無漏檢。

(3)特點(diǎn)

傳感器在公路車輛運(yùn)行狀態(tài)下的軸載荷測量中已進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。結(jié)果表明，傳感器的設(shè)計(jì)完全能夠滿足系統(tǒng)性能的各項(xiàng)要求，具有以下諸多特點(diǎn)：頻率響應(yīng)范圍寬，低至接近0、高至50KHz以上，速度測量范圍大；量程與鑒別閾之比大，測量范圍寬，靈敏度高，可測量上至百噸載荷，下至幾十公斤的動(dòng)態(tài)力；剛度大、固有頻率高(幾十千赫以上)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；時(shí)間老化率低，無熱釋電現(xiàn)象，可靠性高，壽命長；對溫度的敏感性低，溫度誤差小；良好的絕緣、抗噪聲及防水密封性能；無信號(hào)漂移，工作穩(wěn)定；測點(diǎn)間靈敏度差≤±3%，保證了同一輛車通過傳感器的位置不同，但輸出信號(hào)穩(wěn)定；無需經(jīng)常校準(zhǔn)，需要時(shí)可通過系統(tǒng)軟件補(bǔ)償修正；能有效隔離水平方向的壓力；體積小、重量輕，安裝時(shí)對路面開挖小；固定安裝于工作路面上，傳感器表面與路面齊平，不影響車輛行駛。

2.2 軸載計(jì)算方法

動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，車輪通過稱重裝置的時(shí)間很短，并且有很多的干擾因素，如車速、車輛自身諧振、路面激勵(lì)等。因此，如何準(zhǔn)確測出真實(shí)軸重就成為動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。目前車輛動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)處理方法主要有以下幾種：濾波法、積分法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)方法和模型參數(shù)估計(jì)等。其中積分法精度相對較高，但需大量的數(shù)據(jù)才能保證精度，這也是提高車輛通過速度時(shí)，測量精度就無法保證的原因所在。

通過大量的試驗(yàn)、數(shù)據(jù)回歸及反復(fù)驗(yàn)證，本系統(tǒng)形成了一套優(yōu)良的動(dòng)態(tài)稱重軸載計(jì)算方法。該方法首先對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，然后代入經(jīng)驗(yàn)公式，再對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行速度等修正，從而得到車輛的準(zhǔn)確軸載。經(jīng)試驗(yàn)證明，該方法在動(dòng)態(tài)稱重軸載計(jì)算方面具有較高的精度，且簡便易行。

2.3 動(dòng)態(tài)稱重控制器

一般的工控機(jī)只能采用電纜供電，因此嚴(yán)重制約了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)向低功耗、嵌入式方向發(fā)展。本系統(tǒng)采用研華最新推出的低功耗嵌入式數(shù)據(jù)采集一體機(jī)PEC-3710，取代傳統(tǒng)的工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從而使整個(gè)系統(tǒng)得以在低功耗下正常工作。

PEC-3710是獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集控制器，將低功耗CPU和多功能數(shù)據(jù)采集卡整合成為一個(gè)產(chǎn)品。提供16-ch模擬輸入，4-ch模擬輸出，16-ch隔離數(shù)字輸入，16-ch隔離數(shù)字輸出，支持串口通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊。適用于需要高度集成和高度可靠特別是僅提供太陽能供電的應(yīng)用場合，內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)軟件可加速您的應(yīng)用開發(fā)。

本系統(tǒng)主要應(yīng)用了PEC-3710的模擬輸入和隔離數(shù)字輸入部分，其主要規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 主要規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)

PEC-3710在數(shù)據(jù)采集處理性能上足以和一般的工控機(jī)媲美，可以同時(shí)采集多個(gè)車道的車輛數(shù)據(jù)，同時(shí)又具備高度集成、高度可靠、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。選擇PEC-3710作為數(shù)據(jù)采集處理主機(jī)，使本系統(tǒng)能夠可靠應(yīng)用于更嚴(yán)酷的外場環(huán)境或無法進(jìn)行電纜供電的路段，大大提高了產(chǎn)品自身的市場競爭力。

3 系統(tǒng)性能

石英式動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)研發(fā)主要是為了對路上正常行使車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)不停車稱重，用于超載判別和處罰，其具體技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)

4 結(jié) 論

提出的基于石英壓電傳感器的動(dòng)態(tài)汽車衡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可在車輛正常特別是高速行駛過程中，瞬間完成其各項(xiàng)交通數(shù)據(jù)的檢測。由于其低功耗特點(diǎn)，系統(tǒng)還可在無法進(jìn)行電纜供電路段上安裝。系統(tǒng)所獲得的交通信息全面、可靠，而且具有足夠的精度。因此，系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，將為公路交通的現(xiàn)代化管理和利用公路交通信息服務(wù)社會(huì)公眾提供有力的技術(shù)支撐。

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2015-05-12

U467

C

1008-3383(2015)11-0161-02