壓電傳感器在車輛行駛稱重中的應用探討

張力

摘 要：近年來，我國交通行業飛速發展，一條條公路應運而生，車載量日漸增加，給交通行業帶來了巨大的壓力，導致大量的車輛超載現象出現。目前我國動態稱重電子衡器尚無擺脫機械衡器的影響，仍然采用在傳感器上跨接秤體平臺，不僅稱重系統結構和質量大，攜帶和布置不方便，而且車輛稱重誤差較大，且測試效率低，直接影響了交通運輸的暢通，難以適應于現代化交通行業的發展需求。因此必須尋求新的稱重技術和稱重設備，結合計算機網絡技術和壓電傳感技術，實現對車速、車軸數以及車輛載重信息等進行收集和分析，使其在智能交通系統中發揮出重要的作用，從而有效地遏制車輛載重現象的出現。

關鍵詞：壓電傳感器 車輛行駛 稱重

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0072-01

就目前各級公路、橋梁、隧道等出現的安全事故來看，大多數都是由于車輛超載超速運輸導致的，是交通行業的“頭號殺手”，直接影響著車輛的安全行駛，對我國交通行業和國民經濟發展十分不利。在科學技術日新月異的現代社會，新技術、新設備層出不窮，給各行各業的生產和管理帶來了諸多便利，為我國社會經濟的增長做出了巨大的貢獻。壓電傳感器是一種可以將動能轉化為電能的特殊材料，比較適合于高速公路檢測車輛載重的工作中，這種檢測設備和技術不僅不需要車輛放慢速度，且檢測的精準性較高，在公路、隧道、橋梁超重超速檢測系統中發揮出不可或缺的作用。

1 壓電傳感器的檢測原理分析

在特殊加工狀態下，可以將動能轉化為電能的材料稱為壓電材料，壓電材料在機械沖擊和振動時往往會產生電荷。處于材料原子層的偶極子，其順序被打亂后會形成一個電子流，并具有恢復到原來狀態的意愿。一旦有壓力施加到傳感器上，就會產生電壓，如果去掉負載，那么就會產生一個相反極性的信號，它產生的電壓比較高，傳感器產生的電流卻很小。壓電傳感器主要的通過檢測車輛輪胎施加到傳感器上的壓力，產生成正比的模擬電壓、信號等，且保證輸出壓力信號的時間與輪胎停留在傳感器時間相同。如果有輪胎經過傳感器，傳感器就會產生一個電子脈沖，由此可見，壓電傳感器對行駛車輛的檢測原理是對其受力產生的信號進行分析。這種檢測和稱重的技術與方法，不需要車輛放慢速度，不會影響車輛的正常形式，且檢測精度較高，比較適用于中高級公路中推廣與應用，從而實現動態、自動、實時、方便的車輛檢測，并有效地進行檢測信息的分析、處理、打印以及存儲，有效地抑制了日益嚴重的車輛超載超速現象，為廣大司機朋友營造一個安全的行車環境。

2 壓電傳感器在車輛行駛稱重中的應用分析

2.1 壓電傳感器安裝方式

壓電傳感器包括兩大類，Ⅰ類傳感器適用于行駛車輛稱重，其稱重一致性較高。Ⅱ類傳感器適宜車輛的計數、車速探測、十字路紅燈路口拍照等，具有較高的性價比。這兩類傳感器都具有高幅壓電輸出、易安裝、耐用、柔軟性好以及卓越的信噪比等優勢，在目前公路稽查中得到了廣泛的推廣與應用。壓電傳感器稱重檢測結構由壓電傳感器—線圈—壓電傳感器組成，沿著車流的方向，其排列順序為Ⅱ類壓電傳感器、線圈、Ⅰ類壓電傳感器，其安裝方式如圖1所示。Ⅰ類壓電傳感器用于測量車重，線圈信號可以判斷是否為同一輛車；而Ⅱ類與Ⅰ類壓電傳感器相結合，可以對車輛的車速、車軸數以及軸距進行準確的測量。在安裝方式上，兩者之間的間距為2.0 m，Ⅰ類傳感器部分一般為4 m，需要覆蓋整條車道，安裝應定位到車道的中央；而Ⅱ類傳感器部分往往是2 m，只需要覆蓋一般的車道寬度，安裝應定位于車道的一側。

2.2 計算兩軸車

在對兩軸車進行計算時，應將車行駛的位置分為6個時刻，t1時線圈感應到車輛的進入，信號由高電平轉化為低電平，將這個負跳變定義為信號①。t2時車輛前輪給予傳感器1壓力，傳感器產生一個新的脈沖信號②，這個信號定義為車輛進入檢測區域的起始信號。t3時刻，車輛前輪給傳感器2壓力，產生脈沖信號③，其與信號②之間的時間差為ta，這樣可以計算出車輛通過兩個壓電傳感器的速度。在t4時刻，車輛后輪壓住壓電傳感器1，產生脈沖信號④，與信號②之間的時間差為tb，可以計算出車輛的軸距。t5時刻，車輛的后輪給壓電傳感器2一個力，產生脈沖信號⑤，確保與信號③之間的時間差和信號②、信號④之間的tb相同。到了t6時刻，車輛完全離開線圈，信號又回到了高電平，將這個正跳變定義為信號⑥，并將其作為車輛結束的標記。信號⑥和信號②之間的壓電傳感器1產生的脈沖信號次數是該車輛的車軸數。通過上述信號的時間順序和時間差，可以完整的計算出車輛通過檢測器的車速、車軸數和軸距等。

2.3 車重的測量

交通部門和技術人員需要認真分析傳感器的特性，輪胎經過傳感器時往往會產生一定量的電壓，且與軸載成正比，且確保輸出時間和輪胎停留在傳感器上的時間的一致性。壓電傳感器對行駛車輛的重量測定原理主要是對受力產生信號積分進行分析。受到電容負載的影響，電壓波形會有一定量的變形。通常情況下，壓電傳感器上有約1.2V的電壓，將這個電壓值作為參考零點，但這只是一個參考值，不是真正意義上的0.一旦有車輪受力于傳感器，該電壓就會發生變化，將參考零點電壓變化的幅度構成一個面積（AREA），若要得到準確的積分值，就必須將所有的有效稱量值累加，最終計算出車輛的重量，幫助交通管理部門判斷該車輛行駛是否超速超重，進一步確保行車安全。

3 結語

近年來，我國科學技術日新月異，為社會各領域生產和管理帶來了便利。面對日益增加的車輛量，如何為司機朋友營造一個安全的行車環境，交通管理部門應加大對這方面技術和設備的開發，引入壓電傳感器技術，用于車輛行駛稱重和測速中，將計算機網絡技術和壓力傳感器有機結合，減少了人為的干預，大大提高了測量的精度，有利于幫助交通管理人員掌握所有車輛的行車信息，從而控制車輛超速超載問題，實現車輛稱重智能化和科學化。

參考文獻

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