压电式动态称重传感器优化方法研究

崔啸华 李浩

摘要：目前我国所使用的动态汽车衡对重车行车速度和行驶状态十分敏感，针对这一问题，利用压电石英传感器的电敏特性，通过研究其布局，利用改进型Cebon算法对传感器的布局进行了优化。结果表明：优化后的传感器对重车行驶速度及行驶状态的敏感度下降了40%。

关键词：道路工程 重载公路 压电石英传感器 动态称重

0 引言

随着我国經济跨越式发展，汽车保有量与日俱增，特别是货运汽车，增量尤为明显。据统计2014年我国各类货运汽车销量突破300万量。这种井喷式的增长所引起的直接问题就是道路的拥堵。例如2014年9-12月京藏高速堵车达90天以上，堵车带来的经济损失甚至超过了货运成本。导致这种现象的原因很多，最主要的有：路网设置不合理、道路资源匮乏、公路管理自动化程度低等。对于前两种问题的解决方法只能通过政府部门长期不间断的加大基础设施建设去克服，而对于公路管理的问题可以通过科学的方法进行改进。目前重车拥堵的很大原因在于收费站点效率低，一辆重车进入收费站点进行称重收费，在无纠纷的情况下至少需要20分钟。部分地区使用弯板式动态汽车衡，因其对重车行驶状态和速度较为敏感，因此通过速度较低，且容易发生纠纷。因此如能找出一种称量精度高且对重车过称速度和状态不敏感的动态汽车衡就显得意义重大。

1 称重传感器的选取

传统的动态汽车衡主要依靠形变对惠斯顿电桥产生的倾斜大小来得到重量的，如果重车的行驶状态在过秤时突然改变，如突然加速或减速，对称量结果影响很大，因此稳定性较差。压电传感器是基于压电材料的压电效应来测量汽车质量的，这种传感器利用压电材料的单方向受力敏感特性，当车轮通过其表面时会产生电荷，且具有只对一种方向的受力敏感的特性，石英SiO2是一种天然的压电材料，当其表面受到外力作用时便会产生电荷，用于制造压电石英动态汽车传感器的石英晶体需要置于高温、高压（1000bar，400℃）下培养一周，再利用光学晶体测角仪测量出其晶体的方向，不同晶体只对一种方向的受力敏感。其具有横向、纵向、剪切三种效应，石英晶体动态传感器由压电石英晶体构成，外部整体封装，将一系列传感器封装于0.75m或1.75m的封装材料中，上面层辅以沥青或者水泥两种材料，以适应于不同种类的路面[1-3]。整体结构如图1所示。

压电石英传感器所具有的特点有：

①全密封结构，防水、防沙、耐腐蚀、坚固耐用、免维护。传感器本身为全金属结构，施工时利用密封材料浇铸成一个整体，传感器与路面之间平整无接缝，避免了泥沙的淤积，其内部没有机械装置，性能长期稳定，使用寿命长达15年。

②动态精度高适用性强。压电石英传感器响应速度快，其对承载器的惯量反应能达到μs级别，而其对剪切力不敏感。这两点决定了其对速度的适用范围很大能达到0-200km/h且能适应各种弯道坡道等恶略地理环境，这是弯板所不能达到的。

③线性好，动态量程范围宽。单只传感器的称量可达150kN，完全可以120吨以下的货车称量，在布设时如果构建成网状结构在整个称量过程中将具有很好的线性输出。

因此能够满足高速行驶状态下，快速响应，精确称量的要求，必须使用压电传感器。压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。

2 影响车辆动态称重的因素

在实际运行当中，影响重车过秤精度的因素众多，如路面平整度、车辆运行速度，车辆轮迹长度、空气阻力等。在分析其运动状态时，一般认为是理想状态，即路面平整且在一条直线上路面波形完全符合正弦函数y0（t）=Hsin（ωt），其中H代表理想路面的震动幅度；ω=2πv/λ。其中：ω为转轴频率；λ为理想状态下正玄波长；v为行车速度[4-5]。这时发现，重车称量精度只与其自身震动状态有关，而这种震动可以通过优化传感器布局进行抵消。

3 改进的Cebon计算方法

2000年英国科学家Cebon提出过一种采用样本均值对误差进行分析的方法，对这种方法进行改进，引入假设路面水平，将传感器标记地点记为a1，a2，…an，F（an）表示振动荷载大小，FE为n个传感器的多点误差值。则FE可用下式计算：FE=F0- F（am）（1）

测量误差可以认为是静荷载差值与测量平均值的象限差。通过设定每只传感器的间距，将振动频率f、相位角φ和车速v代入表达式，可以计算测量误差FE。因此，在一定范围改变三个值，可求得在某个传感器设置间距的测量误差的最大值FEmax（0～∞）。使其值 FEmax=0时，FE为最佳值，这时计算其平均值为：

考虑到成本与收益的比率问题，一般情况下布设3-4排传感器性价比最高。

考虑重车通过收费站的安全距离不高于20km/h，因此传感器最佳间距在049～1.65之间，具体数值需要根据路面状况进行校调。

4 计重收费

计重收费是车辆通过设置在收费站收费车道前真个动态称重装置、车辆分离装置、车型识别装置时，数据采集处理装置将采集到的相关信息传送至车道收费计算机，对通行车辆按轴重或总重的超限情况确定适当收费标准的通行费征收方式。计重收费不仅使收费的标准更趋公道，而且有效地遏制了超限运输车辆对公路掠夺性使用，减少超限运输给人民生命财产安全带来的威胁，促进了我国交通运输安全、规范、健康地发展。ZCS计重系统的工作原理是：车辆驶进收费车道，其轮轴依次压过展设在车道路面中的高精度动态轴重仪、轮轴识别器，控制模块将信号传输至数据采集处理器，经过预设的综合动态数据处理程序，称重数据处理器将计算出每轴轴重、总轴重、总车重、轴型（单轴、联轴）、轮胎类型（单双胎）等信息。安装在路侧的红外线车辆分离变频传感器可正确判别车辆是否完全通过。

5 结论

优化后的压电石英传感器对重车行驶状态和速度不敏感，布设三排压电石英传感器时在重车过称速度不高于60Km/h时误差率低于±2.5%，将其与ETC设备进行整合可实现重车的不停车计重收费模式，这一模式将极大提高收费站点效率，有力的解决拥堵问题。

参考文献：

[1]魏养继，张伟.陕西高速公路复式计重收费系统研究[J].中国交通信息化，2011（07）.

[2]长安大学重载公路智能化计重收费课题组.重载公路智能化计重收费成套技术研究报告[R].西安：长安大学，2010.

[3]武奇生，王丹，陈圆媛，潘珍亮.基于ETC的车辆动态称重系统轴载数据处理算法研究[J].公路交通科技（应用技术版），2009（10）.

[4]许菲，李新友.ETC系统中车载单元的研究与设计[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2011（05）.

[5]方文莉.DAW30-100弯板式称重系统在高速公路计重收费中的应用[J].衡器，2011（05）.