石英式动态汽车衡的设计与实现

赵满仓

(黑龙江省交通科学研究所)



石英式动态汽车衡的设计与实现

赵满仓

(黑龙江省交通科学研究所)

为了配合公路管理部门对超载行为进行打击和处罚，特研发了用于快速不停车动态称重系统。石英式动态汽车衡，是一种对道路行驶车辆进行质量称量的一种自动衡器。根据系统特点，即对行驶车辆的每一个轴(或轴组)分别称量，且能自动累加轴(或轴组)的称量结果，获得车辆总重量和轴(或轴组)载荷，又可称为动态轴重衡。

石英压电传感器；动态称重

1 系统组成及工作原理

1.1 系统组成

如图1所示，石英式动态汽车衡主要由称重石英压电传感器、电荷放大器、数据采集卡、动态称重控制器、指示装置、野外机柜等构成。组成框图如图1。

图1 系统组成框图

其中地面传感装置包括石英压电传感器、环形线圈两部分。

1.2 工作原理

石英式动态汽车衡工作原理是当车辆正常通过传感器时，每个车轮的动态车轮力施加到传感器表面，石英传感器压电效应将车轮力转化为电荷信号，电荷信号经过电荷放大器的放大和高、低通滤波处理后进入数据采集卡，采集卡完成模拟电荷信号到数字电压信号的转化，称重控制器通过PCI总线获取采集卡数字电压信号后经过系统软件的分析运算得到车辆轴载荷以及总载荷信息，称量结果在指示装置进行显示，完成一辆车的称量过程。

1.3 检测数据

本系统检测数据全面，配合车牌识别装置，可获得轴载荷、总载荷、轴型、轴间距、总轴距、轴数、车型、车长、车牌号、通过速度、通过加速度、通过时间、通过车道、违例(超重、超速)等14项车辆信息参数，其中绝大多数来源于石英压电传感器的信号。

2 关键技术的实现

本系统与国内其它动态称重系统相比，最显著的优势在于真正突破实现了对高速通行车辆的轴载测量，而高速状态下动态称重功能的实现和轴载测量精度则主要依赖于先进的石英压电传感器和优良的动态称重轴载计算方法。同时，系统低功耗的特点很好地满足了系统在无法进行电缆供电路段安装应用的需求。

2.1 石英压电传感器

(1)压电材料

本传感器选用石英晶体片作为压电材料，该材料的主要性能特点是：压电常数小，时间和温度稳定性极好；机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；居里点573 ℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。由于固有频率高、动态特性好，因此利用石英压电材料制作的传感器在动态测量方面具有其它材料所不能比拟的优良性能。

(2)结构设计本传感器的传力板和承力板均为整体结构，并为刚性金属构件；它们之间置有均匀分布的压电元件和传力片；压电元件和传力片外侧设有绝缘套和屏蔽定位环，绝缘密封层将其余空间填满；预紧螺栓将传力板、承力板以及置于它们之间的压力感应单元联结，它既是传力板和承力板的结构连接部件，又构成了压力感应单元的预紧装置；定位环将传力板和承力板准确定位并防止水平方向位移。

传感器从单体长度上分为750和900 mm两种规格，上表面、下底面宽度均为50 mm、90 mm。根据不同的道路路面宽度，按实际安装需求可将多根传感器以横向、紧密排列方式进行组合，来覆盖整个车道宽度，以做到对正常通过车辆无漏检。

(3)特点

传感器在公路车辆运行状态下的轴载荷测量中已进行了广泛应用。结果表明，传感器的设计完全能够满足系统性能的各项要求，具有以下诸多特点：频率响应范围宽，低至接近0、高至50KHz以上，速度测量范围大；量程与鉴别阈之比大，测量范围宽，灵敏度高，可测量上至百吨载荷，下至几十公斤的动态力；刚度大、固有频率高(几十千赫以上)，动态响应快；时间老化率低，无热释电现象，可靠性高，寿命长；对温度的敏感性低，温度误差小；良好的绝缘、抗噪声及防水密封性能；无信号漂移，工作稳定；测点间灵敏度差≤±3%，保证了同一辆车通过传感器的位置不同，但输出信号稳定；无需经常校准，需要时可通过系统软件补偿修正；能有效隔离水平方向的压力；体积小、重量轻，安装时对路面开挖小；固定安装于工作路面上，传感器表面与路面齐平，不影响车辆行驶。

2.2 轴载计算方法

动态称重时，车轮通过称重装置的时间很短，并且有很多的干扰因素，如车速、车辆自身谐振、路面激励等。因此，如何准确测出真实轴重就成为动态称重系统的技术难点和关键。目前车辆动态称重数据处理方法主要有以下几种：滤波法、积分法、经验模态分解(EMD)方法和模型参数估计等。其中积分法精度相对较高，但需大量的数据才能保证精度，这也是提高车辆通过速度时，测量精度就无法保证的原因所在。

通过大量的试验、数据回归及反复验证，本系统形成了一套优良的动态称重轴载计算方法。该方法首先对采集数据进行积分，然后代入经验公式，再对计算结果进行速度等修正，从而得到车辆的准确轴载。经试验证明，该方法在动态称重轴载计算方面具有较高的精度，且简便易行。

2.3 动态称重控制器

一般的工控机只能采用电缆供电，因此严重制约了动态称重系统向低功耗、嵌入式方向发展。本系统采用研华最新推出的低功耗嵌入式数据采集一体机PEC-3710，取代传统的工控机进行数据采集，从而使整个系统得以在低功耗下正常工作。

PEC-3710是独立的数据采集控制器，将低功耗CPU和多功能数据采集卡整合成为一个产品。提供16-ch模拟输入，4-ch模拟输出，16-ch隔离数字输入，16-ch隔离数字输出，支持串口通讯和网络通讯。适用于需要高度集成和高度可靠特别是仅提供太阳能供电的应用场合，内置的驱动和系统软件可加速您的应用开发。

本系统主要应用了PEC-3710的模拟输入和隔离数字输入部分，其主要规格和技术指标如表1所示。

表1 主要规格和技术指标

PEC-3710在数据采集处理性能上足以和一般的工控机媲美，可以同时采集多个车道的车辆数据，同时又具备高度集成、高度可靠、低功耗等优点。选择PEC-3710作为数据采集处理主机，使本系统能够可靠应用于更严酷的外场环境或无法进行电缆供电的路段，大大提高了产品自身的市场竞争力。

3 系统性能

石英式动态称重系统研发主要是为了对路上正常行使车辆进行动态不停车称重，用于超载判别和处罚，其具体技术指标见表2。

表2 系统主要技术参数指标

4 结 论

提出的基于石英压电传感器的动态汽车衡设计与实现，可在车辆正常特别是高速行驶过程中，瞬间完成其各项交通数据的检测。由于其低功耗特点，系统还可在无法进行电缆供电路段上安装。系统所获得的交通信息全面、可靠，而且具有足够的精度。因此，系统的广泛应用，将为公路交通的现代化管理和利用公路交通信息服务社会公众提供有力的技术支撑。

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2015-05-12

U467

C

1008-3383(2015)11-0161-02