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    動態汽車衡專利技術發展淺析

    本文介紹了動態汽車衡專利技術發展趨勢;分析了秤臺式、彎板式和石英晶 體式動態汽車衡的具體發展方向,秤臺式是目前研究的主要方向,石英晶體式是研究的新熱 點;提出提高效率和準確性以及去除不規范行車誤差是專利技術研究的主要問題。
    一、前言 隨著交通運輸的發展,為保障道路、橋梁交 通安全,快速準確計量收費,動態汽車衡得到廣 泛應用和較大發展。專利通常代表企業研發應用 的新技術,對動態汽車衡中國專利的分析在一定 程度反映了該領域的國內技術發展趨勢和方向。
    二、動態汽車衡專利申請量的分析 動態汽車衡技術發展很快,專利申請量在迅 速增加,從 2008 年的 33 件到 2017 年的 158 件申 請,10 年增長大約 5 倍,申請總量達到 972 件。 總申請人多達 530 名,其中前 12 名申請人共申請 了 261 件,占總數量的 27%,顯示動態汽車衡專 利技術發展來源非常廣泛,但技術集中度相對較 高。申請來源省份前 8 名依次為北京、河南、陜 西、山東、重慶、四川、山西、江蘇,占總申請 量的 58%,專利技術發展來源地相對集中。
    三、動態汽車衡的幾種主要專利技術發展分 析 動態汽車衡依據稱量結構主要可以分為秤臺 式、彎板式和石英晶體式三類[1],下面對這幾種形 式的動態汽車衡技術發展進行分析。

    (一) 秤臺式動態汽車衡 秤臺式動態汽車衡主要可以分為整車式和軸 重 (組) 式,主要稱量結構包括秤臺、壓力傳感 器,壓力傳感器記錄下車輛通過秤臺時的重量, 其申請量占了總申請的主要部分。 整車式的秤臺較長以容納整車測量全重,稱 量精度高,但體積大制造安裝困難,一次一車效率低,高速下測量誤差較大。其專利技術發展主 要體現在以下四個方面: 第一,拼接秤臺,降低結構難度。整車秤臺 被分為上秤秤臺、中間秤臺和下秤秤臺,拼接后 形成整車秤臺,其進一步改進在三個秤臺中間設 置多個輔助秤臺用于分離車輛,提高準確性。 第二,秤臺兩端設置軸識別器,從而識別上 下秤車輛的軸數、速度和車輛通行狀態,結合分 車信號實現多車連續稱重,提高效率,其進一步 改進在秤臺中間再增加一個軸識別器,識別同軸 上下秤臺情況。 第三,整車與軸重式秤臺形成組合,提高測 量精度。在整車秤臺前串聯安裝軸重秤臺,利用 軸重式秤臺獲取軸重相關參數以及提示車輛行駛 狀態,并與整車秤臺數據相比較結合確定整車重 量,提高了測量精度和防作弊能力。整車和軸重 組合秤進一步具有多種改進方式,包括縮短整車 秤臺面,并將軸重秤設置在整車秤后,在整車秤 臺面長度不足時聯合軸重秤實現整車稱量;在整 車秤臺前后均安裝軸重秤臺進一步提高準確性; 將軸重式秤臺安裝在整車秤臺上;將軸重秤臺替 換為彎板、石英晶體式、分體式、便攜式等并設 置多道。 第四,傾斜安裝。通過在傳感器和臺面之間 設置帶傾斜表面的墊塊使傳感器仍然垂直受力, 實現了臺面的傾斜安裝,從而可以適應更多的使 用環境。 軸重秤臺式動態汽車衡的秤臺較短,稱量各 軸重累計得到整車重量,連續稱量效率較高,稱 量精度相對低于整車秤臺式動態汽車衡,易受不 規范行車干擾。其專利技術發展主要體現在以下 三個方面: 第一,加長秤臺,從而可以稱量二軸或三軸 軸組重,形成軸組秤,減小聯軸相互影響引起的 稱量誤差,提高稱量精度;還可以設置多道軸重 秤臺以同時稱量聯軸軸組。 第二,設置前后兩個軸重秤的組合形式,產 生不同傳感器時序波形可以提高對行駛狀態的分 析能力。設置方式如圖 1 所示,包括間隔布設兩 塊軸重秤,利用每個軸通過兩軸重秤的時間確定 速度以計算軸距,從而確定軸重秤上有效重量, 其中一個軸重秤還可以替換為并排或交錯的單輪 稱重結構進一步提高對作弊行駛的判斷能力;或 者兩個軸重秤具有不同的傳感器布設方式,利用 傳感器測量的時序判斷車輛的行駛狀態;或者將 兩塊軸重秤設置為沿行車方向長度不同的主輔臺 面,提高波形時序判斷能力,其進一步改進在兩 塊臺面拼接處各突出一塊構成交錯,使兩側車輪 先后進入第二臺面。 第三,在兩秤臺之間設置水平力傳感器,對 稱重信號進行補償。

    (二) 彎板式動態汽車衡 彎板式動態汽車衡包括彎板和支撐框架,彎 板在車輪碾壓時彎曲變形,通過應變片測量形變 以計算車輪重量,可以在較高車速進行稱量。彎 板式的安裝和維護相比秤臺較小,但壽命較低, 需經常校正[1]。彎板動態汽車衡的申請量相對較 少,并逐漸下降。 彎板式動態汽車衡的專利技術發展主要體現 在以下幾個方面: 第一,左右兩塊彎板前后交錯式安裝,以便 判斷行駛狀態減少無效數據,提高準確性;其中 彎板前后交錯方式包括具有重疊部分,便于判斷 聯軸,或者前后錯開一定距離,從而對不同時間 獲得的重量進行平均提高測量精度,或者階梯式 布置三塊彎板用于超寬車道。 第二,設置多組彎板,以便于識別不規范行 車并提高速度計算準確性,減小聯軸誤差; 第三,改進傳感器應變梁槽結構以及傳感器, 提高測量精度和壽命,其中包括采用光纖光柵傳 感器。

    (三) 石英晶體式動態汽車衡 石英晶體式動態汽車衡包括具有空腔的受力 型材和石英晶體傳感器,石英晶體感應傳力塊傳 導的壓力產生電荷,測量該電荷以計算車輪重量, 可用于高車速的動態稱量,安裝方便,精度高, 動態量程寬,工作特性穩定[2]。石英晶體式動態汽 車衡申請主要在 2015 年 ~2017 年。 石英晶體式動態汽車衡專利技術發展主要體 現在以下幾個方面: 第一,受力型材的結構。包括設置限位結構, 在傳力塊上設置凹槽緩解受力不均,型材設置為 上下分體減小水平力干擾,圓管型空腔調整為八 邊形增加靈敏度,電極和絕緣膜制作為單面導電 膜從而減小公差使受力更均勻,以及調整型材變 形部分具有不同的厚度提高使用壽命。 第二,不同陣列布置方式,提高測量準確性。 包括多組平行交錯的傳感器提高行駛狀態判斷能 力,其改進如圖 2 所示,包括不同的傳感器組間 距,設置不同前后交錯順序;以及由兩根或多根 傳感器前后構成一組,多組左右交錯布置,以減 少路面不平整和非勻速通過造成的誤差。 第三,測量車輪位置補償傳感器不同位置的 測量誤差。包括設置位置傳感器感應車輛行駛偏 移位置;以及在垂直行車方向的傳感器前后增加 斜埋的傳感器,利用車輪速度和通過前后傳感器 時間差獲得行駛距離,再基于傾斜角度確定車輪 行駛的位置。 四、結語 本文對動態汽車衡的專利技術發展進行了分 析梳理,動態汽車衡的技術發展速度很快,技術 發展來源相對集中;秤臺式是目前研究的主要方 向,石英晶體式是最新發展的研究方向;動態汽 車衡專利技術研究主要解決高效同時準確測量, 以及去除不規范行車造成誤差問題。

     
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