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    關于ETC計重收費動態地磅用稱重傳感器選型的探

    本文對ETC計重收費動態汽車衡稱重的整個過程進行了描述, 分析了傳感器在整個過程的受力情況,對如何選用柱式和橋式傳感器 做了介紹,為動態汽車衡設計和傳感器選型提供一些參考。
    隨著交通運輸業務的發展,高速公路計重收費的快速發展,公路 部門需加大設備建設的投資以及人員的投入,這高昂的成本就成了頭 疼的問題。為了減少收費人員的數量,加快車輛通過收費門的速度, ETC業務應運而生,現在小車ETC計重收費系統已成熟且全面推廣, 但大型貨車ETC計重收費系統才剛剛起步。

    對于大型貨車ETC系統,其關鍵技術是計重,而計重的關鍵設備 為動態汽車衡。動態汽車衡是從靜態汽車衡發展而來,主要使用的傳感器以柱式傳感器與橋式傳感器為主。 度高;有人認為采用橋式傳感器精度穩定且便于安裝。關于柱式傳感 器與橋式傳感器的優劣問題一直爭論不休。那么,如何選用柱式傳感 器與橋式傳感器呢,本文將針對該問題重點進行分析介紹。
    動態汽車衡稱重過程受力分析
    汽車行駛上動態汽車衡(以下簡稱秤臺)時,因汽車前輪的慣性 沖力將秤臺向前推去,當秤臺運動到前限位器時,限位將產生反推力, 又將秤臺向后推去。當稱重運動到后限位器時產生反推力,以及汽車 的驅動力,又將秤臺加速向前推去。在汽車完全行駛到秤臺上面前, 秤臺將持續加速振蕩,形成加速擺動現象,如下圖2。

    當汽車完全行駛到秤臺上面時,通過其他地方產生的驅動力逐漸
    消失,秤臺的前后振蕩頻率速度將不再加速。當汽車加速或減速時, 秤臺振蕩頻率也會加速減速??傊?,在整個汽車上秤臺前與上秤臺過 程中,秤臺會形成一個中、低頻率前后振湯。
    汽車的重量及其他推力振動等產生的力都由秤臺傳遞給傳感器,
    由傳感器將這些力的信息準確快速的傳遞給儀表(電腦)進行數據處理,最終通過稱重儀表顯示。秤臺受力分析如下:
    二、傳感器采樣頻率方面分析
    衡器用傳感器一般有兩種類型:柱式傳感器和橋式傳感器。柱式傳 感器受力分析如下,見圖3。


    1)當秤臺與前限位器接觸時,傳感器受到軸向力, F = Fy X c o s a ° + Fx X s i n a
    2)當秤臺與前限位器不接觸時,
    F = Fy X cos a ° 到 F = Fy X cos 0 ° 之間變化
    如果考慮汽車驅動力等因素時,傳感器的信號只在主信號 F = FyXco s a °中加波(中、高頻),具體信號如下:
    從這些力來分析,汽車的速度、驅動力、剎車等水平力造成秤臺 左右擺動,并接觸限位器,產生反推力。因速度驅動力有大有小,有 快有慢,造成反推力大小是沒有規律的,因此處理數據時,只取沒有 撞擊時的數據。這樣車輛的振動,發動機的振動等反向有規律的波動。 我們取大約不小于3個擺動,就能得到有效理想的數據,經過處理就 能得到相應精度。
    下面我們計算秤臺上的采樣波動時間:秤臺長度一般單節6米, 共3節,長度為18米?,F在公路上主要行駛的貨車為半拖掛車。
    秤臺的車速為20公里/小時,3米/20公里/小時=0. 54秒。
    我們取小于3個擺動循環,采集時間占1個循環的2/3,則
    54/3* (2/3) =0. 12秒,即每個循環最長采集時間為0. 12秒。
    每1個波形,需取10個數(前擺5個,后擺5個),則每條采樣 時間為:0. 012秒(83Hz)。因此,傳感器的固有頻率大致在83?100Hz, 我們就可以得到有效數據。
    為了提高衡器精度,現在的衡器采集頻率一般在1000Hz,即每 秒中采集1000個數據。在衡器上,傳感器的采樣頻率大致為柱式固 有頻率> 10000Hz;橋式固有頻率> 1000Hz。
    單純看兩種傳感器的固有頻率,確實是柱式傳感器的固有頻率高 于橋式傳感器,這是不爭的事實。然而,衡器是由秤體、傳感器和儀 表組成的,衡器的響應速度才是決定使用性能的最終因素。衡器的響 應速度主要由秤體的響應速度、儀表的響應速度、傳感器的響應速度 共同決定。
    隨著電子技術的飛速發展,制造高分辨率、高響應速度的儀表已 經不是難事,但是秤體的響應速度提高確實不易,目前各生產廠家的 秤體結構、使用材料大同小異,根據資料顯示,秤體的固有頻率通常 在3?5Hz,且無法進一步提高,因此,從采樣頻率來說,兩種傳感器 均能滿足需求。

    三、傳感器安裝方面分析
    柱式傳感器與橋式傳感器的優缺點對比如下:
    1.柱式傳感器
    優點:結構緊湊,體積小,固有頻率高,動態響應快。
    缺點:抗側向和偏載能力較差,對加載點變化敏感,安裝要求高, 調整四角等操作較為繁瑣,傳感器不易固定易旋轉,加載頻率或重 量過大,容易導致傳感器開裂。
    原因分析:不倒翁轉動產生的原因,當地基水平,柱式傳感器垂 直時,無論怎么擺動也不會旋轉;但當不水平時,就會存在偏轉,轉 動。如圖8所示:


    當前后秤臺擺動時,秤臺也有可能產生旋轉擺動,帶動傳感器旋 轉擺動,這就是傳感器產生旋轉的原因。傳感器的電纜線就纏在傳感 器上,隨著次數的增多,電纜線就有可能拽斷,衡器產生故障。
    在安裝衡器時,我們不可能將傳感器絕對的緊緊地與秤臺接觸, 肯定會存在一定的間隙。同時,在設計衡器支點時,我們最想讓支點 靠邊,減少翹板現象。但秤臺有厚度,在車的沖擊力等作用下,在秤 臺上面的沖擊力以及支點會產生轉矩,這樣就有一定的翹板現象。當 翹板力瞬間消失后,秤臺產生向下的沖擊力,間隙越大,沖擊力越大。
    對于柱式傳感器,由上、下壓頭、傳感器以及秤臺、地基安裝板 組成,中間沒有任何柔性。當幾個重力加速度的沖擊力下來,這樣的 集中沖擊力,很有可能將傳感器從中間沖裂。
    2.橋式傳感器
    優點:對加載點變化不敏感,抗偏載性能好,固有線性好,安裝 方便,傳感器固定不旋轉,制造成本低。
    缺點:體積大,重量大,搬運笨重。
    橋式傳感器是通過鋼球與秤臺連接,旋轉擺動時,只有鋼球轉動, 不會使傳感器旋轉。同時,對于橋式結構傳感器,其受力變化的擾度 有數量級的變化,在相同的動能沖擊下,沖擊力也有數量級的減少, 因此幾乎沒有橋式傳感器會沖擊斷裂的現象發生。
    四、總結
    從以上分析,我們可得出如下結論:在20公里/小時的動態衡器 中,在采集速度方面,使用橋式和柱式傳感器沒有本質區別,都能正 常使用;在抗沖擊力方面,橋式優于柱式傳感器;在安裝條件方面, 橋式傳感器明顯比柱式簡單;在動態衡器應用中,客戶可根據現場條 件和自身情況,選用橋式或柱式傳感器。
     
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