壓電式動態(tài)稱重傳感器優(yōu)化方法研究

崔嘯華 李浩

摘要：目前我國所使用的動態(tài)汽車衡對重車行車速度和行駛狀態(tài)十分敏感，針對這一問題，利用壓電石英傳感器的電敏特性，通過研究其布局，利用改進型Cebon算法對傳感器的布局進行了優(yōu)化。結果表明：優(yōu)化后的傳感器對重車行駛速度及行駛狀態(tài)的敏感度下降了40%。

關鍵詞：道路工程 重載公路 壓電石英傳感器 動態(tài)稱重

0 引言

隨著我國經濟跨越式發(fā)展，汽車保有量與日俱增，特別是貨運汽車，增量尤為明顯。據統(tǒng)計2014年我國各類貨運汽車銷量突破300萬量。這種井噴式的增長所引起的直接問題就是道路的擁堵。例如2014年9-12月京藏高速堵車達90天以上，堵車帶來的經濟損失甚至超過了貨運成本。導致這種現象的原因很多，最主要的有：路網設置不合理、道路資源匱乏、公路管理自動化程度低等。對于前兩種問題的解決方法只能通過政府部門長期不間斷的加大基礎設施建設去克服，而對于公路管理的問題可以通過科學的方法進行改進。目前重車擁堵的很大原因在于收費站點效率低，一輛重車進入收費站點進行稱重收費，在無糾紛的情況下至少需要20分鐘。部分地區(qū)使用彎板式動態(tài)汽車衡，因其對重車行駛狀態(tài)和速度較為敏感，因此通過速度較低，且容易發(fā)生糾紛。因此如能找出一種稱量精度高且對重車過稱速度和狀態(tài)不敏感的動態(tài)汽車衡就顯得意義重大。

1 稱重傳感器的選取

傳統(tǒng)的動態(tài)汽車衡主要依靠形變對惠斯頓電橋產生的傾斜大小來得到重量的，如果重車的行駛狀態(tài)在過秤時突然改變，如突然加速或減速，對稱量結果影響很大，因此穩(wěn)定性較差。壓電傳感器是基于壓電材料的壓電效應來測量汽車質量的，這種傳感器利用壓電材料的單方向受力敏感特性，當車輪通過其表面時會產生電荷，且具有只對一種方向的受力敏感的特性，石英SiO2是一種天然的壓電材料，當其表面受到外力作用時便會產生電荷，用于制造壓電石英動態(tài)汽車傳感器的石英晶體需要置于高溫、高壓（1000bar，400℃）下培養(yǎng)一周，再利用光學晶體測角儀測量出其晶體的方向，不同晶體只對一種方向的受力敏感。其具有橫向、縱向、剪切三種效應，石英晶體動態(tài)傳感器由壓電石英晶體構成，外部整體封裝，將一系列傳感器封裝于0.75m或1.75m的封裝材料中，上面層輔以瀝青或者水泥兩種材料，以適應于不同種類的路面[1-3]。整體結構如圖1所示。

壓電石英傳感器所具有的特點有：

①全密封結構，防水、防沙、耐腐蝕、堅固耐用、免維護。傳感器本身為全金屬結構，施工時利用密封材料澆鑄成一個整體，傳感器與路面之間平整無接縫，避免了泥沙的淤積，其內部沒有機械裝置，性能長期穩(wěn)定，使用壽命長達15年。

②動態(tài)精度高適用性強。壓電石英傳感器響應速度快，其對承載器的慣量反應能達到μs級別，而其對剪切力不敏感。這兩點決定了其對速度的適用范圍很大能達到0-200km/h且能適應各種彎道坡道等惡略地理環(huán)境，這是彎板所不能達到的。

③線性好，動態(tài)量程范圍寬。單只傳感器的稱量可達150kN，完全可以120噸以下的貨車稱量，在布設時如果構建成網狀結構在整個稱量過程中將具有很好的線性輸出。

因此能夠滿足高速行駛狀態(tài)下，快速響應，精確稱量的要求，必須使用壓電傳感器。壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。壓電傳感器結構簡單、體積小、質量小、功耗小、壽命長，特別是它具有良好的動態(tài)特性，因此適合有很寬頻帶的周期作用力和高速變化的沖擊力。

2 影響車輛動態(tài)稱重的因素

在實際運行當中，影響重車過秤精度的因素眾多，如路面平整度、車輛運行速度，車輛輪跡長度、空氣阻力等。在分析其運動狀態(tài)時，一般認為是理想狀態(tài)，即路面平整且在一條直線上路面波形完全符合正弦函數y0（t）=Hsin（ωt），其中H代表理想路面的震動幅度；ω=2πv/λ。其中：ω為轉軸頻率；λ為理想狀態(tài)下正玄波長；v為行車速度[4-5]。這時發(fā)現，重車稱量精度只與其自身震動狀態(tài)有關，而這種震動可以通過優(yōu)化傳感器布局進行抵消。

3 改進的Cebon計算方法

2000年英國科學家Cebon提出過一種采用樣本均值對誤差進行分析的方法，對這種方法進行改進，引入假設路面水平，將傳感器標記地點記為a1，a2，…an，F（an）表示振動荷載大小，FE為n個傳感器的多點誤差值。則FE可用下式計算：FE=F0- F（am）（1）

測量誤差可以認為是靜荷載差值與測量平均值的象限差。通過設定每只傳感器的間距，將振動頻率f、相位角φ和車速v代入表達式，可以計算測量誤差FE。因此，在一定范圍改變三個值，可求得在某個傳感器設置間距的測量誤差的最大值FEmax（0～∞）。使其值 FEmax=0時，FE為最佳值，這時計算其平均值為：

考慮到成本與收益的比率問題，一般情況下布設3-4排傳感器性價比最高。

考慮重車通過收費站的安全距離不高于20km/h，因此傳感器最佳間距在049～1.65之間，具體數值需要根據路面狀況進行校調。

4 計重收費

計重收費是車輛通過設置在收費站收費車道前真?zhèn)€動態(tài)稱重裝置、車輛分離裝置、車型識別裝置時，數據采集處理裝置將采集到的相關信息傳送至車道收費計算機，對通行車輛按軸重或總重的超限情況確定適當收費標準的通行費征收方式。計重收費不僅使收費的標準更趨公道，而且有效地遏制了超限運輸車輛對公路掠奪性使用，減少超限運輸給人民生命財產安全帶來的威脅，促進了我國交通運輸安全、規(guī)范、健康地發(fā)展。ZCS計重系統(tǒng)的工作原理是：車輛駛進收費車道，其輪軸依次壓過展設在車道路面中的高精度動態(tài)軸重儀、輪軸識別器，控制模塊將信號傳輸至數據采集處理器，經過預設的綜合動態(tài)數據處理程序，稱重數據處理器將計算出每軸軸重、總軸重、總車重、軸型（單軸、聯軸）、輪胎類型（單雙胎）等信息。安裝在路側的紅外線車輛分離變頻傳感器可正確判別車輛是否完全通過。

5 結論

優(yōu)化后的壓電石英傳感器對重車行駛狀態(tài)和速度不敏感，布設三排壓電石英傳感器時在重車過稱速度不高于60Km/h時誤差率低于±2.5%，將其與ETC設備進行整合可實現重車的不停車計重收費模式，這一模式將極大提高收費站點效率，有力的解決擁堵問題。

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