石英壓電式輪軸識(shí)別器在公路超限檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉衛(wèi)軍

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

石英壓電式輪軸識(shí)別器在公路超限檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉衛(wèi)軍

(山西欣奧特自動(dòng)化工程有限公司，山西 太原 030012)

闡述了石英壓電式輪軸識(shí)別器在公路超限檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以自動(dòng)檢測(cè)出車輛通過(guò)超限檢測(cè)站時(shí)的軸型、胎型、軸數(shù)，根據(jù)現(xiàn)行按照車型判別限重的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)完全意義上不停車自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)檢測(cè)，為超限檢測(cè)站機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行提供了便捷。

石英壓電式輪軸識(shí)別器；超限檢測(cè)系統(tǒng)；自動(dòng)識(shí)別

1 技術(shù)應(yīng)用的社會(huì)背景

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展,公路貨運(yùn)需求持續(xù)增長(zhǎng)。公路貨運(yùn)車輛超限超載不僅損壞公路路產(chǎn)，擾亂運(yùn)輸市場(chǎng)，還對(duì)交通安全構(gòu)成極大威脅，已成為危害公路交通可持續(xù)發(fā)展的“頑疾”。為了突出源頭治理、強(qiáng)化執(zhí)法力度、建立長(zhǎng)效機(jī)制，新的《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》[1]提出：

第一條 為加強(qiáng)超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理，保障公路設(shè)施和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，根據(jù)《公路法》《公路安全保護(hù)條例》等法律、行政法規(guī)，制定本規(guī)定。

第二條 超限運(yùn)輸車輛通過(guò)公路進(jìn)行貨物運(yùn)輸，應(yīng)當(dāng)遵守本規(guī)定。

第三條 本規(guī)定所稱超限運(yùn)輸車輛，是指有下列情形之一的貨物運(yùn)輸車輛：

(一) 二軸貨車，其車貨總質(zhì)量超過(guò)18 000千克；

(二) 三軸貨車，其車貨總質(zhì)量超過(guò)25 000千克；三軸汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過(guò)27 000千克；

(三) 四軸貨車，其車貨總質(zhì)量超過(guò)31 000千克；四軸汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過(guò)36 000千克；

(四) 五軸汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過(guò)43 000千克；

(五) 六軸及六軸以上汽車列車，其車貨總質(zhì)量超過(guò)49 000千克，其中牽引車驅(qū)動(dòng)軸為單軸的，其車貨總質(zhì)量超過(guò)46 000千克。

前款規(guī)定的限定標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)定，還應(yīng)當(dāng)遵守下列要求:

(一) 二軸組按照二個(gè)軸計(jì)算，三軸組按照三個(gè)軸計(jì)算；

(二) 除驅(qū)動(dòng)軸外，二軸組、三軸組以及半掛車和全掛車的車軸每側(cè)輪胎按照雙輪胎計(jì)算，若每軸每側(cè)輪胎為單輪胎，限定標(biāo)準(zhǔn)減少3 000千克，但安裝符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的加寬輪胎的除外；

(三) 車輛最大允許總質(zhì)量不應(yīng)超過(guò)各車軸最大允許軸荷之和；

(四) 拖拉機(jī)、農(nóng)用車、低速貨車，以行駛證核定的總質(zhì)量為限定標(biāo)準(zhǔn)；

(五) 符合《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》(GB1589)規(guī)定的冷藏車、汽車列車、安裝空氣懸架的車輛，以及專用作業(yè)車，不認(rèn)定為超限運(yùn)輸車輛[1]。

按照以上新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，2軸貨車車貨總重不得超過(guò)18噸；3軸貨車不得超過(guò)25噸，3軸汽車列車不得超過(guò)27噸；4軸貨車不得超過(guò)31噸，4軸汽車列車不得超過(guò)36噸；5軸汽車列車不得超過(guò)43噸；6軸及6軸以上汽車列車不得超過(guò)49噸，其中牽引車驅(qū)動(dòng)軸為單軸的，其車貨總質(zhì)量不得超過(guò)46噸。從2006年山西省治超檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)以來(lái)，各治超檢測(cè)系統(tǒng)采用的識(shí)別方法是按軸數(shù)計(jì)算載荷重量，既2軸貨車車貨總重不得超過(guò)20噸；3軸貨車車貨總重不得超過(guò)30噸；4軸貨車車貨總重不得超過(guò)40噸；5軸汽車車貨總重不得超過(guò)50噸；6軸貨車車貨總重不得超過(guò)55噸。原標(biāo)準(zhǔn)在交通部62令實(shí)施之后同時(shí)廢止.我們可以看出，原標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)秤臺(tái)、儀表來(lái)判別單軸載荷重量，新標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)輪軸識(shí)別器判別軸型、胎型，即每軸每側(cè)輪胎為單輪胎，限定標(biāo)準(zhǔn)減少3 000千克，所以根據(jù)新標(biāo),超限檢測(cè)系統(tǒng)須加裝輪軸識(shí)別器來(lái)判別軸型、胎型。

2 技術(shù)應(yīng)用的成熟性闡述

2.1 石英壓電式輪軸識(shí)別器特點(diǎn)

石英壓電式輪軸識(shí)別器是為了配合貨運(yùn)裝載源頭科技治超監(jiān)管系統(tǒng)實(shí)施方案設(shè)計(jì)，此系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出通過(guò)車輛的軸數(shù)、輪數(shù)、軸型，從而準(zhǔn)確的鑒別出車型；可以單獨(dú)使用也可以和其他系統(tǒng)如稱重系統(tǒng)、車牌自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等集成應(yīng)用組成一個(gè)完整的自動(dòng)車輛檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 輪軸識(shí)別器尺寸圖

2.2 石英壓電式輪軸識(shí)別器介紹

輪軸識(shí)別器由石英式壓力傳感器、傳感器密封膠、中心控制器組成。石英壓電輪軸識(shí)別器是利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。基于動(dòng)態(tài)測(cè)量石英技術(shù)的輪軸識(shí)別器可用于惡劣環(huán)境，是適合惡劣環(huán)境條件下不同速度判別軸型的最準(zhǔn)確、可靠的輪軸識(shí)別器。此輪軸數(shù)經(jīng)過(guò)處理器計(jì)算后通過(guò)通訊口輸出給相關(guān)的設(shè)備。檢測(cè)輪軸的傳感器安裝在道路下面，不受雨、雪、霧、低溫等惡劣環(huán)境影響，使得設(shè)備工作穩(wěn)定、檢測(cè)可靠、使用壽命長(zhǎng)。

2.3 石英壓電式輪軸識(shí)別器檢測(cè)系統(tǒng)特性

> 可以檢測(cè)出車輛軸數(shù)，輪數(shù)；

> 檢測(cè)速度0～50 km/h；

> 檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口輸出；

> 支持RS232串口、RS485接口；

> 電源、數(shù)據(jù)輸入輸出安全隔離設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)；

> 壓力傳感器標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度：1.55 m(普通車道)、2.05 m(超寬車道)；

> 控制器可獨(dú)立使用，占地小，如圖2；

> 供電方式：5 V電源適配器；

> 工作溫度：-200 ℃～+200 ℃；

> 對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性極好，無(wú)“老化現(xiàn)象”，不需要或很少需要重復(fù)校準(zhǔn)，并具有不低于10年的使用壽命；

> 石英壓電輪軸識(shí)別器耐久性測(cè)試試驗(yàn)期間內(nèi)經(jīng)受5 400 000次的50 kN載荷變化，設(shè)備沒(méi)有任何受損跡象。

圖2 控制器

2.4 安裝布局

為了便于稱重儀表處理器的邏輯運(yùn)算和貨運(yùn)車輛行駛軌跡，識(shí)別器距離稱重平臺(tái)邊700 mm，距離護(hù)島邊100 mm。

圖3 設(shè)備安裝布局圖

2.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

使用石英壓電式輪軸識(shí)別器的情況下，新系統(tǒng)比原系統(tǒng)增加了車型、軸數(shù)功能，滿足交通部新標(biāo)準(zhǔn)下根據(jù)車型判別設(shè)定貨運(yùn)車輛限重。

圖4 系統(tǒng)界面圖

2.6 新技術(shù)、新工藝

> 識(shí)別器路面施工切口：6 cm寬、5 cm深；

> 采用專用膠一次性澆注，安裝后嵌入路基，與路面形成一個(gè)整體，無(wú)需排水，免去應(yīng)用中的日常維護(hù)；

> 施工簡(jiǎn)單、免維護(hù)，切槽、安裝、調(diào)試 2小時(shí)即可完成，24小時(shí)后達(dá)到密封專用膠的強(qiáng)度，可以通車。

圖5 施工安裝圖

3 技術(shù)應(yīng)用的原理分析

3.1 壓電效應(yīng)機(jī)理分析

具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然的石英晶體、人造的壓電陶瓷等，現(xiàn)以石英晶體為例，說(shuō)明壓電效應(yīng)機(jī)理。如圖6所示為石英晶體切片，石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。坐標(biāo)軸定義如下：

X軸：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱為電軸。

Y軸：垂直于平行柱面，在電場(chǎng)作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。

Z軸：無(wú)壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。

圖6 石英晶體切片圖

硅離子有4個(gè)正電荷，氧離子有2個(gè)負(fù)電荷，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。

3.2 結(jié)構(gòu)特性

1) 沿Y軸方向作用拉力與沿X軸方向作用壓力，晶胞結(jié)構(gòu)變形相同，因而產(chǎn)生的電荷極性相同，同樣道理，沿X軸方向作用拉力與沿Y軸方向作用壓力而產(chǎn)生的電荷極性相同；

2) 在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，當(dāng)沿X軸方向作用壓力FX時(shí)，在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生的電荷量為Q=d11FX；

3) 如果沿Y軸方向作用壓力Fy時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸相垂直的平面上，其電荷量為Q=d12 l/δ Fy=-d11 l/δ Fy。

l為石英晶片的長(zhǎng)度，δ為晶片的厚度，d12為沿Y軸方向施力的壓電常數(shù)，由于石英晶體的軸對(duì)稱，所以d12=-d11。負(fù)號(hào)表示所產(chǎn)生的電荷極性相反。

4 技術(shù)應(yīng)用達(dá)到的質(zhì)量目標(biāo)和市場(chǎng)前景

4.1 石英壓電式輪軸識(shí)別器在公路超限檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)指標(biāo)

> 識(shí)別貨運(yùn)車輛軸型、胎型、軸數(shù)，正確率達(dá)到99.9%以上；

> 平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)100 000 h，平均維修時(shí)間(MTTR)30 min；

> 采用單片機(jī)技術(shù)，對(duì)目前超限檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)須改動(dòng)，直接在車道切槽安裝，控制器與串口進(jìn)行連接。

5 結(jié)論

本文對(duì)石英壓電式輪軸識(shí)別器在公路超限檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用做了全面的闡述及相應(yīng)的解決方案，將該系統(tǒng)應(yīng)用在超限檢測(cè)系統(tǒng)中施工簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，為超限檢測(cè)站機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行提供了便捷。

[1] 楊傳堂.超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定 (交通運(yùn)輸部令2016年第62號(hào))[S].2016.

Application of Quartz Piezoelectric Axle Recognizer in Highway Overrun Detection System

Liu Weijun

(ShanxiXinAutomationEngineeringCo.Ltd.,TaiyuanShanxi030012,China)

This article expounds the quartz piezoelectric axle recognizer application in highway overrun detection system, which can automatically detect the shaft model, the tire model and the shaft number of vehicle when passing the transfinite testing station, and according to the current weight limits criterion of vehicle type, achieve the automatic recognition and automatic detection of no stopping in full sense, it provides convenience for the normal operation of the mechanical and electrical equipment of the overrun detection station.

quartz piezoelectric axle recognizer; overrun detection system; automatic identification

2016-10-11

劉衛(wèi)軍(1983- )，男，山西代縣人，工程師，大學(xué)本科，主要從事電子信息工程管理、公路機(jī)電工程管理等工作。

1674- 4578(2016)06- 0018- 03

U492.32；TP274

A