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關(guān)于 ETC 計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)汽車衡用 稱重傳感器選型的探討

 王小崗 1 ,付海亮 2 ,陳增典 2 （1．中航電測(cè)儀器股份有限公司，陜西，漢中 723007； 2.陜西四維科技有限公司，陜西，寶雞 721000） 【摘要】本文對(duì) ETC 計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)汽車衡稱重的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了描述， 分析了傳感器在整個(gè)過(guò)程的受力情況，對(duì)如何選用柱式和橋式傳感器 做了介紹，為動(dòng)態(tài)汽車衡設(shè)計(jì)和傳感器選型提供一些參考。 【關(guān)鍵詞】柱式 橋式 動(dòng)態(tài) 頻率 隨著交通運(yùn)輸業(yè)務(wù)的發(fā)展，高速公路計(jì)重收費(fèi)的快速發(fā)展，公路 部門需加大設(shè)備建設(shè)的投資以及人員的投入，這高昂的成本就成了頭 疼的問(wèn)題。為了減少收費(fèi)人員的數(shù)量，加快車輛通過(guò)收費(fèi)門的速度， ETC 業(yè)務(wù)應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)在小車 ETC 計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)已成熟且全面推廣， 但大型貨車 ETC 計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)才剛剛起步。 圖 1 電子汽車衡結(jié)構(gòu)組成圖 對(duì)于大型貨車 ETC 系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)是計(jì)重，而計(jì)重的關(guān)鍵設(shè)備 為動(dòng)態(tài)汽車衡。動(dòng)態(tài)汽車衡是從靜態(tài)汽車衡發(fā)展而來(lái)，主要使用的傳 感器以柱式傳感器與橋式傳感器為主。 對(duì)于動(dòng)態(tài)汽車衡，有人認(rèn)為采用柱式傳感器響應(yīng)頻率高，稱重精 度高；有人認(rèn)為采用橋式傳感器精度穩(wěn)定且便于安裝。關(guān)于柱式傳感 器與橋式傳感器的優(yōu)劣問(wèn)題一直爭(zhēng)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(duì)該問(wèn)題重點(diǎn)進(jìn)行分析介紹。 一、 動(dòng)態(tài)汽車衡稱重過(guò)程受力分析 汽車行駛上動(dòng)態(tài)汽車衡（以下簡(jiǎn)稱秤臺(tái)）時(shí)，因汽車前輪的慣性 沖力將秤臺(tái)向前推去，當(dāng)秤臺(tái)運(yùn)動(dòng)到前限位器時(shí)，限位將產(chǎn)生反推力， 又將秤臺(tái)向后推去。當(dāng)稱重運(yùn)動(dòng)到后限位器時(shí)產(chǎn)生反推力，以及汽車 的驅(qū)動(dòng)力，又將秤臺(tái)加速向前推去。在汽車完全行駛到秤臺(tái)上面前， 秤臺(tái)將持續(xù)加速振蕩，形成加速擺動(dòng)現(xiàn)象，如下圖 2。 圖 2 秤臺(tái)擺動(dòng)圖 當(dāng)汽車完全行駛到秤臺(tái)上面時(shí)，通過(guò)其他地方產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力逐漸 消失，秤臺(tái)的前后振蕩頻率速度將不再加速。當(dāng)汽車加速或減速時(shí)， 秤臺(tái)振蕩頻率也會(huì)加速減速。總之，在整個(gè)汽車上秤臺(tái)前與上秤臺(tái)過(guò) 程中，秤臺(tái)會(huì)形成一個(gè)中、低頻率前后振蕩。 汽車的重量及其他推力振動(dòng)等產(chǎn)生的力都由秤臺(tái)傳遞給傳感器， 由傳感器將這些力的信息準(zhǔn)確快速的傳遞給儀表（電腦）進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理，最終通過(guò)稱重儀表顯示。秤臺(tái)受力分析如下： 表 1 秤臺(tái)受力分析表 力的種類 秤臺(tái)與后限位器接觸 秤臺(tái)與限位器脫離 秤臺(tái)與前限位器接觸 是否 頻率 受力 受力 大小 受力 方向 是否 受力 受力 大小 受力 方向 是否 受力 受力 大小 受力 方向 汽車驅(qū)動(dòng)力 √ 大 水平 √ 大 水平 √ 小 低頻率 前限位器的 推力 大 水平 高頻率 小 上下 后限位器的 推力 √ 大 水平 高頻率 中 上下 汽車的振動(dòng) √ 小 水平 √ 小 水平 √ 低頻率 中 上下 中 上下 發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng) √ √ 小 水平 √ 高頻率 小 上下 其他推力 √ 小 水平 √ √ 低頻率 汽車的重量 √ √ √ 秤臺(tái)的重量 √ √ √ 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。 圖 3 柱式傳感器受力圖 1）當(dāng)秤臺(tái)與前限位器接觸時(shí)，傳感器受到軸向力， ° ° 2）當(dāng)秤臺(tái)與前限位器不接觸時(shí)， °到 °之間變化 如果考慮汽車驅(qū)動(dòng)力等因素時(shí)，傳感器的信號(hào)只在主信號(hào) °中加波（中、高頻），具體信號(hào)如下： 圖 4 正常振動(dòng)波形圖 圖 5 加發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)波形圖 圖 6 加汽車的振動(dòng)波形圖 從這些力來(lái)分析，汽車的速度、驅(qū)動(dòng)力、剎車等水平力造成秤臺(tái) 左右擺動(dòng)，并接觸限位器，產(chǎn)生反推力。因速度驅(qū)動(dòng)力有大有小，有 快有慢，造成反推力大小是沒有規(guī)律的，因此處理數(shù)據(jù)時(shí)，只取沒有 撞擊時(shí)的數(shù)據(jù)。這樣車輛的振動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)等反向有規(guī)律的波動(dòng)。 我們?nèi)〈蠹s不小于 3 個(gè)擺動(dòng)，就能得到有效理想的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理就 能得到相應(yīng)精度。 下面我們計(jì)算秤臺(tái)上的采樣波動(dòng)時(shí)間：秤臺(tái)長(zhǎng)度一般單節(jié) 6 米， 共 3 節(jié)，長(zhǎng)度為 18 米。現(xiàn)在公路上主要行駛的貨車為半拖掛車。 前輪到后輪大約 15 米，18 米-15 米=3 米。 秤臺(tái)的車速為 20 公里/小時(shí)，3 米/20 公里/小時(shí)=0.54 秒。 我們?nèi)⌒∮?3 個(gè)擺動(dòng)循環(huán)，采集時(shí)間占 1 個(gè)循環(huán)的 2/3，則 0.54/3*（2/3）=0.12 秒，即每個(gè)循環(huán)最長(zhǎng)采集時(shí)間為 0.12 秒。 每 1 個(gè)波形，需取 10 個(gè)數(shù)（前擺 5 個(gè)，后擺 5 個(gè)），則每條采樣 時(shí)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(shù)據(jù)。 為了提高衡器精度，現(xiàn)在的衡器采集頻率一般在 1000Hz，即每 秒中采集 1000 個(gè)數(shù)據(jù)。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(shí)是柱式傳感器的固有頻率高 于橋式傳感器，這是不爭(zhēng)的事實(shí)。然而，衡器是由秤體、傳感器和儀 表組成的，衡器的響應(yīng)速度才是決定使用性能的最終因素。衡器的響 應(yīng)速度主要由秤體的響應(yīng)速度、儀表的響應(yīng)速度、傳感器的響應(yīng)速度 共同決定。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，制造高分辨率、高響應(yīng)速度的儀表已 經(jīng)不是難事，但是秤體的響應(yīng)速度提高確實(shí)不易，目前各生產(chǎn)廠家的 秤體結(jié)構(gòu)、使用材料大同小異，根據(jù)資料顯示，秤體的固有頻率通常 在 3～5Hz,且無(wú)法進(jìn)一步提高，因此，從采樣頻率來(lái)說(shuō)，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(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下： 1．柱式傳感器 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，固有頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 缺點(diǎn)：抗側(cè)向和偏載能力較差，對(duì)加載點(diǎn)變化敏感，安裝要求高， 調(diào)整四角等操作較為繁瑣，傳感器不易固定易旋轉(zhuǎn) ，加載頻率或重 量過(guò)大，容易導(dǎo)致傳感器開裂。 原因分析：不倒翁轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，當(dāng)?shù)鼗剑絺鞲衅鞔?直時(shí)，無(wú)論怎么擺動(dòng)也不會(huì)旋轉(zhuǎn)；但當(dāng)不水平時(shí)，就會(huì)存在偏轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn) 動(dòng)。如圖 8 所示： 圖 7 柱式傳感器安裝圖 當(dāng)前后秤臺(tái)擺動(dòng)時(shí)，秤臺(tái)也有可能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)，帶動(dòng)傳感器旋 轉(zhuǎn)擺動(dòng)，這就是傳感器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的原因。傳感器的電纜線就纏在傳感 器上，隨著次數(shù)的增多，電纜線就有可能拽斷，衡器產(chǎn)生故障。 在安裝衡器時(shí)，我們不可能將傳感器絕對(duì)的緊緊地與秤臺(tái)接觸， 肯定會(huì)存在一定的間隙。同時(shí)，在設(shè)計(jì)衡器支點(diǎn)時(shí)，我們最想讓支點(diǎn) 靠邊，減少翹板現(xiàn)象。但秤臺(tái)有厚度，在車的沖擊力等作用下，在秤 臺(tái)上面的沖擊力以及支點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這樣就有一定的翹板現(xiàn)象。當(dāng) 翹板力瞬間消失后，秤臺(tái)產(chǎn)生向下的沖擊力，間隙越大，沖擊力越大。 對(duì)于柱式傳感器，由上、下壓頭、傳感器以及秤臺(tái)、地基安裝板 組成，中間沒有任何柔性。當(dāng)幾個(gè)重力加速度的沖擊力下來(lái)，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(yōu)點(diǎn)：對(duì)加載點(diǎn)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(zhuǎn)，制造成本低。 缺點(diǎn)：體積大，重量大，搬運(yùn)笨重。 橋式傳感器是通過(guò)鋼球與秤臺(tái)連接，旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)時(shí)，只有鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)， 不會(huì)使傳感器旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，對(duì)于橋式結(jié)構(gòu)傳感器，其受力變化的擾度 有數(shù)量級(jí)的變化，在相同的動(dòng)能沖擊下，沖擊力也有數(shù)量級(jí)的減少， 因此幾乎沒有橋式傳感器會(huì)沖擊斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。 四、總結(jié) 從以上分析，我們可得出如下結(jié)論：在 20 公里/小時(shí)的動(dòng)態(tài)衡器 中，在采集速度方面，使用橋式和柱式傳感器沒有本質(zhì)區(qū)別，都能正 常使用；在抗沖擊力方面，橋式優(yōu)于柱式傳感器；在安裝條件方面， 橋式傳感器明顯比柱式簡(jiǎn)單；在動(dòng)態(tài)衡器應(yīng)用中，客戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條 件和自身情況，選用橋式或柱式傳感器。

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