關(guān)于ETC計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)地磅用稱重傳感器選型的探

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。
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。

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。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。
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。

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?？傊?，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、低頻率前后振湯。
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:
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(jiàn)圖3。

1)當(dāng)秤臺(tái)與前限位器接觸時(shí)，傳感器受到軸向力， F = Fy X c o s a ° + Fx X s i n a
2)當(dāng)秤臺(tái)與前限位器不接觸時(shí)，
F = Fy X cos a ° 到 F = Fy X cos 0 ° 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) F = FyXco s a °中加波（中、高頻)，具體信號(hào)如下：
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(méi)有規(guī)律的，因此處理數(shù)據(jù)時(shí)，只取沒(méi)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。
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)⌒∮?個(gè)擺動(dòng)循環(huán)，采集時(shí)間占1個(gè)循環(huán)的2/3，則
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(kāi)裂。
原因分析：不倒翁轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的原因，當(dāng)?shù)鼗?，柱式傳感器?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：

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(méi)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(méi)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(méi)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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