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

發(fā)布時(shí)間：2018-10-17 07:49:21

關(guān)于 ETC 計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡用稱(chēng)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(chē)衡稱(chēng)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(chē)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(mén)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(chē)輛通過(guò)收費(fèi)門(mén)的速度， ETC 業(yè)務(wù)應(yīng)運(yùn)而生，現(xiàn)在小車(chē) ETC 計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)已成熟且全面推廣，但大型貨車(chē) ETC 計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)才剛剛起步。圖 1 電子汽車(chē)衡結(jié)構(gòu)組成圖對(duì)于大型貨車(chē) 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(chē)衡。動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡是從靜態(tài)汽車(chē)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(chē)衡，有人認(rèn)為采用柱式傳感器響應(yīng)頻率高，稱(chēng)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(chē)衡稱(chēng)重過(guò)程受力分析汽車(chē)行駛上動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡（以下簡(jiǎn)稱(chēng)秤臺(tái)）時(shí)，因汽車(chē)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(chēng)重運(yùn)動(dòng)到后限位器時(shí)產(chǎn)生反推力，以及汽車(chē) 的驅(qū)動(dòng)力，又將秤臺(tái)加速向前推去。在汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chēng)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(lèi) 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(chē)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(chē)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(chē)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(lèi)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。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(chē)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(chē)的振動(dòng)波形圖從這些力來(lái)分析，汽車(chē)的速度、驅(qū)動(dòng)力、剎車(chē)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(chē)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(chē)為半拖掛車(chē)。前輪到后輪大約 15 米，18 米-15 米=3 米。秤臺(tái)的車(chē)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(chǎng)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(mǎn)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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(xiàn)就纏在傳感器上，隨著次數(shù)的增多，電纜線(xiàn)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(chē)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(xiàn)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(hù)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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