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      關于 ETC 計重收費動態汽車衡用 稱重傳感器選型的探討
      發布時間:2018-10-17 07:49:21

      關于 ETC 計重收費動態汽車衡用 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 ETC 計重收費動態汽車衡稱重的整個過程進行了描述, 分析了傳感器在整個過程的受力情況,對如何選用柱式和橋式傳感器 做了介紹,為動態汽車衡設計和傳感器選型提供一些參考。 【關鍵詞】柱式 橋式 動態 頻率 隨著交通運輸業務的發展,高速公路計重收費的快速發展,公路 部門需加大設備建設的投資以及人員的投入,這高昂的成本就成了頭 疼的問題。為了減少收費人員的數量,加快車輛通過收費門的速度, ETC 業務應運而生,現在小車 ETC 計重收費系統已成熟且全面推廣, 但大型貨車 ETC 計重收費系統才剛剛起步。 圖 1 電子汽車衡結構組成圖 對于大型貨車 ETC 系統,其關鍵技術是計重,而計重的關鍵設備 為動態汽車衡。動態汽車衡是從靜態汽車衡發展而來,主要使用的傳 感器以柱式傳感器與橋式傳感器為主。 對于動態汽車衡,有人認為采用柱式傳感器響應頻率高,稱重精 度高;有人認為采用橋式傳感器精度穩定且便于安裝。關于柱式傳感 器與橋式傳感器的優劣問題一直爭論不休。那么,如何選用柱式傳感 器與橋式傳感器呢,本文將針對該問題重點進行分析介紹。 一、 動態汽車衡稱重過程受力分析 汽車行駛上動態汽車衡(以下簡稱秤臺)時,因汽車前輪的慣性 沖力將秤臺向前推去,當秤臺運動到前限位器時,限位將產生反推力, 又將秤臺向后推去。當稱重運動到后限位器時產生反推力,以及汽車 的驅動力,又將秤臺加速向前推去。在汽車完全行駛到秤臺上面前, 秤臺將持續加速振蕩,形成加速擺動現象,如下圖 2。 圖 2 秤臺擺動圖 當汽車完全行駛到秤臺上面時,通過其他地方產生的驅動力逐漸 消失,秤臺的前后振蕩頻率速度將不再加速。當汽車加速或減速時, 秤臺振蕩頻率也會加速減速??傊?,在整個汽車上秤臺前與上秤臺過 程中,秤臺會形成一個中、低頻率前后振蕩。 汽車的重量及其他推力振動等產生的力都由秤臺傳遞給傳感器, 由傳感器將這些力的信息準確快速的傳遞給儀表(電腦)進行數據處 理,最終通過稱重儀表顯示。秤臺受力分析如下: 表 1 秤臺受力分析表 力的種類 秤臺與后限位器接觸 秤臺與限位器脫離 秤臺與前限位器接觸 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 汽車驅動力 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 小 水平 小 水平 低頻率 中 上下 中 上下 發動機的振動 √ √ 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)當秤臺與前限位器接觸時,傳感器受到軸向力, ° ° 2)當秤臺與前限位器不接觸時, °°之間變化 如果考慮汽車驅動力等因素時,傳感器的信號只在主信號 °中加波(中、高頻),具體信號如下: 圖 4 正常振動波形圖 圖 5 加發動機的振動波形圖 圖 6 加汽車的振動波形圖 從這些力來分析,汽車的速度、驅動力、剎車等水平力造成秤臺 左右擺動,并接觸限位器,產生反推力。因速度驅動力有大有小,有 快有慢,造成反推力大小是沒有規律的,因此處理數據時,只取沒有 撞擊時的數據。這樣車輛的振動,發動機的振動等反向有規律的波動。 我們取大約不小于 3 個擺動,就能得到有效理想的數據,經過處理就 能得到相應精度。 下面我們計算秤臺上的采樣波動時間:秤臺長度一般單節 6 米, 共 3 節,長度為 18 米?,F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 -15 =3 米。 秤臺的車速為 20 公里/小時,3 /20 公里/小時=0.54 秒。 我們取小于 3 個擺動循環,采集時間占 1 個循環的 2/3,則 0.54/3*2/3=0.12 秒,即每個循環最長采集時間為 0.12 秒。 每 1 個波形,需取 10 個數(前擺 5 個,后擺 5 個),則每條采樣 時間為:0.012 秒(83Hz)。因此,傳感器的固有頻率大致在 83100Hz, 我們就可以得到有效數據。 為了提高衡器精度,現在的衡器采集頻率一般在 1000Hz,即每 秒中采集 1000 個數據。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,確實是柱式傳感器的固有頻率高 于橋式傳感器,這是不爭的事實。然而,衡器是由秤體、傳感器和儀 表組成的,衡器的響應速度才是決定使用性能的最終因素。衡器的響 應速度主要由秤體的響應速度、儀表的響應速度、傳感器的響應速度 共同決定。 隨著電子技術的飛速發展,制造高分辨率、高響應速度的儀表已 經不是難事,但是秤體的響應速度提高確實不易,目前各生產廠家的 秤體結構、使用材料大同小異,根據資料顯示,秤體的固有頻率通常 在 35Hz,且無法進一步提高,因此,從采樣頻率來說,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缺點對比如下: 1.柱式傳感器 優點:結構緊湊,體積小,固有頻率高,動態響應快。 缺點:抗側向和偏載能力較差,對加載點變化敏感,安裝要求高, 調整四角等操作較為繁瑣,傳感器不易固定易旋轉 ,加載頻率或重 量過大,容易導致傳感器開裂。 原因分析:不倒翁轉動產生的原因,當地基水平,柱式傳感器垂 直時,無論怎么擺動也不會旋轉;但當不水平時,就會存在偏轉,轉 動。如圖 8 所示: 圖 7 柱式傳感器安裝圖 當前后秤臺擺動時,秤臺也有可能產生旋轉擺動,帶動傳感器旋 轉擺動,這就是傳感器產生旋轉的原因。傳感器的電纜線就纏在傳感 器上,隨著次數的增多,電纜線就有可能拽斷,衡器產生故障。 在安裝衡器時,我們不可能將傳感器絕對的緊緊地與秤臺接觸, 肯定會存在一定的間隙。同時,在設計衡器支點時,我們最想讓支點 靠邊,減少翹板現象。但秤臺有厚度,在車的沖擊力等作用下,在秤 臺上面的沖擊力以及支點會產生轉矩,這樣就有一定的翹板現象。當 翹板力瞬間消失后,秤臺產生向下的沖擊力,間隙越大,沖擊力越大。 對于柱式傳感器,由上、下壓頭、傳感器以及秤臺、地基安裝板 組成,中間沒有任何柔性。當幾個重力加速度的沖擊力下來,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 優點:對加載點變化不敏感,抗偏載性能好,固有線性好,安裝 方便,傳感器固定不旋轉,制造成本低。 缺點:體積大,重量大,搬運笨重。 橋式傳感器是通過鋼球與秤臺連接,旋轉擺動時,只有鋼球轉動, 不會使傳感器旋轉。同時,對于橋式結構傳感器,其受力變化的擾度 有數量級的變化,在相同的動能沖擊下,沖擊力也有數量級的減少, 因此幾乎沒有橋式傳感器會沖擊斷裂的現象發生。 四、總結 從以上分析,我們可得出如下結論:在 20 公里/小時的動態衡器 中,在采集速度方面,使用橋式和柱式傳感器沒有本質區別,都能正 常使用;在抗沖擊力方面,橋式優于柱式傳感器;在安裝條件方面, 橋式傳感器明顯比柱式簡單;在動態衡器應用中,客戶可根據現場條 件和自身情況,選用橋式或柱式傳感器。

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