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關于 ETC 計重收費動態(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(tài)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(tài)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(tài) 頻率 隨著交通運輸業(yè)務的發(fā)展，高速公路計重收費的快速發(fā)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(yè)務應運而生，現在小車 ETC 計重收費系統(tǒng)已成熟且全面推廣， 但大型貨車 ETC 計重收費系統(tǒng)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(tǒng)，其關鍵技術是計重，而計重的關鍵設備 為動態(tài)汽車衡。動態(tài)汽車衡是從靜態(tài)汽車衡發(fā)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(tài)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(wěn)定且便于安裝。關于柱式傳感 器與橋式傳感器的優(yōu)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(tài)汽車衡稱重過程受力分析 汽車行駛上動態(tài)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(xù)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。總之，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(fā)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， °到 °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(fā)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(guī)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(fā)動機的振動等反向有規(guī)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(jié) 6 米， 共 3 節(jié)，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 米-15 米=3 米。 秤臺的車速為 20 公里/小時，3 米/20 公里/小時=0.54 秒。 我們取小于 3 個擺動循環(huán)，采集時間占 1 個循環(huán)的 2/3，則 0.54/3*（2/3）=0.12 秒，即每個循環(huán)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 83～100Hz， 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(fā)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 3～5Hz,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(yōu)缺點對比如下： 1．柱式傳感器 優(yōu)點：結構緊湊，體積小，固有頻率高，動態(tài)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(yōu)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(fā)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(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單；在動態(tài)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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