石英式動(dòng)態(tài)地磅的設計與實(shí)現

1.系統組成及工作原理

1． 1  系統組成

如圖 1 所示，石英式動(dòng)態(tài)地磅主要由稱(chēng)重石英壓電傳感器、電荷放大器、數據采集卡、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重控制器、指示裝置、野外機柜等構成。組成框圖如圖 1。

其中地面傳感裝置包括石英壓電傳感器、環(huán)形線(xiàn)圈兩部分。

1． 2 工作原理

石英式動(dòng)態(tài)地磅工作原理是當車(chē)輛正常通過(guò)傳感器時(shí)，每個(gè)車(chē)輪的動(dòng)態(tài)車(chē)輪力施加到傳感器表面，石英傳感器壓電效應將車(chē)輪力轉化為電荷信號，電荷信號經(jīng)過(guò)電荷放大器的放大和高、低通濾波處理后進(jìn)入數據采集卡，采集卡完成模擬電荷信號到數字電壓信號的轉化，稱(chēng)重控制器通過(guò) PCI 總線(xiàn)獲取采集卡數字電壓信號后經(jīng)過(guò)系統軟件的分析運算得到車(chē)輛軸載荷以及總載荷信息，稱(chēng)量結果在指示裝置進(jìn)行顯示，完成一輛車(chē)的稱(chēng)量過(guò)程。

1． 3 檢測數據

本系統檢測數據全面，配合車(chē)牌識別裝置，可獲得軸載荷、總載荷、軸型、軸間距、總軸距、軸數、車(chē)型、車(chē)長(cháng)、車(chē)牌號、通過(guò)速度、通過(guò)加速度、通過(guò)時(shí)間、通過(guò)車(chē)道、違例( 超重、超速) 等 14 項車(chē)輛信息參數，其中絕大多數來(lái)源于石英壓電傳感器的信號。

2.關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現

本系統與國內其它動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統相比，最顯著(zhù)的優(yōu)勢在于真正突破實(shí)現了對高速通行車(chē)輛的軸載測量，而高速狀態(tài)下動(dòng)態(tài)稱(chēng)重功能的實(shí)現和軸載測量精度則主要依賴(lài)于先進(jìn)的石英壓電傳感器和優(yōu)良的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重軸載計算方法。同時(shí)，系統低功耗的特點(diǎn)很好地滿(mǎn)足了系統在無(wú)法進(jìn)行電纜供電路段安裝應用的需求。

2． 1 石英壓電傳感器

( 1) 壓電材料

本傳感器選用石英晶體片作為壓電材料，該材料的主要性能特點(diǎn)是: 壓電常數小，時(shí)間和溫度穩定性極好; 機械強度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好; 居里點(diǎn) 573 ℃ ，無(wú)熱釋電性，且絕緣性、重復性均好。由于固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好，因此利用石英壓電材料制作的傳感器在動(dòng)態(tài)測量方面具有其它材料所不能比擬的優(yōu)良性能。

( 2) 結構設計本傳感器的傳力板和承力板均為整體結

構，并為剛性金屬構件; 它們之間置有均勻分布的壓電元件和傳力片; 壓電元件和傳力片外側設有絕緣套和屏蔽定位環(huán)，絕緣密封層將其余空間填滿(mǎn); 預緊螺栓將傳力板、承力板以及置于它們之間的壓力感應單元聯(lián)結，它既是傳力板和承力板的結構連接部件，又構成了壓力感應單元的預緊裝置;定位環(huán)將傳力板和承力板準確定位并防止水平方向位移。

傳感器從單體長(cháng)度上分為 750 和 900 mm 兩種規格，上表面、下底面寬度均為 50 mm、90 mm。根據不同的道路路面寬度，按實(shí)際安裝需求可將多根傳感器以橫向、緊密排列方式進(jìn)行組合，來(lái)覆蓋整個(gè)車(chē)道寬度，以做到對正常通過(guò)車(chē)輛無(wú)漏檢。

( 3) 特點(diǎn)

傳感器在公路車(chē)輛運行狀態(tài)下的軸載荷測量中已進(jìn)行了廣泛應用。結果表明，傳感器的設計完全能夠滿(mǎn)足系統性能的各項要求，具有以下諸多特點(diǎn): 頻率響應范圍寬，低至接近 0、高至 50KHz 以上，速度測量范圍大; 量程與鑒別閾之比大，測量范圍寬，靈敏度高，可測量上至百?lài)嵼d荷，下至幾十公斤的動(dòng)態(tài)力; 剛度大、固有頻率高( 幾十千赫以上) ，動(dòng)態(tài)響應快; 時(shí)間老化率低，無(wú)熱釋電現象，可靠性高，壽命長(cháng); 對溫度的敏感性低，溫度誤差小; 良好的絕緣、抗噪聲及防水密封性能; 無(wú)信號漂移，工作穩定; 測點(diǎn)間靈敏度差≤ ± 3% ，保證了同一輛車(chē)通過(guò)傳感器的位置不同，但輸出信號穩定; 無(wú)需經(jīng)常校準，需要時(shí)可通過(guò)系統軟件補償修正; 能有效隔離水平方向的壓力; 體積小、重量輕，安裝時(shí)對路面開(kāi)挖小; 固定安裝于工作路面上，傳感器表面與路面齊平，不影響車(chē)輛行駛。

2． 2 軸載計算方法

動(dòng)態(tài)稱(chēng)重時(shí)，車(chē)輪通過(guò)稱(chēng)重裝置的時(shí)間很短，并且有很多的干擾因素，如車(chē)速、車(chē)輛自身諧振、路面激勵等。因此，如何準確測出真實(shí)軸重就成為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵。目前車(chē)輛動(dòng)態(tài)稱(chēng)重數據處理方法主要有以下幾種: 濾波法、積分法、經(jīng)驗模態(tài)分解 ( EMD) 方法和模型參數估計等。其中積分法精度相對較高，但需大量的數據才能保證精度，這也是提高車(chē)輛通過(guò)速度時(shí)，測量精度就無(wú)法保證的原因所在。

通過(guò)大量的試驗、數據回歸及反復驗證，本系統形成了一套優(yōu)良的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重軸載計算方法。該方法首先對采集數據進(jìn)行積分，然后代入經(jīng)驗公式，再對計算結果進(jìn)行速度等修正，從而得到車(chē)輛的準確軸載。經(jīng)試驗證明，該方法在動(dòng)態(tài)稱(chēng)重軸載計算方面具有較高的精度，且簡(jiǎn)便易行。

2． 3 動(dòng)態(tài)稱(chēng)重控制器

一般的工控機只能采用電纜供電，因此嚴重制約了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統向低功耗、嵌入式方向發(fā)展。本系統采用研華最新推出的低功耗嵌入式數據采集一體機 PEC － 3710，取代傳統的工控機進(jìn)行數據采集，從而使整個(gè)系統得以在低功耗下正常工作。

PEC － 3710 是獨立的數據采集控制器，將低功耗 CPU 和多功能數據采集卡整合成為一個(gè)產(chǎn)品。提供 16 － ch 模擬輸入，4 － ch 模擬輸出，16 － ch 隔離數字輸入，16 － ch 隔離數字輸出，支持串口通訊和網(wǎng)絡(luò )通訊。適用于需要高度集成和高度可靠特別是僅提供太陽(yáng)能供電的應用場(chǎng)合，內置的驅動(dòng)和系統軟件可加速您的應用開(kāi)發(fā)。

本系統主要應用了 PEC － 3710 的模擬輸入和隔離數字輸入部分，其主要規格和技術(shù)指標如表 1 所示。

度集成、高度可靠、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。選擇 PEC － 3710 作為數據采集處理主機，使本系統能夠可靠應用于更嚴酷的外場(chǎng)環(huán)境或無(wú)法進(jìn)行電纜供電的路段，大大提高了產(chǎn)品自身的市場(chǎng)競爭力。

3.系統性能

石英式動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統研發(fā)主要是為了對路上正常行使車(chē)輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)不停車(chē)稱(chēng)重，用于超載判別和處罰，其具體技術(shù)指標見(jiàn)表 2。