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  • 关于 ETC 计重收费动态汽车衡用 称重传感器选型

    文章出处:瑶朗 作者:瑶朗 人气: 时间:2019-11-30 15:45 【
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         【摘要】本文对 ETC 计重收费动态汽车衡称重的整个过程进行了描述, 分析了传感器在整个过程的受力情况,对如何选用柱式和桥式传感器 做了介绍,为动态汽车衡设计和传感器选型提供一些参考。
         【关键词】柱式 桥式 动态 频率
    随着交通运输业务的发展,高速公路计重收费的快速发展,公路 部门需加大设备建设的投资以及人员的投入,这高昂的成本就成了头 疼的问题。为了减少收费人员的数量,加快车辆通过收费门的速度, ETC 业务应运而生,现在小车 ETC 计重收费系统已成熟且全面推广, 但大型货车 ETC 计重收费系统才刚刚起步。 图 1 电子汽车衡结构组成图


           对于大型货车 ETC 系统,其关键技术是计重,而计重的关键设备 为动态汽车衡。动态汽车衡是从静态汽车衡发展而来,主要使用的传 感器以柱式传感器与桥式传感器为主。
    对于动态汽车衡,有人认为采用柱式传感器响应频率高,称重精 度高;有人认为采用桥式传感器精度稳定且便于安装。关于柱式传感 器与桥式传感器的优劣问题一直争论不休。那么,如何选用柱式传感 器与桥式传感器呢,本文将针对该问题重点进行分析介绍。

          一、 动态汽车衡称重过程受力分析
         汽车行驶上动态汽车衡(以下简称秤台)时,因汽车前轮的惯性 冲力将秤台向前推去,当秤台运动到前限位器时,限位将产生反推力, 又将秤台向后推去。当称重运动到后限位器时产生反推力,以及汽车 的驱动力,又将秤台加速向前推去。在汽车完全行驶到秤台上面前, 秤台将持续加速振荡,形成加速摆动现象,如下图 2。 图 2 秤台摆动图


            当汽车完全行驶到秤台上面时,通过其他地方产生的驱动力逐渐 消失,秤台的前后振荡频率速度将不再加速。当汽车加速或减速时, 秤台振荡频率也会加速减速。总之,在整个汽车上秤台前与上秤台过 程中,秤台会形成一个中、低频率前后振荡。
           汽车的重量及其他推力振动等产生的力都由秤台传递给传感器, 由传感器将这些力的信息准确快速的传递给仪表(电脑)进行数据处 理,最终通过称重仪表显示。秤台受力分析如下: 表 1 秤台受力分析表



            二、传感器采样频率方面分析 衡器用传感器一般有两种类型:柱式传感器和桥式传感器。柱式传 感器受力分析如下,见图 3。 图 3 柱式传感器受力图

            1)当秤台与前限位器接触时,传感器受到轴向力, ° °





           2)当秤台与前限位器不接触时,



               如果考虑汽车驱动力等因素时,传感器的信号只在主信号 °中加波(中、高频),具体信号如下: 图 4 正常振动波形图 图 5 加发动机的振动波形图 图 6 加汽车的振动波形图


           从这些力来分析,汽车的速度、驱动力、刹车等水平力造成秤台 左右摆动,并接触限位器,产生反推力。因速度驱动力有大有小,有 快有慢,造成反推力大小是没有规律的,因此处理数据时,只取没有 撞击时的数据。这样车辆的振动,发动机的振动等反向有规律的波动。 我们取大约不小于 3 个摆动,就能得到有效理想的数据,经过处理就 能得到相应精度。

          下面我们计算秤台上的采样波动时间:秤台长度一般单节 6 米, 共 3 节,长度为 18 米。现在公路上主要行驶的货车为半拖挂车。
           前轮到后轮大约 15 米,18 米-15 米=3 米。
          秤台的车速为 20 公里/小时,3 米/20 公里/小时=0.54 秒。
          我们取小于 3 个摆动循环,采集时间占 1 个循环的 2/3,则
          0.54/3*(2/3)=0.12 秒,即每个循环最长采集时间为 0.12 秒。
         每 1 个波形,需取 10 个数(前摆 5 个,后摆 5 个),则每条采样 时间为:0.012 秒(83Hz)。因此,传感器的固有频率大致在 83~100Hz, 我们就可以得到有效数据。
         为了提高衡器精度,现在的衡器采集频率一般在 1000Hz,即每 秒中采集 1000 个数据。在衡器上,传感器的采样频率大致为柱式固 有频率>10000Hz;桥式固有频率>1000Hz。

          单纯看两种传感器的固有频率,确实是柱式传感器的固有频率高 于桥式传感器,这是不争的事实。然而,衡器是由秤体、传感器和仪 表组成的,衡器的响应速度才是决定使用性能的最终因素。衡器的响 应速度主要由秤体的响应速度、仪表的响应速度、传感器的响应速度 共同决定。
    随着电子技术的飞速发展,制造高分辨率、高响应速度的仪表已 经不是难事,但是秤体的响应速度提高确实不易,目前各生产厂家的 秤体结构、使用材料大同小异,根据资料显示,秤体的固有频率通常 在 3~5Hz,且无法进一步提高,因此,从采样频率来说,两种传感器 均能满足需求。

         三、传感器安装方面分析
         柱式传感器与桥式传感器的优缺点对比如下:

        1.柱式传感器
         优点:结构紧凑,体积小,固有频率高,动态响应快。
         缺点:抗侧向和偏载能力较差,对加载点变化敏感,安装要求高, 调整四角等操作较为繁琐,传感器不易固定易旋转 ,加载频率或重 量过大,容易导致传感器开裂。
         原因分析:不倒翁转动产生的原因,当地基水平,柱式传感器垂 直时,无论怎么摆动也不会旋转;但当不水平时,就会存在偏转,转 动。如图 8 所示: 图 7 柱式传感器安装图


         当前后秤台摆动时,秤台也有可能产生旋转摆动,带动传感器旋 转摆动,这就是传感器产生旋转的原因。传感器的电缆线就缠在传感 器上,随着次数的增多,电缆线就有可能拽断,衡器产生故障。
         在安装衡器时,我们不可能将传感器绝对的紧紧地与秤台接触, 肯定会存在一定的间隙。同时,在设计衡器支点时,我们最想让支点 靠边,减少翘板现象。但秤台有厚度,在车的冲击力等作用下,在秤 台上面的冲击力以及支点会产生转矩,这样就有一定的翘板现象。当 翘板力瞬间消失后,秤台产生向下的冲击力,间隙越大,冲击力越大。
         对于柱式传感器,由上、下压头、传感器以及秤台、地基安装板 组成,中间没有任何柔性。当几个重力加速度的冲击力下来,这样的 集中冲击力,很有可能将传感器从中间冲裂。

         2.桥式传感器
         优点:对加载点变化不敏感,抗偏载性能好,固有线性好,安装 方便,传感器固定不旋转,制造成本低。
         缺点:体积大,重量大,搬运笨重。
        桥式传感器是通过钢球与秤台连接,旋转摆动时,只有钢球转动, 不会使传感器旋转。同时,对于桥式结构传感器,其受力变化的扰度 有数量级的变化,在相同的动能冲击下,冲击力也有数量级的减少, 因此几乎没有桥式传感器会冲击断裂的现象发生。

         四、总结
         
         从以上分析,我们可得出如下结论:在 20 公里/小时的动态衡器 中,在采集速度方面,使用桥式和柱式传感器没有本质区别,都能正 常使用;在抗冲击力方面,桥式优于柱式传感器;在安装条件方面, 桥式传感器明显比柱式简单;在动态衡器应用中,客户可根据现场条 件和自身情况,选用桥式或柱式传感器。


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