石英式動態(tài)地磅的設(shè)計與實現(xiàn)

1.系統(tǒng)組成及工作原理

1． 1  系統(tǒng)組成

如圖 1 所示，石英式動態(tài)地磅主要由稱重石英壓電傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡、動態(tài)稱重控制器、指示裝置、野外機柜等構(gòu)成。組成框圖如圖 1。

其中地面?zhèn)鞲醒b置包括石英壓電傳感器、環(huán)形線圈兩部分。

1． 2 工作原理

石英式動態(tài)地磅工作原理是當(dāng)車輛正常通過傳感器時，每個車輪的動態(tài)車輪力施加到傳感器表面，石英傳感器壓電效應(yīng)將車輪力轉(zhuǎn)化為電荷信號，電荷信號經(jīng)過電荷放大器的放大和高、低通濾波處理后進入數(shù)據(jù)采集卡，采集卡完成模擬電荷信號到數(shù)字電壓信號的轉(zhuǎn)化，稱重控制器通過 PCI 總線獲取采集卡數(shù)字電壓信號后經(jīng)過系統(tǒng)軟件的分析運算得到車輛軸載荷以及總載荷信息，稱量結(jié)果在指示裝置進行顯示，完成一輛車的稱量過程。

1． 3 檢測數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)全面，配合車牌識別裝置，可獲得軸載荷、總載荷、軸型、軸間距、總軸距、軸數(shù)、車型、車長、車牌號、通過速度、通過加速度、通過時間、通過車道、違例( 超重、超速) 等 14 項車輛信息參數(shù)，其中絕大多數(shù)來源于石英壓電傳感器的信號。

2.關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)與國內(nèi)其它動態(tài)稱重系統(tǒng)相比，最顯著的優(yōu)勢在于真正突破實現(xiàn)了對高速通行車輛的軸載測量，而高速狀態(tài)下動態(tài)稱重功能的實現(xiàn)和軸載測量精度則主要依賴于先進的石英壓電傳感器和優(yōu)良的動態(tài)稱重軸載計算方法。同時，系統(tǒng)低功耗的特點很好地滿足了系統(tǒng)在無法進行電纜供電路段安裝應(yīng)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是: 壓電常數(shù)小，時間和溫度穩(wěn)定性極好; 機械強度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好; 居里點 573 ℃ ，無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。由于固有頻率高、動態(tài)特性好，因此利用石英壓電材料制作的傳感器在動態(tài)測量方面具有其它材料所不能比擬的優(yōu)良性能。

( 2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計本傳感器的傳力板和承力板均為整體結(jié)

構(gòu)，并為剛性金屬構(gòu)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(cè)設(shè)有絕緣套和屏蔽定位環(huán)，絕緣密封層將其余空間填滿; 預(yù)緊螺栓將傳力板、承力板以及置于它們之間的壓力感應(yīng)單元聯(lián)結(jié)，它既是傳力板和承力板的結(jié)構(gòu)連接部件，又構(gòu)成了壓力感應(yīng)單元的預(yù)緊裝置;定位環(huán)將傳力板和承力板準(zhǔn)確定位并防止水平方向位移。

傳感器從單體長度上分為 750 和 900 mm 兩種規(guī)格，上表面、下底面寬度均為 50 mm、90 mm。根據(jù)不同的道路路面寬度，按實際安裝需求可將多根傳感器以橫向、緊密排列方式進行組合，來覆蓋整個車道寬度，以做到對正常通過車輛無漏檢。

( 3) 特點

傳感器在公路車輛運行狀態(tài)下的軸載荷測量中已進行了廣泛應(yīng)用。結(jié)果表明，傳感器的設(shè)計完全能夠滿足系統(tǒng)性能的各項要求，具有以下諸多特點: 頻率響應(yīng)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，可測量上至百噸載荷，下至幾十公斤的動態(tài)力; 剛度大、固有頻率高( 幾十千赫以上) ，動態(tài)響應(yīng)快; 時間老化率低，無熱釋電現(xiàn)象，可靠性高，壽命長; 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; 無信號漂移，工作穩(wěn)定; 測點間靈敏度差≤ ± 3% ，保證了同一輛車通過傳感器的位置不同，但輸出信號穩(wěn)定; 無需經(jīng)常校準(zhǔn)，需要時可通過系統(tǒng)軟件補償修正; 能有效隔離水平方向的壓力; 體積小、重量輕，安裝時對路面開挖小; 固定安裝于工作路面上，傳感器表面與路面齊平，不影響車輛行駛。

2． 2 軸載計算方法

動態(tài)稱重時，車輪通過稱重裝置的時間很短，并且有很多的干擾因素，如車速、車輛自身諧振、路面激勵等。因此，如何準(zhǔn)確測出真實軸重就成為動態(tài)稱重系統(tǒng)的技術(shù)難點和關(guān)鍵。目前車輛動態(tài)稱重數(shù)據(jù)處理方法主要有以下幾種: 濾波法、積分法、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解 ( EMD) 方法和模型參數(shù)估計等。其中積分法精度相對較高，但需大量的數(shù)據(jù)才能保證精度，這也是提高車輛通過速度時，測量精度就無法保證的原因所在。

通過大量的試驗、數(shù)據(jù)回歸及反復(fù)驗證，本系統(tǒng)形成了一套優(yōu)良的動態(tài)稱重軸載計算方法。該方法首先對采集數(shù)據(jù)進行積分，然后代入經(jīng)驗公式，再對計算結(jié)果進行速度等修正，從而得到車輛的準(zhǔn)確軸載。經(jīng)試驗證明，該方法在動態(tài)稱重軸載計算方面具有較高的精度，且簡便易行。

2． 3 動態(tài)稱重控制器

一般的工控機只能采用電纜供電，因此嚴重制約了動態(tài)稱重系統(tǒng)向低功耗、嵌入式方向發(fā)展。本系統(tǒng)采用研華最新推出的低功耗嵌入式數(shù)據(jù)采集一體機 PEC － 3710，取代傳統(tǒng)的工控機進行數(shù)據(jù)采集，從而使整個系統(tǒng)得以在低功耗下正常工作。

PEC － 3710 是獨立的數(shù)據(jù)采集控制器，將低功耗 CPU 和多功能數(shù)據(jù)采集卡整合成為一個產(chǎn)品。提供 16 － ch 模擬輸入，4 － ch 模擬輸出，16 － ch 隔離數(shù)字輸入，16 － ch 隔離數(shù)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能供電的應(yīng)用場合，內(nèi)置的驅(qū)動和系統(tǒng)軟件可加速您的應(yīng)用開發(fā)。

本系統(tǒng)主要應(yīng)用了 PEC － 3710 的模擬輸入和隔離數(shù)字輸入部分，其主要規(guī)格和技術(shù)指標(biāo)如表 1 所示。

度集成、高度可靠、低功耗等優(yōu)點。選擇 PEC － 3710 作為數(shù)據(jù)采集處理主機，使本系統(tǒng)能夠可靠應(yīng)用于更嚴酷的外場環(huán)境或無法進行電纜供電的路段，大大提高了產(chǎn)品自身的市場競爭力。

3.系統(tǒng)性能

石英式動態(tài)稱重系統(tǒng)研發(fā)主要是為了對路上正常行使車輛進行動態(tài)不停車稱重，用于超載判別和處罰，其具體技術(shù)指標(biāo)見表 2。