徐州派特動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的應(yīng)用

1、僅供個(gè)人參考動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)-動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的應(yīng)用2001年8月摘要：動(dòng)態(tài)進(jìn)行軸載荷測(cè)量的技術(shù)和應(yīng)用有著 30多年實(shí)際應(yīng)用歷史。本文將討論目前實(shí) 際使用的設(shè)備，并進(jìn)行技術(shù)比較。同時(shí)將對(duì)彎板式傳感器和壓電式傳感器所能獲得的精度 和性能進(jìn)行說明，并給出精度和性能的實(shí)際測(cè)試結(jié)果。僅供個(gè)人參考目錄：1簡介1.1 交通與載荷流量統(tǒng)計(jì)1.2 用于計(jì)算等效標(biāo)準(zhǔn)軸載 (ESALS) 的詳細(xì)軸載統(tǒng)計(jì)1.3 車軸和整車超載檢測(cè)1.4 用于執(zhí)法檢查的靜態(tài)和低速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)1.5 收費(fèi)站的稱重系統(tǒng)2. 動(dòng)態(tài)稱重(WIM傳感器技術(shù)概述2.1 彎板式傳感器：2.2 共聚化合物式壓電傳感器：2.3 石英式壓電傳感器：2.4 電容

2、式傳感器：2.5 橋式稱重平臺(tái)：2.6 光纖傳感器：2.7 其它傳感器：3. 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM設(shè)計(jì)的重要基本性能參數(shù)4. 傳感器的測(cè)試方法和精確度5. 道路上動(dòng)態(tài)稱重的物理過程僅供個(gè)人參考1簡介縱觀全世界，公路建設(shè)者和交通專家特別是交通部門和公路建設(shè)管理局，都已清 楚了解到公路損壞主要是由超重貨車引起。因此，現(xiàn)在動(dòng)態(tài)軸載稱重系統(tǒng)被廣泛用來 保護(hù)公路運(yùn)輸系統(tǒng)， 同時(shí)這種技術(shù)還可用來改善交通安全狀況以及用于基于車輛重量 進(jìn)行收費(fèi)的收費(fèi)系統(tǒng)。下面列出了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)針對(duì)不同情況的應(yīng)用(CLASS 15):1.1 交通與載荷流量統(tǒng)計(jì)在這種應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)軸載檢測(cè)系統(tǒng)用于長期監(jiān)測(cè)的交通和載荷數(shù)據(jù)，并根據(jù)

3、不同的車輛類型以及重量范圍進(jìn)行存儲(chǔ)。通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的不間斷紀(jì)錄和綜合計(jì) 算，可以為新的基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)和規(guī)劃提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。1.2 用于計(jì)算等效標(biāo)準(zhǔn)軸載 (ESALS) 的詳細(xì)軸載統(tǒng)計(jì)在這種應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)軸載檢測(cè)系統(tǒng)用于精確地記錄和評(píng)估重型車輛的單軸和 軸組載荷，所測(cè)量的值可以用來估算公路的磨損程度、破裂程度、使用壽命和維 護(hù)需求等。通常公路的設(shè)計(jì)是基于標(biāo)準(zhǔn)的軸載公式，軸載的測(cè)量誤差將影響到這個(gè)計(jì)算 公式中四個(gè)或更多的關(guān)鍵參數(shù)的正確性， 所以應(yīng)特別注意只能使用高置信度區(qū)間 的小公差段內(nèi)的數(shù)據(jù)。1.3 車軸和整車超載檢測(cè)在這種應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)軸載檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)車軸和整車的超載情況。當(dāng)車輛 通過檢測(cè)

4、區(qū)時(shí)，在系統(tǒng)將記錄每個(gè)車輪和車軸的載荷，并計(jì)算出車軸組載荷和總 重，然后與限定值比較確定超載與否，同時(shí)也應(yīng)能檢測(cè)車輛的不平衡度和違規(guī)行 為。這些違章車輛將被系統(tǒng)自動(dòng)地引向處理區(qū)域，同時(shí)系統(tǒng)還將向工作人員發(fā)出 報(bào)警信息，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用于以后的分析和統(tǒng)計(jì)。為提高工作效率并最大程度減 少誤檢，使用的系統(tǒng)精度應(yīng)比用于軸載荷統(tǒng)計(jì)的系統(tǒng)高。因此，這些系統(tǒng)通常都 配置了雙重稱重傳感器。1.4 用于執(zhí)法檢查的靜態(tài)和低速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)在這種應(yīng)用中，動(dòng)態(tài)軸載檢測(cè)系統(tǒng)的目的是使執(zhí)法機(jī)構(gòu)能對(duì)超重車輛進(jìn)行處 罰，因此系統(tǒng)必須具有較高的精確度，并應(yīng)已經(jīng)被國家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)所認(rèn)可(如 美國的NIST，德國的PTB，中國的技術(shù)監(jiān)

5、督局等)。無論是便攜式車輪稱重儀或 固定式軸載稱重系統(tǒng)都應(yīng)在靜態(tài)或低速動(dòng)態(tài)模式下使用。如果結(jié)合高速預(yù)檢系統(tǒng)， 可以極大地提高系統(tǒng)工作效率。1.5 收費(fèi)站的稱重系統(tǒng)為減少由于超載引起的道路損壞，延長公路的使用壽命和降低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用等，僅供個(gè)人參考目前已有許多國家在收費(fèi)站使用 WIM系統(tǒng)。當(dāng)沒有稱重?cái)?shù)據(jù)時(shí)，通常是根據(jù)軸數(shù) 或其它的分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收費(fèi)，這種方式有利于重型車輛和超載車輛，它們對(duì)路面 的損壞大，卻只支付很少的費(fèi)用，為了保護(hù)道路超載車輛應(yīng)繳納更多費(fèi)用或禁止 其通行直到載重減少到合法限值以下。2. 動(dòng)態(tài)稱重（WIM傳感器技術(shù)概述動(dòng)態(tài)稱重傳感器從形狀上來分，主要有兩種類型：平板式和條狀。這兩種傳感器

6、 由于形狀不同，其稱量方式也有很大的不同。 （見附圖1）。平板式傳感器由于測(cè)量區(qū)比較大，因而能夠完整的紀(jì)錄車輪的壓力軌跡，因而我 們稱之為“真實(shí)測(cè)量”，因此其測(cè)量精度和置信區(qū)間也比較大，較多用于需要精確、 可靠數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。條狀傳感器由于是條狀，因而稱量區(qū)域較小，通常只有部分車輪的 壓力壓在傳感器上，因而不能真實(shí)的完整的紀(jì)錄車輪負(fù)載的信號(hào)，在動(dòng)態(tài)稱重時(shí)通常 是靠軟件的修正來計(jì)算，其稱量精度和置信區(qū)間較小，較多的應(yīng)用于統(tǒng)計(jì)的場(chǎng)合。附圖：傳感器有效稱量區(qū)間比較動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，各個(gè)不同的廠商開發(fā)了不同的技術(shù)來進(jìn)行 動(dòng)態(tài)稱重，因而也出現(xiàn)了各種不同種類的傳感器，根據(jù)原理不同通?？梢苑譃橐?/p>

7、下幾 類：2.1彎板式傳感器：彎板式傳感器是一種應(yīng)變式傳感器， 利用集成在內(nèi)部的應(yīng)變片網(wǎng)，根據(jù)稱重 板受壓后產(chǎn)生形變的原理進(jìn)行測(cè)量。彎板傳感器是PAT的專有技術(shù)。PAT的彎板是一種得到廣泛贊譽(yù)的動(dòng)態(tài)稱重傳感器，得到包括歐盟交通委員 會(huì)、美國聯(lián)邦交通委員會(huì)等組織進(jìn)行的歷次動(dòng)態(tài)稱重產(chǎn)品測(cè)試中均得到良好結(jié) 果。PAT的彎板是由在內(nèi)部集成了應(yīng)變片網(wǎng)的金屬板構(gòu)成，為防止長期潮濕滲透 和腐蝕，傳感器表面覆蓋一層高溫硫化橡膠。彎板傳感器的長度為508mm（在行駛方向），寬度有1.25m和1.75m兩種規(guī)格，可以完整的紀(jì)錄輪胎的壓力信號(hào)， 真實(shí)的測(cè)量輪載值。通常一個(gè)車道鋪設(shè)兩個(gè)傳感器，用于測(cè)量車軸載荷。整個(gè)傳

8、 感器厚度不大于25mm，安裝在鋼制支架中，整個(gè)支架是用環(huán)氧樹脂澆入路面的僅供個(gè)人參考淺槽中，并采取一定的措施確保彎板的高可靠性和長壽命。彎板的精度為：1%1.5%。PAT的彎板的主要有以下特征：實(shí)際車輪載荷與整體輪胎壓力成線性關(guān)系；可靠的高精度；傳感器的厚度很薄，安裝僅需一個(gè)淺槽，并且有基礎(chǔ)框架保護(hù)，以防止道路形變對(duì)傳感器的影響；傳感器非常耐用，整個(gè)傳感器是一體的，稱重平臺(tái)和應(yīng)變片之間無機(jī) 械界面，從而消除了傳感器的磨損和破裂；長期的穩(wěn)定性；不受剎車或加速引起的水平方向力的影響；完整的用高溫硫化橡膠密圭寸；易于更換，實(shí)質(zhì)上無需維修；高質(zhì)量產(chǎn)品，壽命大大高于10年； 在全世界主要交通干線中的使

9、用年限已超過 20年。附圖：彎板安裝示意圖2.2共聚化合物式壓電傳感器：共聚化合物式壓電傳感器是利用共聚化合物的壓電效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。此種傳 感器是一種動(dòng)態(tài)傳感器，只對(duì)壓力的變化產(chǎn)生電勢(shì)信號(hào)。共聚化合物式壓電傳感器是由一個(gè)金屬管以及放置在其中的壓電電纜構(gòu)成，有效長度通常為1830mm，可擴(kuò)展到3600mm，寬度為20mm，為條狀傳感器， 不能一次測(cè)出車輪載荷，通過在測(cè)量期間信號(hào)累加，用積分算法求出載荷。傳感 器直接埋入路面，道路（特別是瀝青混凝土路面）的形變對(duì)其影響較大?；炷谅?面和瀝青路面的溫度影響不同，并且難于補(bǔ)償。由于傳感器設(shè)計(jì)簡單，其產(chǎn)品價(jià) 格相對(duì)較低。在用于車輛分類時(shí)其性能是令人滿意

10、的，但在動(dòng)態(tài)稱重中，其應(yīng)用 非常有限。條形傳感器的使用壽命相對(duì)較短，并且受公路以及安裝質(zhì)量影響較大。共聚化合物式壓電傳感器主要有以下特性：薄條形傳感器，安裝深度較淺；通過電勢(shì)信號(hào)變化，局部測(cè)量車輪載荷； 靈敏度隨著傳感器變化，并在不同的安裝條件下很難控制； 對(duì)水平方向力靈敏，路面上過強(qiáng)的振動(dòng)會(huì)引起“鬼軸”現(xiàn)象；溫漂較大；車輛通過時(shí)，如果車速過低，將無法稱量；更換傳感器時(shí)，必須進(jìn)行路面施工；車輪凹槽和磨損會(huì)引起靈敏度偏差；僅供個(gè)人參考使用壽命大約為35年；在近幾年中，共聚化合物式傳感器的開發(fā)上取得了許多重大的成果，其性能 得到了進(jìn)一步的提高，并且其開發(fā)和研究工作一直在進(jìn)行。2.3石英式壓電傳感器

11、：石英式傳感器是利用石英的壓電效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。壓力使石英晶體產(chǎn)生變化，因而產(chǎn)生和壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系的電勢(shì)。石英傳感器是一種新型的傳感器，近幾年由于其性能得到較大的提高，目前 得到一定的應(yīng)用。石英傳感器也屬于 條形傳感器一類，長度有1m和0.75m兩種, 寬度為50mm，高度44mm。和共聚化合物傳感器一樣，石英傳感器也不能一次 完整的測(cè)量出輪載，而是通過積分累加進(jìn)行計(jì)算的，但是和共聚化合物傳感器相 比較，石英傳感器的溫漂極小，也沒有“鬼軸”現(xiàn)象，低速、高速狀態(tài)下均可進(jìn) 行稱量，同時(shí)石英的物理特性比較穩(wěn)定，其靈敏度隨時(shí)間變化較小。石英傳感器 的安裝也是采取直接埋入路面的方式，因而也不可避免的受到路面

12、形變的影響， 同時(shí)更換時(shí)需要路面施工。附圖：安裝在路面的傳感器側(cè)視圖2.4電容式傳感器：電容式傳感器目前有兩種形式，一種是 條狀傳感器，另一種是電容網(wǎng)式傳感 器。其主要原理是利用電容效應(yīng)，當(dāng)壓力壓在傳感器上，導(dǎo)致兩個(gè)極板間的間距 減小，其電容值發(fā)生變化，通過電路轉(zhuǎn)換，進(jìn)行測(cè)量。條形電容式傳感器與壓力棒在尺寸和安裝形式上是一致的。其基本特性相類 似，主要問題是壽命較低。本身精度為土 3% RMS。電容網(wǎng)式傳感器式一種新型的傳感器，其結(jié)構(gòu)為平板式，目前主要用于便攜 式稱量設(shè)備。2.5橋式稱重平臺(tái)：橋式稱重平臺(tái)是帶有獨(dú)立的壓力傳感器或剪切式壓力傳感器的平臺(tái)。橋式稱 重平臺(tái)是通過稱重平臺(tái)將軸載壓力傳遞

13、到壓力傳感器上，進(jìn)行稱量。這種稱重平臺(tái)形式在傳統(tǒng)的地磅中得到廣泛的應(yīng)用，但由于有過多的機(jī)械結(jié) 構(gòu)，因而在動(dòng)態(tài)稱量過程中，車輛的動(dòng)態(tài)行駛產(chǎn)生的不均勻交變沖擊容易損壞平僅供個(gè)人參考臺(tái)。目前僅在低速稱重中有應(yīng)用，在高速稱重中極少應(yīng)用。2.6光纖傳感器：光纖式傳感器是利用壓力改變光纖的光通量，根據(jù)光的變化，來計(jì)算壓力的 值。目前該項(xiàng)技術(shù)尚未在動(dòng)態(tài)稱重中正式應(yīng)用。2.7其它傳感器：目前除了以上幾種主流傳感器外，一些公司還開發(fā)一些動(dòng)態(tài)稱重傳感器，主 要是采用了應(yīng)變片技術(shù)，但是由于未被國際的動(dòng)態(tài)稱重組織進(jìn)行過實(shí)測(cè)評(píng)比，因 而無法進(jìn)行進(jìn)一步說明。表1:不同稱重技術(shù)的應(yīng)用交通載何統(tǒng)計(jì)詳細(xì)軸載荷記錄超載監(jiān)控稱重站

14、收費(fèi)站的WIM系統(tǒng)彎板共聚化合物()石英式()電容式（條狀）橋式稱重平臺(tái)()(-)光纖式()()()3. 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)（WIM設(shè)計(jì)的重要基本性能參數(shù)：動(dòng)態(tài)軸載稱重系統(tǒng)由于其檢測(cè)過程復(fù)雜，專業(yè)性較強(qiáng)，同時(shí)不同性質(zhì)的系統(tǒng)價(jià)格 差距也較大，因而如何根據(jù)實(shí)際情況和需求進(jìn)行設(shè)計(jì)尤其重要，一個(gè)好的設(shè)計(jì)即能充 分發(fā)揮設(shè)備的性能，又能充分節(jié)省用戶投資。設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)軸載稱重系統(tǒng)時(shí)主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問題：系統(tǒng)精確度和置信度的要求；路面條件和車輛行駛狀態(tài)對(duì)精度的置信度的影響；校準(zhǔn)后的長期穩(wěn)定性；使用壽命與費(fèi)用（硬件、軟件、安裝和調(diào)試、維護(hù)、修理等費(fèi)用）供貨商的備件供應(yīng)（長期供給的有效性）；更換傳感器的難度。在動(dòng)態(tài)

15、稱重系統(tǒng)的使用和維護(hù)過程中，其質(zhì)量和壽命主要受以下幾個(gè)因素影響： 使用的稱重傳感器的性能和技術(shù)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置和傳感器的配置；道路表面的質(zhì)量和道路結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能；道路平整度；安裝條件和過程；司機(jī)的行為，剎車、加速或避開傳感器可能會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性； 車輛狀態(tài)（車輪懸掛，輪胎光滑度，裝載液態(tài)貨物，活的貨物等）僅供個(gè)人參考4. 傳感器的測(cè)試方法和精確度所有的WIM傳感器產(chǎn)品都沒有已制定的統(tǒng)一傳感器的測(cè)試方法。 傳感器精度的描述對(duì)于實(shí)際的動(dòng)態(tài)稱量精度是沒有太大的意義的。下圖顯示了條形傳感器在安裝之前 和之后的典型的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，所顯示的差值主要由以下幾個(gè)因數(shù)引起：不一致的安 裝深度，底部密實(shí)度不同，安

16、裝淺槽的寬度和深度部不均勻等。如果當(dāng)傳感器的上端 突出3mm時(shí)的輸出為1V時(shí)，那么與路面齊平時(shí)輸出大約為 700mV,而凹下路面3mm 或以上時(shí)，輸出可能小于100mV。附圖：共聚化合物傳感器安裝前后靈敏度5. 道路上動(dòng)態(tài)稱重的物理過程在進(jìn)行動(dòng)態(tài)軸載稱量期間，傳感器受到車輛的彈簧和減震器系統(tǒng)的多方面的影響。 在公路上，由于路面的不平整或不平衡的車輛部件，會(huì)使得車輛的懸掛系統(tǒng)和減震系 統(tǒng)之間持續(xù)的產(chǎn)生能量交換，因此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的動(dòng)態(tài)沖擊力，這個(gè)力將疊加到車 輛的靜態(tài)重量上，經(jīng)常這種動(dòng)態(tài)壓力會(huì)占到整個(gè)力的10%20%。主要影響結(jié)果的有以下幾個(gè)因素：軸組中輪胎表面的振蕩；車輪不規(guī)則的轉(zhuǎn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)；彈

17、簧系統(tǒng)中能量的存儲(chǔ)與釋放；車輛的轉(zhuǎn)向和擺動(dòng)；貨物的擺動(dòng) （液體、活的貨物 等）；側(cè)風(fēng)影響等。很明顯，測(cè)量精度直接取決于測(cè)量時(shí)間的長短，而測(cè)量時(shí)間的長短和傳感器的寬 度有著密切的關(guān)系。平板式傳感器，例如彎板的測(cè)量區(qū)域比條形傳感器高1015 倍,因此可以消除某些（高頻率）振動(dòng)所造成的影響。和平均靜態(tài)重量值的偏差以及置信度都 是十分重要的因數(shù)。置信度也可以稱為標(biāo)準(zhǔn)方差或隨機(jī)誤差，可以用1個(gè)或2個(gè)SIGMA 表示。這個(gè)值意味著單個(gè)測(cè)量結(jié)果的品質(zhì)，這些單個(gè)的測(cè)量將用于對(duì)超載違章的評(píng)估僅供個(gè)人參考或 ESALS 的計(jì)算僅供個(gè)人參考僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r St