石英式動態(tài)地磅的設計與實現(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、數據采集卡、動態(tài)稱重控制器、指示裝置、野外機柜等構成。組成框圖如圖 1。

其中地面?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將車輪力轉化為電荷信號，電荷信號經過電荷放大器的放大和高、低通濾波處理后進入數據采集卡，采集卡完成模擬電荷信號到數字電壓信號的轉化，稱重控制器通過 PCI 總線獲取采集卡數字電壓信號后經過系統(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 檢測數據

本系統(tǒng)檢測數據全面，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、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，其中絕大多數來源于石英壓電傳感器的信號。

2.關鍵技術的實現(xiàn)

本系統(tǒng)與國內其它動態(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: 壓電常數小，時間和溫度穩(wěn)定性極好; 機械強度和品質因素高，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; 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用。結果表明，傳感器的設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; 無需經常校準，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，如何準確測出真實軸重就成為動態(tài)稱重系統(tǒng)的技術難點和關鍵。目前車輛動態(tài)稱重數據處理方法主要有以下幾種: 濾波法、積分法、經驗模態(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、數據回歸及反復驗證，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據進行積分，然后代入經驗公式，再對計算結果進行速度等修正，從而得到車輛的準確軸載。經試驗證明，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據采集一體機 PEC － 3710，取代傳統(tǒng)的工控機進行數據采集，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產品。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，支持串口通訊和網絡通訊。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用場合，內置的驅動和系統(tǒng)軟件可加速您的應用開發(fā)。

本系統(tǒng)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(guī)格和技術指標如表 1 所示。

度集成、高度可靠、低功耗等優(yōu)點。選擇 PEC － 3710 作為數據采集處理主機，使本系統(tǒng)能夠可靠應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，其具體技術指標見表 2。