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關于ETC計重收費動態地磅用稱重傳感器選型的探

本文對ETC計重收費動態汽車衡稱重的整個過程進行了描述，分析了傳感器在整個過程的受力情況，對如何選用柱式和橋式傳感器做了介紹，為動態汽車衡設計和傳感器選型提供一些參考。
隨著交通運輸業務的發展，高速公路計重收費的快速發展，公路部門需加大設備建設的投資以及人員的投入，這高昂的成本就成了頭疼的問題。為了減少收費人員的數量，加快車輛通過收費門的速度， ETC業務應運而生，現在小車ETC計重收費系統已成熟且全面推廣，但大型貨車ETC計重收費系統才剛剛起步。

對于大型貨車ETC系統，其關鍵技術是計重，而計重的關鍵設備為動態汽車衡。動態汽車衡是從靜態汽車衡發展而來，主要使用的傳感器以柱式傳感器與橋式傳感器為主。度高；有人認為采用橋式傳感器精度穩定且便于安裝。關于柱式傳感器與橋式傳感器的優劣問題一直爭論不休。那么，如何選用柱式傳感器與橋式傳感器呢，本文將針對該問題重點進行分析介紹。
動態汽車衡稱重過程受力分析
汽車行駛上動態汽車衡（以下簡稱秤臺）時，因汽車前輪的慣性沖力將秤臺向前推去，當秤臺運動到前限位器時，限位將產生反推力，又將秤臺向后推去。當稱重運動到后限位器時產生反推力，以及汽車的驅動力，又將秤臺加速向前推去。在汽車完全行駛到秤臺上面前，秤臺將持續加速振蕩，形成加速擺動現象，如下圖2。

當汽車完全行駛到秤臺上面時，通過其他地方產生的驅動力逐漸
消失，秤臺的前后振蕩頻率速度將不再加速。當汽車加速或減速時，秤臺振蕩頻率也會加速減速。總之，在整個汽車上秤臺前與上秤臺過程中，秤臺會形成一個中、低頻率前后振湯。
汽車的重量及其他推力振動等產生的力都由秤臺傳遞給傳感器，
由傳感器將這些力的信息準確快速的傳遞給儀表（電腦）進行數據處理，最終通過稱重儀表顯示。秤臺受力分析如下:
二、傳感器采樣頻率方面分析
衡器用傳感器一般有兩種類型：柱式傳感器和橋式傳感器。柱式傳感器受力分析如下，見圖3。

1)當秤臺與前限位器接觸時，傳感器受到軸向力， F = Fy X c o s a ° + Fx X s i n a
2)當秤臺與前限位器不接觸時，
F = Fy X cos a ° 到 F = Fy X cos 0 ° 之間變化
如果考慮汽車驅動力等因素時，傳感器的信號只在主信號 F = FyXco s a °中加波（中、高頻)，具體信號如下：
從這些力來分析，汽車的速度、驅動力、剎車等水平力造成秤臺左右擺動，并接觸限位器，產生反推力。因速度驅動力有大有小，有快有慢，造成反推力大小是沒有規律的，因此處理數據時，只取沒有撞擊時的數據。這樣車輛的振動，發動機的振動等反向有規律的波動。我們取大約不小于3個擺動，就能得到有效理想的數據，經過處理就能得到相應精度。
下面我們計算秤臺上的采樣波動時間：秤臺長度一般單節6米，共3節，長度為18米。現在公路上主要行駛的貨車為半拖掛車。
秤臺的車速為20公里/小時，3米/20公里/小時=0. 54秒。
我們取小于3個擺動循環，采集時間占1個循環的2/3，則
54/3* (2/3) =0. 12秒，即每個循環最長采集時間為0. 12秒。
每1個波形，需取10個數（前擺5個，后擺5個)，則每條采樣時間為:0. 012秒(83Hz)。因此，傳感器的固有頻率大致在83?100Hz，我們就可以得到有效數據。
為了提高衡器精度，現在的衡器采集頻率一般在1000Hz，即每秒中采集1000個數據。在衡器上，傳感器的采樣頻率大致為柱式固有頻率> 10000Hz;橋式固有頻率> 1000Hz。
單純看兩種傳感器的固有頻率，確實是柱式傳感器的固有頻率高于橋式傳感器，這是不爭的事實。然而，衡器是由秤體、傳感器和儀表組成的，衡器的響應速度才是決定使用性能的最終因素。衡器的響應速度主要由秤體的響應速度、儀表的響應速度、傳感器的響應速度共同決定。
隨著電子技術的飛速發展，制造高分辨率、高響應速度的儀表已經不是難事，但是秤體的響應速度提高確實不易，目前各生產廠家的秤體結構、使用材料大同小異，根據資料顯示，秤體的固有頻率通常在3?5Hz，且無法進一步提高，因此，從采樣頻率來說，兩種傳感器均能滿足需求。

三、傳感器安裝方面分析
柱式傳感器與橋式傳感器的優缺點對比如下：
1.柱式傳感器
優點：結構緊湊，體積小，固有頻率高，動態響應快。
缺點:抗側向和偏載能力較差，對加載點變化敏感，安裝要求高，調整四角等操作較為繁瑣，傳感器不易固定易旋轉，加載頻率或重量過大，容易導致傳感器開裂。
原因分析：不倒翁轉動產生的原因，當地基水平，柱式傳感器垂直時，無論怎么擺動也不會旋轉；但當不水平時，就會存在偏轉，轉動。如圖8所示：

當前后秤臺擺動時，秤臺也有可能產生旋轉擺動，帶動傳感器旋轉擺動，這就是傳感器產生旋轉的原因。傳感器的電纜線就纏在傳感器上，隨著次數的增多，電纜線就有可能拽斷，衡器產生故障。
在安裝衡器時，我們不可能將傳感器絕對的緊緊地與秤臺接觸，肯定會存在一定的間隙。同時，在設計衡器支點時，我們最想讓支點靠邊，減少翹板現象。但秤臺有厚度，在車的沖擊力等作用下，在秤臺上面的沖擊力以及支點會產生轉矩，這樣就有一定的翹板現象。當翹板力瞬間消失后，秤臺產生向下的沖擊力，間隙越大，沖擊力越大。
對于柱式傳感器，由上、下壓頭、傳感器以及秤臺、地基安裝板組成，中間沒有任何柔性。當幾個重力加速度的沖擊力下來，這樣的集中沖擊力，很有可能將傳感器從中間沖裂。
2.橋式傳感器
優點：對加載點變化不敏感，抗偏載性能好，固有線性好，安裝方便，傳感器固定不旋轉，制造成本低。
缺點：體積大，重量大，搬運笨重。
橋式傳感器是通過鋼球與秤臺連接，旋轉擺動時，只有鋼球轉動，不會使傳感器旋轉。同時，對于橋式結構傳感器，其受力變化的擾度有數量級的變化，在相同的動能沖擊下，沖擊力也有數量級的減少，因此幾乎沒有橋式傳感器會沖擊斷裂的現象發生。
四、總結
從以上分析，我們可得出如下結論：在20公里/小時的動態衡器中，在采集速度方面，使用橋式和柱式傳感器沒有本質區別，都能正常使用；在抗沖擊力方面，橋式優于柱式傳感器；在安裝條件方面，橋式傳感器明顯比柱式簡單；在動態衡器應用中，客戶可根據現場條件和自身情況，選用橋式或柱式傳感器。

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