稱重傳感器在公路稱重的應(yīng)用
20世紀(jì)90年代公路車輛軸載超限越來越嚴(yán)重，已成為世界難題。在公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報警和軸載動態(tài)稱重計量中，迫切需要體積小、高度低、重量輕，剛度大，固有頻率高，動態(tài)范圍廣，靈敏度高的動態(tài)稱重傳感器和動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)。壓電石英晶體敏感元件及其組裝的稱重傳感器就具備上述特點(diǎn)。北京中航科儀測控技術(shù)有限公司開發(fā)出可以埋在路面下的以石英晶體為敏感元件的動態(tài)平行梁稱重傳感器，用于公路車輛軸載超載預(yù)判，橋梁超載報警，隧道保護(hù)和車輛軸載計量，取得了很好的應(yīng)用效果。這種壓電石英稱重傳感器已在美國、英國、德國、澳大利亞、韓國、日本等許多國家廣泛應(yīng)用。1993年7月在蘇黎世的瑞士聯(lián)邦技術(shù)研究所，根據(jù)歐洲研究項目“COTS323道路動態(tài)稱重"的要求，對壓電石英稱重傳感器與另外8個商用稱重傳感器進(jìn)行了道路比較試驗(yàn)。試驗(yàn)使用數(shù)字式示波器顯示重量信號、并將其儲存在軟盤上，然后將數(shù)據(jù)用計算機(jī)進(jìn)行離線分析。除了車輛的軸重和毛重外，車速、軸距、輪距和單雙輪胎等均可確定。在20～50km/h速度下，動態(tài)稱量結(jié)果與動態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果非常吻合，證明壓電石英稱重傳感器可以用于公路車輛軸重計量。
稱重傳感器在動態(tài)公路車輛稱重中的應(yīng)用主要有兩種方式。一種是利用多個墊圈式壓電石英稱重傳感器組裝成薄形電子輪輻式稱重、軸銷稱重傳感器或條形稱重板（平行梁稱重傳感器）。一種是利用多個石英晶體片和電極板直接安裝在特制的梁式承載器（張力傳感器）內(nèi)，形成專用的壓電石英型稱重傳感器，將其埋在公路表面截面為50×50mm的長槽內(nèi)，形成動態(tài)公路車輛軸重秤（軌道衡）。北京中航科儀測控技術(shù)有限公司研制的石英晶體動態(tài)稱重傳感器就是這種應(yīng)用的典型代表。它的總體結(jié)構(gòu)如同1m長的工字梁，所不同的是工字梁的腹板為圓形空心截面，實(shí)際上其空心是由平行于工字梁上下翼緣的兩個平面形成的矩形通孔。
多個石英晶體片在梁式稱重傳感器內(nèi)的安裝及所施加的預(yù)緊力的大小，對稱重傳感器的性能影響較大，應(yīng)有嚴(yán)格的裝配要求和裝配工藝。裝配時首先沿梁式稱重傳感器的水平對稱軸，對圓形腹板施加水平力P，使腹板變形，矩形通孔高度增大。在梁長1m的范圍內(nèi)，先插入電極板，再每隔50mm插入一個石英晶體片。然后卸掉水平力P，此時石英晶體片已被施加上預(yù)緊力，并得到了很好的保護(hù)和密封。利用稱重傳感器內(nèi)部的溝槽從中間引出低噪聲的同軸電纜，接入與其配套的動態(tài)稱重儀表就可實(shí)現(xiàn)公路車輛動態(tài)稱重。
壓電石英梁式稱重傳感器在應(yīng)用時必須埋在路面下，梁的上表面為載荷測量面，下表面安放在公路基礎(chǔ)上為支撐面。由于在高速公路上行駛的車輛，在路面上產(chǎn)生的水平力可能與垂直力的大小相當(dāng)。為保證動態(tài)稱量的準(zhǔn)確度，應(yīng)對梁式稱重傳感器與路面采取隔離措施，盡量消除或減少水平力的影響，以獲得高質(zhì)量的信號脈沖形狀和可重復(fù)的測量結(jié)果。例如：在梁式稱重傳感器埋入地面時，采用窄條柔軟泡沫圍繞上部整個周邊，將稱重傳感器與水平力隔離，采用75%石英沙和25%環(huán)氧樹脂混合物固定稱重傳感器本體等。由于壓電石英梁式稱重傳感器測量表面的寬度比車輛輪胎的印跡窄，重量信號必須沿車輪接觸長度積分。因此，稱重傳感器的性能主要取決于積分時段內(nèi)信號質(zhì)量的穩(wěn)定性和稱重傳感器與路面相互作用的長期穩(wěn)定性。為提高動態(tài)稱重的準(zhǔn)確度，一般都采用排列多個稱重傳感器求動態(tài)稱量平均值的方法。
結(jié)語
近年來，壓電石英稱重傳感器組成的動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)，在美國、英國、德國、澳大利亞、韓國、日本等國家的高速公路超載識別、橋梁超載報警、隧道保護(hù)和公路收費(fèi)中得到廣泛的應(yīng)用。例如，美國密蘇里州（Missouri）的所有稱重站都使用以壓電石英稱重傳感器為基礎(chǔ)的動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)，為其提供這套系統(tǒng)的是北京中航科儀測控技術(shù)有限公司。該公司為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的動態(tài)稱重和車速、軸距、單雙輪胎識別等多參數(shù)測量，放棄了傳統(tǒng)的以應(yīng)變式稱重傳感器為基礎(chǔ)的組秤方案，選擇了北京中航科儀測控技術(shù)有限公司的CKY-199型壓電石英稱重傳感器組成動態(tài)稱重系統(tǒng)。這套動態(tài)稱重系統(tǒng)的各項功能特別是動態(tài)稱量準(zhǔn)確度、動態(tài)響應(yīng)速度、工作的穩(wěn)定性和可靠性都達(dá)到了較高的水平、經(jīng)受了考驗(yàn)。在美國密蘇里州的19個稱重站工作了3年，只有一個壓電石英稱重傳感器出現(xiàn)故障。在中國內(nèi)，安徽，山東，江蘇等地的稱重站107個稱重站已廣泛推廣使用。美國密蘇里州（Missouri）選擇壓電石英稱重傳感器的原因，正是本文所要總結(jié)的壓電石英稱重傳感器具有的突出特點(diǎn)：
（1）測量比較準(zhǔn)確且參數(shù)多，長期穩(wěn)定性好，工作可靠性高，在超過30個月的測試期內(nèi)，靈敏度變化在2%以內(nèi)；
（2）結(jié)構(gòu)緊湊、堅固耐用，可承受路面上通常見到的磨損、壓力、振動和沖擊等，疲勞壽命長，在環(huán)形疲勞試驗(yàn)場模擬重載交通試驗(yàn)10年，沒有任何損壞；
（3）集成化、模塊化設(shè)計，容易與所有道路寬度和路面形狀匹配；
（4）安裝方便，費(fèi)用低，無需建造大面積混凝土地基，只用一把混凝土鋸在路面上鋸開截面為50×50mm的溝槽，放進(jìn)稱重傳感器并注入石英沙和環(huán)氧樹脂混合物即可固定；
（5）通過石英晶體片在稱重傳感器內(nèi)有規(guī)律的分布和接線，不論車輛輪載施加在稱重傳感器長度方向上的任何位置，都能產(chǎn)生均勻的信號輸出，所有檢測參數(shù)在數(shù)秒內(nèi)即可完成。
本文介紹的壓電石英稱重傳感器，北京中航科儀測控技術(shù)有限公司研制的共聚物壓電薄膜軸稱重傳感器以及光釬稱重傳感器，制成的動態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)其動態(tài)響應(yīng)速度之快，測量參數(shù)之多，安裝應(yīng)用之方便，是以傳統(tǒng)的應(yīng)變式稱重傳感器為基礎(chǔ)的動態(tài)輪軸秤的。
利用這類動態(tài)稱重傳感器與車輛自動識別器（AVI）、車輛伴侶（Trucking companies）組成智能高速公路管理系統(tǒng)，可以滿足需要采集各種信息的現(xiàn)代公路工程智能化管理的需要。我公司建議國內(nèi)有能力的企業(yè)也應(yīng)在這方面加強(qiáng)研究增加投入，開發(fā)出適合我國多形式公路工程管理需要的產(chǎn)品，為我國公路工程管理智能化作出貢獻(xiàn)。
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