怎樣提高便攜式軸重動(dòng)（靜）態(tài)汽車衡準(zhǔn)確度
【簡 述】 對(duì)于承載器是長方形秤臺(tái)的軸重式動(dòng)態(tài)衡，發(fā)現(xiàn)稱重不準(zhǔn)確的原因是：稱軸重時(shí)，秤臺(tái)長方向撓曲振動(dòng)及秤臺(tái)翹動(dòng)嚴(yán)重干擾稱重。改進(jìn)試驗(yàn)：承載器采用兩個(gè)長方形小秤臺(tái)各下置3只稱重傳感器，并以橡膠板對(duì)秤臺(tái)振動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)阻尼，結(jié)果：動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度明顯提高，接近2級(jí)，但仍存在秤臺(tái)翹動(dòng)及橡膠板摩擦力過大影響靜態(tài)稱重等問題。進(jìn)一步改進(jìn)：設(shè)計(jì)制造承載器為兩個(gè)三角形小秤臺(tái)的動(dòng)態(tài)衡，并從外部用水平彈簧拉住秤臺(tái)，使橡膠板摩擦力適當(dāng)不影響靜態(tài)稱重。預(yù)期效果，車速10km/h以下達(dá)到2級(jí)。計(jì)劃2011年4月完成試驗(yàn)。
稱重技術(shù)；兩體式三角形動(dòng)態(tài)衡；振弦式稱重技術(shù)；計(jì)重收費(fèi)
【要聞】我國高速公路為遏制車輛超載超限運(yùn)輸，普遍采用動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)重收費(fèi)，取得良好效果。軸重式動(dòng)態(tài)汽車衡（簡稱動(dòng)態(tài)衡）是該系統(tǒng)的核心，汽車通過時(shí)，稱量各軸重累加求出車輛總重量。作者于2004年擔(dān)任技術(shù)負(fù)責(zé)人完成山東省*項(xiàng)目，研發(fā)成功承載器為長方形秤臺(tái)配4只稱重傳感器的*代產(chǎn)品，由山東交潤交通科技有限公司生產(chǎn)，山東、四川使用300余套，為實(shí)現(xiàn)公路車輛計(jì)重收費(fèi)，做出一定成績，獲山東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。調(diào)試維修中發(fā)現(xiàn)：（1）過車軸時(shí)，秤臺(tái)長方向撓曲振動(dòng)強(qiáng)烈干擾稱重；（2）4只稱重傳感器支承秤臺(tái)為靜不定結(jié)構(gòu)，不穩(wěn)定，常使一只傳感器懸空，過車時(shí)秤臺(tái)翹動(dòng)干擾稱重，同時(shí)秤臺(tái)和軸重沖擊懸空傳感器，每天數(shù)千次使其準(zhǔn)確度降低。為弄清問題，課題組從理論上研究該動(dòng)態(tài)衡“動(dòng)態(tài)稱重的物理模型”，給出動(dòng)態(tài)稱重瞬時(shí)值分布的極差，指出欲提高動(dòng)態(tài)衡準(zhǔn)確度，應(yīng)加大阻尼、減小秤臺(tái)撓曲振幅，并適當(dāng)提高固有頻率避免發(fā)生共振。隨后，設(shè)計(jì)制造了承載器為兩個(gè)長方形小秤臺(tái)各下置3只稱重傳感器的“分體式動(dòng)態(tài)汽車衡”，經(jīng)計(jì)量測試80%的稱重?cái)?shù)據(jù)誤差＜1%，性能接近2級(jí)動(dòng)態(tài)衡，明顯優(yōu)于*代產(chǎn)品。“分體式動(dòng)態(tài)汽車衡”獲國家發(fā)明，論文《動(dòng)態(tài)車輛稱重物理模型與提高動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度研究》發(fā)表于《計(jì)量學(xué)報(bào)》[1]。課題組總結(jié)時(shí)發(fā)現(xiàn)：將承載器由一個(gè)長方形秤臺(tái)改為兩個(gè)長方形小秤臺(tái)有畫蛇添足之誤，因?yàn)槿羧サ舳嘤鄡山?，改為兩個(gè)三角形小秤臺(tái)、三角外伸在其下安裝稱重傳感器，則*不需要輔助支撐，而且能消除過車軸引起的秤臺(tái)翹動(dòng)；其次，作者考慮到：在三角形三邊秤臺(tái)和邊框之間放入吸振橡膠板，從外部加水平彈簧拉住秤臺(tái)，給膠板以適當(dāng)壓力（足以防塵），則有可能既不影響靜態(tài)稱重準(zhǔn)確度，動(dòng)態(tài)稱重時(shí)又能提供一定阻尼，且安裝調(diào)試十分方便。“兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車衡”申請(qǐng)國家，已獲受理。2011年3月有可能完成樣機(jī)試驗(yàn)。本文側(cè)重從理論上進(jìn)行分析總結(jié)，結(jié)論是：必須從改進(jìn)承載器結(jié)構(gòu)入手，才有可能從根本上解決軸重式動(dòng)態(tài)汽車衡稱不準(zhǔn)問題。
2 承載器為長方形秤臺(tái)下置4只稱重傳感器的軸重式動(dòng)態(tài)衡稱不準(zhǔn)的原因
*代產(chǎn)品，實(shí)際上是將靜態(tài)汽車稱重大地磅縮短到0.8m左右，同時(shí)提高采樣頻率而形成。對(duì)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)稱重這種簡單化處理，自然效果不會(huì)太好。
*代產(chǎn)品存在的主要問題
理論軸稱重曲線見圖1。tW
圖1 理論的軸稱重曲線
研究發(fā)現(xiàn)，存在4種“振動(dòng)”干擾稱重：
*：鋼板產(chǎn)生頻率較高的機(jī)械“震動(dòng)”（頻率幾十到200Hz）。若稱重傳感器對(duì)它響應(yīng)，則在軸稱重曲線上疊加著振動(dòng)干擾[2]，見圖2。
tW
圖2 有振動(dòng)干擾的軸稱重曲線
第二：車輛自身的振動(dòng)：軸質(zhì)量與減震彈簧的組合振動(dòng)。頻率很低，甚至低于1Hz。車輛快速駛過不平路面時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)烈對(duì)稱重影響很大；但低速勻速駛過平整路面時(shí)，振幅小，影響小。因此國家計(jì)量檢定規(guī)程JJG907-2006附錄C，對(duì)稱重區(qū)引道的平直水平光滑做了嚴(yán)格的強(qiáng)制性規(guī)定，以減小這種振動(dòng)干擾。
第三：秤臺(tái)長方向撓曲變形振動(dòng)：由于秤臺(tái)長>3m，寬0.8m，重車（軸重10～30t）通過時(shí)，秤臺(tái)長方向產(chǎn)生撓曲變形形成振動(dòng)，振幅（即撓度）可達(dá)4mm。這種振動(dòng)頻率很低，不能用低通濾波消除。它對(duì)動(dòng)態(tài)稱重準(zhǔn)確度影響很大，特別是車速進(jìn)入某一范圍時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈共振，因此它是導(dǎo)致動(dòng)態(tài)稱重不準(zhǔn)確的主要原因。
第四：秤臺(tái)翹動(dòng)“振動(dòng)”：由于4只稱重傳感器支承秤臺(tái)為靜不定結(jié)構(gòu)，不穩(wěn)定，秤臺(tái)略有變形就會(huì)使某只稱重傳感器懸空。稱軸重時(shí)，先由對(duì)角線兩只和前面一只稱重傳感器稱量，后轉(zhuǎn)為另3只稱重傳感器稱量，秤臺(tái)的這種翹動(dòng)不僅直接干擾軸稱重，還引起秤臺(tái)和軸重對(duì)懸空稱重傳感器沖擊。特別是若位置在前面的稱重傳感器懸空，則稱軸重時(shí)秤臺(tái)翹動(dòng)兩次，依次沖擊前后兩只稱重傳感器，影響更大。每天過車沖擊上千次，使懸空稱重傳感器的準(zhǔn)確度較快下降，甚至使用不長時(shí)間就會(huì)誤差過大使稱重不準(zhǔn)確。
對(duì)存在問題及解決辦法進(jìn)一步分析
對(duì)*機(jī)械振動(dòng)干擾，可進(jìn)行低通濾波，或采用對(duì)它不響應(yīng)的稱重傳感器（例如液壓轉(zhuǎn)換式稱重傳感器）；對(duì)第二種振動(dòng)，按國家檢定規(guī)程嚴(yán)格修建稱量區(qū)引道，并要求車輛限速勻速行駛，方能減輕其影響。目前高速公路管理部門執(zhí)行嚴(yán)格限速和保持勻速迂到困難，車輛快速?zèng)_過秤臺(tái)及加速“跳過”秤臺(tái)已成為司機(jī)減重的一種手段，對(duì)計(jì)重收費(fèi)工作不利；第三、第四種“振動(dòng)”干擾，應(yīng)該說是*代軸重式動(dòng)態(tài)衡存在的主要問題，作者在文[1]中對(duì)第三種撓曲振動(dòng)作了詳細(xì)分析研究，指出秤臺(tái)撓曲等效于彈簧，秤臺(tái)及軸質(zhì)量等效于質(zhì)量塊，軸重量等效于階躍載荷。車軸上秤臺(tái)相當(dāng)于階躍載荷施加于彈性系統(tǒng)，必然引起過渡過程振動(dòng)，在過渡過程中稱重，受到質(zhì)量塊振動(dòng)加速度產(chǎn)生的慣性力干擾，分散性必然很大，每次稱重都不同，稱不準(zhǔn)。為借鑒，調(diào)查上動(dòng)態(tài)汽車衡發(fā)展?fàn)顩r，發(fā)現(xiàn)從加拿大引進(jìn)的德國派特采用兩個(gè)彎板式小秤臺(tái)作承載器；瑞士石英動(dòng)態(tài)衡采用兩只石英晶體傳感器（相當(dāng)于兩個(gè)石英小秤臺(tái)）；中國臺(tái)灣某公司技術(shù)負(fù)責(zé)人告訴作者：承載器為長方形秤臺(tái)的動(dòng)態(tài)衡經(jīng)中國臺(tái)灣計(jì)量部門測試，沒有性能很好的，他設(shè)計(jì)兩個(gè)小秤臺(tái)作承載器效果不錯(cuò)。可見國內(nèi)外動(dòng)向與作者2007年的改進(jìn)方案不謀而合。因此作者認(rèn)定：承載器采用兩個(gè)小秤臺(tái)各下置3只稱重傳感器是動(dòng)態(tài)汽車衡發(fā)展方向之一，同時(shí)還要研究如何加阻尼消除共振，才有可能解決動(dòng)態(tài)汽車衡稱不準(zhǔn)問題。[注：據(jù)2010年中國質(zhì)量報(bào)楊蕾報(bào)導(dǎo)：全國計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)衡普遍存在稱不準(zhǔn)問題，給計(jì)重收費(fèi)工作帶來很大麻煩和困擾。]
3 動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)改進(jìn)試驗(yàn)
3.1 承載器為兩個(gè)長方形小秤臺(tái)各下置3只稱重傳感器強(qiáng)阻尼動(dòng)態(tài)汽車衡
稱重系統(tǒng)圖
以這一動(dòng)態(tài)衡為核心的動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)見圖3
圖3 動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)
3.1.2 “分體式動(dòng)態(tài)汽車衡”
針對(duì)現(xiàn)存問題進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)“分體式動(dòng)態(tài)汽車衡”，要點(diǎn)如下：
1）以兩個(gè)1500×500×130mm長方形小秤臺(tái)取代3200×800×200長方形秤臺(tái)（簡稱長方形大秤臺(tái)）。由于小秤臺(tái)采用20mm厚鋼板焊接而成，強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)大于長方形大秤臺(tái)，又只承受軸重的一半，因此稱軸重時(shí)長方向撓度（即振幅）降低5倍以上，固有頻率也有較大提高。
2）在秤臺(tái)與邊框之間，放入耐老化橡膠板吸振，用彈簧給膠板施加穩(wěn)定正壓力，使阻尼作用強(qiáng)而穩(wěn)定，基本不受氣候冷熱影響。
3）每個(gè)小秤臺(tái)下置3只稱重傳感器，車輛從兩只稱重傳感器那邊上秤臺(tái)。為使車輪下秤臺(tái)時(shí)秤臺(tái)翹動(dòng)較弱，加了橡膠板輔助支撐，膠板zui大壓縮量為1.5mm。
4）采用鄧氏振弦傳感技術(shù)稱重。所用傳感器為液壓轉(zhuǎn)換式振弦稱重傳感器，這種稱重傳感器由帶活塞的油缸和振弦式壓力傳感器構(gòu)成。秤臺(tái)及其承重作用于活塞，活塞將重力轉(zhuǎn)換為油脂壓力，再由振弦式壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)（調(diào)頻信號(hào)）輸出。這種液壓轉(zhuǎn)換式振弦稱重傳感器對(duì)秤臺(tái)機(jī)械震動(dòng)基本不響應(yīng)，只需加簡單的抗脈沖干擾數(shù)字濾波，采樣頻率400Hz，即可再現(xiàn)各傳感器的稱重曲線。這種振弦稱重傳感器還有良好的抗電磁干擾性能，不怕潮濕，壽命長達(dá)10年以上，長期穩(wěn)定性好。
為了獲得稱重傳感器頻率，采用鄧氏雙線圈恒流型鋼弦激發(fā)電路（），由頻率計(jì)算稱重采用振弦傳感器數(shù)學(xué)模型，見式（1）[3][4]：
（）（）220WAffBff=−+− （1）
式中：A、B為傳感器常數(shù)，由標(biāo)定數(shù)據(jù)zui小二乘法求得（有軟件），f為稱重W對(duì)應(yīng)的頻率，0f為W=0時(shí)的頻率，稱為初頻。
該數(shù)學(xué)模型是本文*作者于1981年研制礦壓遙測儀時(shí)提出，實(shí)踐證明有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：*，擬合準(zhǔn)確，可顯著提高振弦傳感器準(zhǔn)確度。依靠它已使振弦稱重傳感器準(zhǔn)確度達(dá)到0.1%FS左右，*公路計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)衡要求（動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度5級(jí)：首檢誤差±2.5％）。第二，可置零去皮。將秤臺(tái)重量對(duì)應(yīng)傳感器頻率輸入式（1）作為0f，即將秤臺(tái)重（皮重）置零，則此后稱軸重（貨重）準(zhǔn)確。第三，對(duì)于經(jīng)過充分老化已穩(wěn)定的稱重傳感器，A、B在-20℃～50℃范圍可看作常數(shù)，秤臺(tái)置零后稱重即準(zhǔn)確，不需另加硬件、軟件進(jìn)行溫度修正。
采用這種振弦稱重技術(shù)，儀表部分（廠家稱為控制器），總重僅4kg，遠(yuǎn)低于其他產(chǎn)品（例如派特控制器重45kg，重量大10倍），不僅成本低，在一定程度上說明該技術(shù)具有先進(jìn)性。
效果及評(píng)價(jià)
該動(dòng)態(tài)汽車稱重系統(tǒng)樣機(jī)經(jīng)山東省計(jì)量科學(xué)研究院用標(biāo)準(zhǔn)載重車測試，獲國家計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書：動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度5級(jí)（首檢誤差±2.5%以內(nèi)），實(shí)際稱重?cái)?shù)據(jù)80%首檢誤差±1%，接近2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；稱重平均值誤差≤0.13%，表明系統(tǒng)誤差很小。
“分體式動(dòng)態(tài)汽車衡”獲國家發(fā)明（號(hào)：ZL200710014267.6）。
2008年，該稱重系統(tǒng)通過山東省*組織專家會(huì)議鑒定，評(píng)為：“先進(jìn)水平”。
3.2 兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車衡
3.2.1 動(dòng)態(tài)衡圖，見圖4
1-承載器（兩個(gè)三角形秤臺(tái)）；2-邊框；3-稱重傳感器；4-水平彈簧；
5-吸振橡膠板； 6-接線盒；7-主電纜；8-控制器
圖4 兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車衡
設(shè)計(jì)重點(diǎn)
針對(duì)“分體式動(dòng)態(tài)汽車衡”的不足進(jìn)行設(shè)計(jì)：
1）去掉長方形小秤臺(tái)多余兩只角形成三角形秤臺(tái)，將三角外伸，其下安裝稱重傳感器，3只傳感器中心連線與秤臺(tái)三邊接近重合。車軸通過承載器不會(huì)引起秤臺(tái)翹動(dòng)，車輪上秤臺(tái)即進(jìn)入準(zhǔn)確稱重區(qū)（指車輪重心進(jìn)入3只傳感器中心連線形成的三角形時(shí)稱重準(zhǔn)確），有利于提高軸稱重的準(zhǔn)確度。
2）用安裝在秤臺(tái)邊框外部的4只水平彈簧從三面拉住秤臺(tái)（穩(wěn)定秤臺(tái)），調(diào)整彈簧拉力，使置于秤臺(tái)和邊框間的橡膠板受力適當(dāng)（足以防塵），但不影響靜態(tài)稱重。稱軸重，秤臺(tái)受到軸重沖擊時(shí)，彈簧、橡膠板系統(tǒng)有較好緩沖和阻尼作用。
3）兩個(gè)三角形小秤臺(tái)錯(cuò)位安裝，便于準(zhǔn)確識(shí)別進(jìn)車、倒車和測量車速、加速度。除此之外，當(dāng)司機(jī)讓汽車突然加速“跳過”前面秤臺(tái)，車輛稱重不會(huì)減輕。
預(yù)期療效預(yù)計(jì)兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車衡為核心的動(dòng)態(tài)車輛稱重系統(tǒng)應(yīng)具有穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)汽車稱重振動(dòng)干擾小，在車速≤10km/h的情況下，動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度可達(dá)到2級(jí)（首檢誤差±1%），系統(tǒng)車輛分離、動(dòng)態(tài)稱重、車型識(shí)別、車速加速度測量、倒車識(shí)別等功能齊全，而成本在同類產(chǎn)品中zui低。2011年4月份可完成樣機(jī)試驗(yàn)。
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