上海香川電子衡器有限公司

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【摘 要】 對(duì)于承載器是長(zhǎng)方形秤臺(tái)的軸重式動(dòng)態(tài)衡,，發(fā)現(xiàn)稱(chēng)重不準(zhǔn)確的原因是：稱(chēng)軸重時(shí)，秤臺(tái)長(zhǎng)方向撓曲振動(dòng)及秤臺(tái)翹動(dòng)嚴(yán)重干擾稱(chēng)重,。改進(jìn)試驗(yàn)：承載器采用兩個(gè)長(zhǎng)方形小秤臺(tái)各下置3只稱(chēng)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(chēng)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(guò)大影響靜態(tài)稱(chēng)重等問(wèn)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(chēng)重,。預(yù)期效果,，車(chē)速10km/h以下達(dá)到2級(jí)。計(jì)劃2011年4月完成試驗(yàn),。
【關(guān)鍵詞】稱(chēng)重技術(shù),；兩體式三角形動(dòng)態(tài)衡；振弦式稱(chēng)重技術(shù),；計(jì)重收費(fèi)
1 引言
我國(guó)高速公路為遏制車(chē)輛超載超限運(yùn)輸,，普遍采用動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)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(chē)衡（簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)態(tài)衡）是該系統(tǒng)的核心,，汽車(chē)通過(guò)時(shí)，稱(chēng)量各軸重累加求出車(chē)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(zhǎng)方形秤臺(tái)配4只稱(chēng)重傳感器的*代產(chǎn)品，由山東交潤(rùn)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(chē)輛計(jì)重收費(fèi)，做出一定成績(jī),，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(guò)車(chē)軸時(shí)，秤臺(tái)長(zhǎng)方向撓曲振動(dòng)強(qiáng)烈干擾稱(chēng)重,；（2）4只稱(chēng)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(guò)車(chē)時(shí)秤臺(tái)翹動(dòng)干擾稱(chēng)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(wèn)題,，課題組從理論上研究該動(dòng)態(tài)衡“動(dòng)態(tài)稱(chēng)重的物理模型”，給出動(dòng)態(tài)稱(chēng)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(zhǎng)方形小秤臺(tái)各下置3只稱(chēng)重傳感器的“分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”,，經(jīng)計(jì)量測(cè)試80%的稱(chēng)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(chē)衡”獲國(guó)家發(fā)明，論文《動(dòng)態(tài)車(chē)輛稱(chēng)重物理模型與提高動(dòng)態(tài)稱(chēng)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(zhǎng)方形秤臺(tái)改為兩個(gè)長(zhǎng)方形小秤臺(tái)有畫(huà)蛇添足之誤,，因?yàn)槿羧サ舳嘤鄡山牵臑閮蓚€(gè)三角形小秤臺(tái),、三角外伸在其下安裝稱(chēng)重傳感器,，則*不需要輔助支撐，而且能消除過(guò)車(chē)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(chēng)重準(zhǔn)確度，動(dòng)態(tài)稱(chēng)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(chē)衡”申請(qǐng)國(guó)家,，已獲受理。2011年4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(chē)衡稱(chēng)不準(zhǔn)問(wèn)題,。
2 承載器為長(zhǎng)方形秤臺(tái)下置4只稱(chēng)重傳感器的軸重式動(dòng)態(tài)衡稱(chēng)不準(zhǔn)的原因
*代產(chǎn)品,，實(shí)際上是將靜態(tài)汽車(chē)稱(chēng)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(chēng)重這種簡(jiǎn)單化處理,，自然效果不會(huì)太好。
2.1 *代產(chǎn)品存在的主要問(wèn)題
理論軸稱(chēng)重曲線(xiàn)見(jiàn)圖1,。tW
圖1 理論的軸稱(chēng)重曲線(xiàn)
研究發(fā)現(xiàn),，存在4種“振動(dòng)”干擾稱(chēng)重：
*種，鋼板產(chǎn)生頻率較高的機(jī)械“震動(dòng)”（頻率幾十到200Hz）,。若稱(chēng)重傳感器對(duì)它響應(yīng),，則在軸稱(chēng)重曲線(xiàn)上疊加著振動(dòng)干擾[2]，見(jiàn)圖2,。
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圖2 有振動(dòng)干擾的軸稱(chēng)重曲線(xiàn)
第二種,，車(chē)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(chē)輛快速駛過(guò)不平路面時(shí)，振動(dòng)強(qiáng)烈對(duì)稱(chēng)重影響很大,；但低速勻速駛過(guò)平整路面時(shí),，振幅小，影響小,。因此國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG907-2006附錄C,，對(duì)稱(chēng)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,。
第三種,，秤臺(tái)長(zhǎng)方向撓曲變形振動(dòng)：由于秤臺(tái)長(zhǎng)>3m，寬0.8m,，重車(chē)（軸重10～30t）通過(guò)時(shí),，秤臺(tái)長(zhǎng)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(chēng)重準(zhǔn)確度影響很大,，特別是車(chē)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(chēng)重不準(zhǔn)確的主要原因,。
第四種，秤臺(tái)翹動(dòng)“振動(dòng)”：由于4只稱(chēng)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(chēng)重傳感器懸空。稱(chēng)軸重時(shí),，先由對(duì)角線(xiàn)兩只和前面一只稱(chēng)重傳感器稱(chēng)量,，后轉(zhuǎn)為另3只稱(chēng)重傳感器稱(chēng)量，秤臺(tái)的這種翹動(dòng)不僅直接干擾軸稱(chēng)重,，還引起秤臺(tái)和軸重對(duì)懸空稱(chēng)重傳感器沖擊,。特別是若位置在前面的稱(chēng)重傳感器懸空，則稱(chēng)軸重時(shí)秤臺(tái)翹動(dòng)兩次,，依次沖擊前后兩只稱(chēng)重傳感器,，影響更大。每天過(guò)車(chē)沖擊上千次,，使懸空稱(chēng)重傳感器的準(zhǔn)確度較快下降,，甚至使用不長(zhǎng)時(shí)間就會(huì)誤差過(guò)大使稱(chēng)重不準(zhǔn)確。
2.2 對(duì)存在問(wèn)題及解決辦法進(jìn)一步分析
對(duì)*種機(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(chēng)重傳感器（例如液壓轉(zhuǎn)換式稱(chēng)重傳感器）；對(duì)第二種振動(dòng),，按國(guó)家檢定規(guī)程嚴(yán)格修建稱(chēng)量區(qū)引道,，并要求車(chē)輛限速勻速行駛，方能減輕其影響,。目前高速公路管理部門(mén)執(zhí)行嚴(yán)格限速和保持勻速迂到困難,，車(chē)輛快速?zèng)_過(guò)秤臺(tái)及加速“跳過(guò)”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(shuō)是*代軸重式動(dòng)態(tài)衡存在的主要問(wèn)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(chē)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(guò)渡過(guò)程振動(dòng),，在過(guò)渡過(guò)程中稱(chēng)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(chēng)重都不同,，稱(chēng)不準(zhǔn)。為借鑒,，調(diào)查上動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡發(fā)展?fàn)顩r,，發(fā)現(xiàn)從加拿大引進(jìn)的德國(guó)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(guó)臺(tái)灣某公司技術(shù)負(fù)責(zé)人告訴作者：承載器為長(zhǎng)方形秤臺(tái)的動(dòng)態(tài)衡經(jīng)中國(guó)臺(tái)灣*測(cè)試,，沒(méi)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),?？梢?jiàn)國(guó)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(chēng)重傳感器是動(dòng)態(tài)汽車(chē)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(chē)衡稱(chēng)不準(zhǔn)問(wèn)題。[注：據(jù)2010年中國(guó)質(zhì)量報(bào)楊蕾報(bào)導(dǎo)：全國(guó)計(jì)重收費(fèi)動(dòng)態(tài)衡普遍存在稱(chēng)不準(zhǔn)問(wèn)題,，給計(jì)重收費(fèi)工作帶來(lái)很大麻煩和困擾,。]
3 動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統(tǒng)改進(jìn)試驗(yàn)
3.1 承載器為兩個(gè)長(zhǎng)方形小秤臺(tái)各下置3只稱(chēng)重傳感器強(qiáng)阻尼動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡
3.1.1 稱(chēng)重系統(tǒng)圖
以這一動(dòng)態(tài)衡為核心的動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統(tǒng)見(jiàn)圖3
圖3 動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統(tǒng)
3.1.2 “分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”
針對(duì)現(xiàn)存問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)“分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”,，要點(diǎn)如下：
1）以?xún)蓚€(gè)1500×500×130mm長(zhǎng)方形小秤臺(tái)取代3200×800×200長(zhǎng)方形秤臺(tái)（簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)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(zhǎng)方形大秤臺(tái),，又只承受軸重的一半,，因此稱(chēng)軸重時(shí)長(zhǎng)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(chēng)重傳感器,，車(chē)輛從兩只稱(chēng)重傳感器那邊上秤臺(tái),。為使車(chē)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(chēng)重。所用傳感器為液壓轉(zhuǎn)換式振弦稱(chēng)重傳感器,，這種稱(chēng)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(chēng)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(jiǎn)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(chēng)重曲線(xiàn),。這種振弦稱(chēng)重傳感器還有良好的抗電磁干擾性能，不怕潮濕,，壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上,，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。
為了獲得稱(chēng)重傳感器頻率,，采用鄧氏雙線(xiàn)圈恒流型鋼弦激發(fā)電路（）,，由頻率計(jì)算稱(chēng)重采用振弦傳感器數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)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(chēng)重W對(duì)應(yīng)的頻率,，0f為W=0時(shí)的頻率,，稱(chēng)為初頻。
該數(shù)學(xué)模型是本文*作者于1981年研制礦壓遙測(cè)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(chēng)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(chēng)軸重（貨重）準(zhǔn)確,。第三，對(duì)于經(jīng)過(guò)充分老化已穩(wěn)定的稱(chēng)重傳感器,，A,、B在-20℃～50℃范圍可看作常數(shù)，秤臺(tái)置零后稱(chēng)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(chēng)重技術(shù),，儀表部分（廠(chǎng)家稱(chēng)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(shuō)明該技術(shù)具有*性,。
3.1.3 效果及評(píng)價(jià)
該動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)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(chē)測(cè)試,，獲國(guó)家計(jì)量器具型式批準(zhǔn)證書(shū)：動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確度5級(jí)（首檢誤差±2.5%以?xún)?nèi)），實(shí)際稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)80%首檢誤差±1%,，接近2級(jí)標(biāo)準(zhǔn),；稱(chēng)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(chē)衡”獲國(guó)家發(fā)明（號(hào)：ZL200710014267.6）,。
2008年，該稱(chēng)重系統(tǒng)通過(guò)山東省*組織專(zhuān)家會(huì)議鑒定,，評(píng)為：“較高水平”,。
3.2 兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡
3.2.1 動(dòng)態(tài)衡圖，見(jiàn)圖4
1-承載器（兩個(gè)三角形秤臺(tái)）,；2-邊框,；3-稱(chēng)重傳感器；4-水平彈簧,；
5-吸振橡膠板,； 6-接線(xiàn)盒；7-主電纜,；8-控制器
圖4 兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡
3.2.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)
針對(duì)“分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”的不足進(jìn)行設(shè)計(jì)：
1）去掉長(zhǎng)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(chēng)重傳感器,，3只傳感器中心連線(xiàn)與秤臺(tái)三邊接近重合,。車(chē)軸通過(guò)承載器不會(huì)引起秤臺(tái)翹動(dòng)，車(chē)輪上秤臺(tái)即進(jìn)入準(zhǔn)確稱(chēng)重區(qū)（指車(chē)輪重心進(jìn)入3只傳感器中心連線(xiàn)形成的三角形時(shí)稱(chēng)重準(zhǔn)確）,，有利于提高軸稱(chēng)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(chēng)重。稱(chēng)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(chē)、倒車(chē)和測(cè)量車(chē)速、加速度,。除此之外,，當(dāng)司機(jī)讓汽車(chē)突然加速“跳過(guò)”前面秤臺(tái)，車(chē)輛稱(chēng)重不會(huì)減輕,。
3.2.3 預(yù)期效果
預(yù)計(jì)兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡為核心的動(dòng)態(tài)車(chē)輛稱(chēng)重系統(tǒng)應(yīng)具有穩(wěn)定性好,，動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重振動(dòng)干擾小，在車(chē)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(chē)輛分離、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重,、車(chē)型識(shí)別,、車(chē)速加速度測(cè)量、倒車(chē)識(shí)別等功能齊全,，而成本在同類(lèi)產(chǎn)品中zui低,。2011年4月份可完成樣機(jī)試驗(yàn)。