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(bào)警和軸載動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量中，迫切需要體積小、高度低、重量輕，剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)范圍廣，靈敏度高的動(dòng)態(tài)稱重傳感器和動(dòng)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(cè)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(dòng)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(bào)警，隧道保護(hù)和車輛軸載計(jì)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(xiàng)目“COTS323道路動(dòng)態(tài)稱重"的要求，對(duì)壓電石英稱重傳感器與另外8個(gè)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(hào)、并將其儲(chǔ)存在軟盤上，然后將數(shù)據(jù)用計(jì)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(dòng)態(tài)稱量結(jié)果與動(dòng)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(jì)量。
稱重傳感器在動(dòng)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(gè)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(gè)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(dòng)態(tài)公路車輛軸重秤（軌道衡）。北京中航科儀測(cè)控技術(shù)有限公司研制的石英晶體動(dòng)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(gè)平面形成的矩形通孔。
多個(gè)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(duì)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(shí)首先沿梁式稱重傳感器的水平對(duì)稱軸，對(duì)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(gè)石英晶體片。然后卸掉水平力P，此時(shí)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(dòng)態(tài)稱重儀表就可實(shí)現(xiàn)公路車輛動(dòng)態(tài)稱重。
壓電石英梁式稱重傳感器在應(yīng)用時(shí)必須埋在路面下，梁的上表面為載荷測(cè)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(dòng)態(tài)稱量的準(zhǔn)確度，應(yīng)對(duì)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(hào)脈沖形狀和可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果。例如：在梁式稱重傳感器埋入地面時(shí)，采用窄條柔軟泡沫圍繞上部整個(gè)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(cè)量表面的寬度比車輛輪胎的印跡窄，重量信號(hào)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(shí)段內(nèi)信號(hào)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(dòng)態(tài)稱重的準(zhǔn)確度，一般都采用排列多個(gè)稱重傳感器求動(dòng)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(dòng)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(shí)別、橋梁超載報(bào)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(dòng)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(cè)控技術(shù)有限公司。該公司為了實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)稱重和車速、軸距、單雙輪胎識(shí)別等多參數(shù)測(cè)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(cè)控技術(shù)有限公司的CKY-199型壓電石英稱重傳感器組成動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。這套動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的各項(xiàng)功能特別是動(dòng)態(tài)稱量準(zhǔn)確度、動(dòng)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(gè)稱重站工作了3年，只有一個(gè)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(gè)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(cè)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(gè)月的測(cè)試期內(nèi)，靈敏度變化在2%以內(nèi)；
（2）結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用，可承受路面上通常見到的磨損、壓力、振動(dòng)和沖擊等，疲勞壽命長，在環(huán)形疲勞試驗(yàn)場(chǎng)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(jì)，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(hào)輸出，所有檢測(cè)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(cè)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(dòng)態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度之快，測(cè)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(dòng)態(tài)輪軸秤的。
利用這類動(dòng)態(tài)稱重傳感器與車輛自動(dòng)識(shí)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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