怎樣提高便攜式軸重動(dòng)（靜）態(tài)汽車(chē)衡準確度
【簡(jiǎn) 述】 對于承載器是長(cháng)方形秤臺的軸重式動(dòng)態(tài)衡，發(fā)現稱(chēng)重不準確的原因是：稱(chēng)軸重時(shí)，秤臺長(cháng)方向撓曲振動(dòng)及秤臺翹動(dòng)嚴重干擾稱(chēng)重。改進(jìn)試驗：承載器采用兩個(gè)長(cháng)方形小秤臺各下置3只稱(chēng)重傳感器，并以橡膠板對秤臺振動(dòng)進(jìn)行強阻尼，結果：動(dòng)態(tài)稱(chēng)重準確度明顯提高，接近2級，但仍存在秤臺翹動(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)：設計制造承載器為兩個(gè)三角形小秤臺的動(dòng)態(tài)衡，并從外部用水平彈簧拉住秤臺，使橡膠板摩擦力適當不影響靜態(tài)稱(chēng)重。預期效果，車(chē)速10km/h以下達到2級。計劃2011年4月完成試驗。
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)；計重收費
【要聞】我國高速公路為遏制車(chē)輛超載超限運輸，普遍采用動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統進(jìn)行計重收費，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年擔任技術(shù)負責人完成山東省*項目，研發(fā)成功承載器為長(cháng)方形秤臺配4只稱(chēng)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)現公路車(chē)輛計重收費，做出一定成績(jì)，獲山東省科技進(jìn)步二等獎。調試維修中發(fā)現：（1）過(guò)車(chē)軸時(shí)，秤臺長(cháng)方向撓曲振動(dòng)強烈干擾稱(chēng)重；（2）4只稱(chēng)重傳感器支承秤臺為靜不定結構，不穩定，常使一只傳感器懸空，過(guò)車(chē)時(shí)秤臺翹動(dòng)干擾稱(chēng)重，同時(shí)秤臺和軸重沖擊懸空傳感器，每天數千次使其準確度降低。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)衡準確度，應加大阻尼、減小秤臺撓曲振幅，并適當提高固有頻率避免發(fā)生共振。隨后，設計制造了承載器為兩個(gè)長(cháng)方形小秤臺各下置3只稱(chēng)重傳感器的“分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”，經(jīng)計量測試80%的稱(chēng)重數據誤差＜1%，性能接近2級動(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)重準確度研究》發(fā)表于《計量學(xué)報》[1]。課題組總結時(shí)發(fā)現：將承載器由一個(gè)長(cháng)方形秤臺改為兩個(gè)長(cháng)方形小秤臺有畫(huà)蛇添足之誤，因為若去掉多余兩角，改為兩個(gè)三角形小秤臺、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)軸引起的秤臺翹動(dòng)；其次，作者考慮到：在三角形三邊秤臺和邊框之間放入吸振橡膠板，從外部加水平彈簧拉住秤臺，給膠板以適當壓力（足以防塵），則有可能既不影響靜態(tài)稱(chēng)重準確度，動(dòng)態(tài)稱(chēng)重時(shí)又能提供一定阻尼，且安裝調試十分方便。“兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”申請國家，已獲受理。2011年3月有可能完成樣機試驗。本文側重從理論上進(jìn)行分析總結，結論是：必須從改進(jìn)承載器結構入手，才有可能從根本上解決軸重式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡稱(chēng)不準問(wèn)題。
2 承載器為長(cháng)方形秤臺下置4只稱(chēng)重傳感器的軸重式動(dòng)態(tài)衡稱(chēng)不準的原因
*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。對復雜的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重這種簡(jiǎn)單化處理，自然效果不會(huì )太好。
*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，存在4種“振動(dòng)”干擾稱(chēng)重：
*：鋼板產(chǎn)生頻率較高的機械“震動(dòng)”（頻率幾十到200Hz）。若稱(chēng)重傳感器對它響應，則在軸稱(chēng)重曲線(xiàn)上疊加著(zhù)振動(dòng)干擾[2]，見(jiàn)圖2。
tW
圖2 有振動(dòng)干擾的軸稱(chēng)重曲線(xiàn)
第二：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)強烈對稱(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。因此國家計量檢定規程JJG907-2006附錄C，對稱(chēng)重區引道的平直水平光滑做了嚴格的強制性規定，以減小這種振動(dòng)干擾。
第三：秤臺長(cháng)方向撓曲變形振動(dòng)：由于秤臺長(cháng)>3m，寬0.8m，重車(chē)（軸重10～30t）通過(guò)時(shí)，秤臺長(cháng)方向產(chǎn)生撓曲變形形成振動(dòng)，振幅（即撓度）可達4mm。這種振動(dòng)頻率很低，不能用低通濾波消除。它對動(dòng)態(tài)稱(chēng)重準確度影響很大，特別是車(chē)速進(jìn)入某一范圍時(shí)發(fā)生強烈共振，因此它是導致動(dòng)態(tài)稱(chēng)重不準確的主要原因。
第四：秤臺翹動(dòng)“振動(dòng)”：由于4只稱(chēng)重傳感器支承秤臺為靜不定結構，不穩定，秤臺略有變形就會(huì )使某只稱(chēng)重傳感器懸空。稱(chēng)軸重時(shí)，先由對角線(xiàn)兩只和前面一只稱(chēng)重傳感器稱(chēng)量，后轉為另3只稱(chēng)重傳感器稱(chēng)量，秤臺的這種翹動(dòng)不僅直接干擾軸稱(chēng)重，還引起秤臺和軸重對懸空稱(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)重傳感器的準確度較快下降，甚至使用不長(cháng)時(shí)間就會(huì )誤差過(guò)大使稱(chēng)重不準確。
對存在問(wèn)題及解決辦法進(jìn)一步分析
對*機械振動(dòng)干擾，可進(jìn)行低通濾波，或采用對它不響應的稱(chēng)重傳感器（例如液壓轉換式稱(chēng)重傳感器）；對第二種振動(dòng)，按國家檢定規程嚴格修建稱(chēng)量區引道，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)執行嚴格限速和保持勻速迂到困難，車(chē)輛快速沖過(guò)秤臺及加速“跳過(guò)”秤臺已成為司機減重的一種手段，對計重收費工作不利；第三、第四種“振動(dòng)”干擾，應該說(shuō)是*代軸重式動(dòng)態(tài)衡存在的主要問(wèn)題，作者在文[1]中對第三種撓曲振動(dòng)作了詳細分析研究，指出秤臺撓曲等效于彈簧，秤臺及軸質(zhì)量等效于質(zhì)量塊，軸重量等效于階躍載荷。車(chē)軸上秤臺相當于階躍載荷施加于彈性系統，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。為借鑒，調查上動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡發(fā)展狀況，發(fā)現從加拿大引進(jìn)的德國派特采用兩個(gè)彎板式小秤臺作承載器；瑞士石英動(dòng)態(tài)衡采用兩只石英晶體傳感器（相當于兩個(gè)石英小秤臺）；中國臺灣某公司技術(shù)負責人告訴作者：承載器為長(cháng)方形秤臺的動(dòng)態(tài)衡經(jīng)中國臺灣計量部門(mén)測試，沒(méi)有性能很好的，他設計兩個(gè)小秤臺作承載器效果不錯?？梢?jiàn)國內外動(dòng)向與作者2007年的改進(jìn)方案不謀而合。因此作者認定：承載器采用兩個(gè)小秤臺各下置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)不準問(wèn)題。[注：據2010年中國質(zhì)量報楊蕾報導：全國計重收費動(dòng)態(tài)衡普遍存在稱(chēng)不準問(wèn)題，給計重收費工作帶來(lái)很大麻煩和困擾。]
3 動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統改進(jìn)試驗
3.1 承載器為兩個(gè)長(cháng)方形小秤臺各下置3只稱(chēng)重傳感器強阻尼動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡
稱(chēng)重系統圖
以這一動(dòng)態(tài)衡為核心的動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統見(jiàn)圖3
圖3 動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統
3.1.2 “分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”
針對現存問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，設計“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(cháng)方形小秤臺取代3200×800×200長(cháng)方形秤臺（簡(jiǎn)稱(chēng)長(cháng)方形大秤臺）。由于小秤臺采用20mm厚鋼板焊接而成，強度和剛度遠大于長(cháng)方形大秤臺，又只承受軸重的一半，因此稱(chēng)軸重時(shí)長(cháng)方向撓度（即振幅）降低5倍以上，固有頻率也有較大提高。
2）在秤臺與邊框之間，放入耐老化橡膠板吸振，用彈簧給膠板施加穩定正壓力，使阻尼作用強而穩定，基本不受氣候冷熱影響。
3）每個(gè)小秤臺下置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。為使車(chē)輪下秤臺時(shí)秤臺翹動(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成。秤臺及其承重作用于活塞，活塞將重力轉換為油脂壓力，再由振弦式壓力傳感器將壓力轉換為頻率信號（調頻信號）輸出。這種液壓轉換式振弦稱(chēng)重傳感器對秤臺機械震動(dòng)基本不響應，只需加簡(jiǎn)單的抗脈沖干擾數字濾波，采樣頻率400Hz，即可再現各傳感器的稱(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(cháng)達10年以上，長(cháng)期穩定性好。
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（），由頻率計算稱(chēng)重采用振弦傳感器數學(xué)模型，見(jiàn)式（1）[3][4]：
（）（）220WAffBff=−+− （1）
式中：A、B為傳感器常數，由標定數據zui小二乘法求得（有軟件），f為稱(chēng)重W對應的頻率，0f為W=0時(shí)的頻率，稱(chēng)為初頻。
該數學(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)：*，擬合準確，可顯著(zhù)提高振弦傳感器準確度。依靠它已使振弦稱(chēng)重傳感器準確度達到0.1%FS左右，*公路計重收費動(dòng)態(tài)衡要求（動(dòng)態(tài)準確度5級：首檢誤差±2.5％）。第二，可置零去皮。將秤臺重量對應傳感器頻率輸入式（1）作為0f，即將秤臺重（皮重）置零，則此后稱(chēng)軸重（貨重）準確。第三，對于經(jīng)過(guò)充分老化已穩定的稱(chēng)重傳感器，A、B在-20℃～50℃范圍可看作常數，秤臺置零后稱(chēng)重即準確，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)具有先進(jìn)性。
效果及評價(jià)
該動(dòng)態(tài)汽車(chē)稱(chēng)重系統樣機經(jīng)山東省計量科學(xué)研究院用標準載重車(chē)測試，獲國家計量器具型式批準證書(shū)：動(dòng)態(tài)準確度5級（首檢誤差±2.5%以?xún)龋?，?shí)際稱(chēng)重數據80%首檢誤差±1%，接近2級標準；稱(chēng)重平均值誤差≤0.13%，表明系統誤差很小。
“分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”獲國家發(fā)明（號：ZL200710014267.6）。
2008年，該稱(chēng)重系統通過(guò)山東省*組織專(zhuān)家會(huì )議鑒定，評為：“先進(jìn)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）；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
設計重點(diǎn)
針對“分體式動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡”的不足進(jìn)行設計：
1）去掉長(cháng)方形小秤臺多余兩只角形成三角形秤臺，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)與秤臺三邊接近重合。車(chē)軸通過(guò)承載器不會(huì )引起秤臺翹動(dòng)，車(chē)輪上秤臺即進(jìn)入準確稱(chēng)重區（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)重準確），有利于提高軸稱(chēng)重的準確度。
2）用安裝在秤臺邊框外部的4只水平彈簧從三面拉住秤臺（穩定秤臺），調整彈簧拉力，使置于秤臺和邊框間的橡膠板受力適當（足以防塵），但不影響靜態(tài)稱(chēng)重。稱(chēng)軸重，秤臺受到軸重沖擊時(shí)，彈簧、橡膠板系統有較好緩沖和阻尼作用。
3）兩個(gè)三角形小秤臺錯位安裝，便于準確識別進(jìn)車(chē)、倒車(chē)和測量車(chē)速、加速度。除此之外，當司機讓汽車(chē)突然加速“跳過(guò)”前面秤臺，車(chē)輛稱(chēng)重不會(huì )減輕。
預期療效預計兩體式三角形動(dòng)態(tài)汽車(chē)衡為核心的動(dòng)態(tài)車(chē)輛稱(chēng)重系統應具有穩定性好，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)準確度可達到2級（首檢誤差±1%），系統車(chē)輛分離、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重、車(chē)型識別、車(chē)速加速度測量、倒車(chē)識別等功能齊全，而成本在同類(lèi)產(chǎn)品中zui低。2011年4月份可完成樣機試驗。
客戶(hù)服務(wù)承諾:1：本公司所售產(chǎn)品1年內保修，終身維護服務(wù)！
021-51693791
86-021-51693792
