动态称重技术动态称重技术的应用动态称重技术-动态称重技术的应用2001年8月摘要：动态进行轴载荷测量的技术和应用有着30多年实际应用历史。本文将讨论目前实际使用的设备，并进行技术比较。同时将对弯板式传感器和压电式传感器所能获得的精度和性能进行说明，并给出精度和性能的实际测试结果。目录：1简介1.1 交通与载荷流量统计1.2 用于计算等效标准轴载(ESALS)的详细轴载统计1.3 车轴和整车超载检测1.4 用于执法检查的静态和低速动态称重系统1.5 收费站的称重系统2动态称重（WIM）传感器技术概述2.1 弯板式传感器：2.2 共聚化合物式压电传感器：2.3 石英式压电传感器：2.4 电容式传感器：2.5 桥式称重平台：2.6 光纤传感器：2.7 其它传感器：3动态称重系统（WIM）设计的重要基本性能参数:4传感器的测试方法和精确度5道路上动态称重的物理过程1简介纵观全世界，公路建设者和交通专家特别是交通部门和公路建设管理局，都已清楚了解到公路损坏主要是由超重货车引起。因此，现在动态轴载称重系统被广泛用来保护公路运输系统，同时这种技术还可用来改善交通安全状况以及用于基于车辆重量进行收费的收费系统。下面列出了动态称重系统针对不同情况的应用(CLASS 15)：1.1 交通与载荷流量统计在这种应用中，动态轴载检测系统用于长期监测的交通和载荷数据，并根据不同的车辆类型以及重量范围进行存储。通过对这些数据的不间断纪录和综合计算，可以为新的基础设施的维护和规划提供坚实的数据基础。1.2 用于计算等效标准轴载(ESALS)的详细轴载统计在这种应用中，动态轴载检测系统用于精确地记录和评估重型车辆的单轴和轴组载荷，所测量的值可以用来估算公路的磨损程度、破裂程度、使用寿命和维护需求等。通常公路的设计是基于标准的轴载公式，轴载的测量误差将影响到这个计算公式中四个或更多的关键参数的正确性， 所以应特别注意只能使用高置信度区间的小公差段内的数据。1.3 车轴和整车超载检测在这种应用中，动态轴载检测系统用于检测车轴和整车的超载情况。当车辆通过检测区时，在系统将记录每个车轮和车轴的载荷，并计算出车轴组载荷和总重，然后与限定值比较确定超载与否，同时也应能检测车辆的不平衡度和违规行为。这些违章车辆将被系统自动地引向处理区域，同时系统还将向工作人员发出报警信息，并将数据存储用于以后的分析和统计。为提高工作效率并最大程度减少误检，使用的系统精度应比用于轴载荷统计的系统高。因此，这些系统通常都配置了双重称重传感器。1.4 用于执法检查的静态和低速动态称重系统在这种应用中，动态轴载检测系统的目的是使执法机构能对超重车辆进行处罚，因此系统必须具有较高的精确度，并应已经被国家计量标准机构所认可（如美国的NIST，德国的PTB，中国的技术监督局等）。无论是便携式车轮称重仪或固定式轴载称重系统都应在静态或低速动态模式下使用。如果结合高速预检系统，可以极大地提高系统工作效率。1.5 收费站的称重系统为减少由于超载引起的道路损坏，延长公路的使用寿命和降低养护费用等，目前已有许多国家在收费站使用WIM系统。当没有称重数据时，通常是根据轴数或其它的分类标准进行收费，这种方式有利于重型车辆和超载车辆，它们对路面的损坏大，却只支付很少的费用，为了保护道路超载车辆应缴纳更多费用或禁止其通行直到载重减少到合法限值以下。2动态称重（WIM）传感器技术概述动态称重传感器从形状上来分，主要有两种类型：平板式和条状。这两种传感器由于形状不同，其称量方式也有很大的不同。（见附图1）。平板式传感器由于测量区比较大，因而能够完整的纪录车轮的压力轨迹，因而我们称之为“真实测量”，因此其测量精度和置信区间也比较大，较多用于需要精确、可靠数据的场合。条状传感器由于是条状，因而称量区域较小，通常只有部分车轮的压力压在传感器上，因而不能真实的完整的纪录车轮负载的信号，在动态称重时通常是靠软件的修正来计算，其称量精度和置信区间较小，较多的应用于统计的场合。附图：传感器有效称量区间比较动态称重技术经过了三十多年的发展，各个不同的厂商开发了不同的技术来进行动态称重，因而也出现了各种不同种类的传感器，根据原理不同通常可以分为以下几类：2.1 弯板式传感器：弯板式传感器是一种应变式传感器，利用集成在内部的应变片网，根据称重板受压后产生形变的原理进行测量。弯板传感器是PAT的专有技术。PAT的弯板是一种得到广泛赞誉的动态称重传感器，得到包括欧盟交通委员会、美国联邦交通委员会等组织进行的历次动态称重产品测试中均得到良好结果。PAT的弯板是由在内部集成了应变片网的金属板构成，为防止长期潮湿渗透和腐蚀，传感器表面覆盖一层高温硫化橡胶。弯板传感器的长度为508mm(在行驶方向)，宽度有1.25m和1.75m两种规格，可以完整的纪录轮胎的压力信号，真实的测量轮载值。通常一个车道铺设两个传感器，用于测量车轴载荷。整个传感器厚度不大于25mm，安装在钢制支架中，整个支架是用环氧树脂浇入路面的浅槽中，并采取一定的措施确保弯板的高可靠性和长寿命。弯板的精度为：1%1.5%。PAT的弯板的主要有以下特征： 实际车轮载荷与整体轮胎压力成线性关系； 可靠的高精度； 传感器的厚度很薄，安装仅需一个浅槽，并且有基础框架保护，以防止道路形变对传感器的影响； 传感器非常耐用，整个传感器是一体的，称重平台和应变片之间无机械界面，从而消除了传感器的磨损和破裂； 长期的稳定性； 不受刹车或加速引起的水平方向力的影响； 完整的用高温硫化橡胶密封； 易于更换，实质上无需维修； 高质量产品，寿命大大高于10年； 在全世界主要交通干线中的使用年限已超过20年。 附图：弯板安装示意图2.2 共聚化合物式压电传感器：共聚化合物式压电传感器是利用共聚化合物的压电效应进行测量的。此种传感器是一种动态传感器，只对压力的变化产生电势信号。共聚化合物式压电传感器是由一个金属管以及放置在其中的压电电缆构成，有效长度通常为1830mm，可扩展到3600mm，宽度为20mm，为条状传感器，不能一次测出车轮载荷，通过在测量期间信号累加，用积分算法求出载荷。传感器直接埋入路面，道路(特别是沥青混凝土路面)的形变对其影响较大。混凝土路面和沥青路面的温度影响不同，并且难于补偿。由于传感器设计简单，其产品价格相对较低。在用于车辆分类时其性能是令人满意的，但在动态称重中，其应用非常有限。条形传感器的使用寿命相对较短，并且受公路以及安装质量影响较大。共聚化合物式压电传感器主要有以下特性： 薄条形传感器，安装深度较浅； 通过电势信号变化，局部测量车轮载荷； 灵敏度随着传感器变化，并在不同的安装条件下很难控制； 对水平方向力灵敏，路面上过强的振动会引起 “鬼轴”现象； 温漂较大； 车辆通过时，如果车速过低，将无法称量； 更换传感器时，必须进行路面施工； 车轮凹槽和磨损会引起灵敏度偏差； 使用寿命大约为35年；在近几年中，共聚化合物式传感器的开发上取得了许多重大的成果，其性能得到了进一步的提高，并且其开发和研究工作一直在进行。2.3 石英式压电传感器：石英式传感器是利用石英的压电效应进行测量的。压力使石英晶体产生变化，因而产生和压力成对应关系的电势。石英传感器是一种新型的传感器，近几年由于其性能得到较大的提高，目前得到一定的应用。石英传感器也属于条形传感器一类，长度有1m和0.75m两种，宽度为50mm，高度44mm。和共聚化合物传感器一样，石英传感器也不能一次完整的测量出轮载，而是通过积分累加进行计算的，但是和共聚化合物传感器相比较，石英传感器的温漂极小，也没有“鬼轴”现象，低速、高速状态下均可进行称量，同时石英的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。石英传感器的安装也是采取直接埋入路面的方式，因而也不可避免的受到路面形变的影响，同时更换时需要路面施工。附图：安装在路面的传感器侧视图2.4 电容式传感器：电容式传感器目前有两种形式，一种是条状传感器，另一种是电容网式传感器。其主要原理是利用电容效应，当压力压在传感器上，导致两个极板间的间距减小，其电容值发生变化，通过电路转换，进行测量。条形电容式传感器与压力棒在尺寸和安装形式上是一致的。其基本特性相类似，主要问题是寿命较低。本身精度为3% RMS。电容网式传感器式一种新型的传感器，其结构为平板式，目前主要用于便携式称量设备。2.5 桥式称重平台：桥式称重平台是带有独立的压力传感器或剪切式压力传感器的平台。桥式称重平台是通过称重平台将轴载压力传递到压力传感器上，进行称量。这种称重平台形式在传统的地磅中得到广泛的应用，但由于有过多的机械结构，因而在动态称量过程中，车辆的动态行驶产生的不均匀交变冲击容易损坏平台。目前仅在低速称重中有应用，在高速称重中极少应用。2.6 光纤传感器：光纤式传感器是利用压力改变光纤的光通量，根据光的变化，来计算压力的值。目前该项技术尚未在动态称重中正式应用。2.7 其它传感器：目前除了以上几种主流传感器外，一些公司还开发一些动态称重传感器，主要是采用了应变片技术，但是由于未被国际的动态称重组织进行过实测评比，因而无法进行进一步说明。表1: 不同称重技术的应用交通载荷统计详细轴载荷记录超载监控称重站收费站的WIM系统弯板共聚化合物()石英式()电容式（条状）桥式称重平台（）（）光纤式()()()3动态称重系统（WIM）设计的重要基本性能参数:动态轴载称重系统由于其检测过程复杂，专业性较强，同时不同性质的系统价格差距也较大，因而如何根据实际情况和需求进行设计尤其重要，一个好的设计即能充分发挥设备的性能，又能充分节省用户投资。设计动态轴载称重系统时主要应考虑以下几个方面的问题：系统精确度和置信度的要求；路面条件和车辆行驶状态对精度的置信度的影响；校准后的长期稳定性；使用寿命与费用(硬件、软件、安装和调试、维护、修理等费用)供货商的备件供应（长期供给的有效性）；更换传感器的难度。在动态称重系统的使用和维护过程中，其质量和寿命主要受以下几个因素影响：使用的称重传感器的性能和技术；系统结构布置和传感器的配置；道路表面的质量和道路结构的稳定性能；道路平整度；安装条件和过程；司机的行为，刹车、加速或避开传感器可能会影响结果的准确性；车辆状态（车轮悬挂，轮胎光滑度，装载液态货物，活的货物等）4传感器的测试方法和精确度所有的WIM 传感器产品都没有已制定的统一传感器的测试方法。传感器精度的描述对于实际的动态称量精度是没有太大的意义的。下图显示了条形传感器在安装之前和之后的典型的统一标准数据，所显示的差值主要由以下几个因数引起：不一致的安装深度，底部密实度不同，安装浅槽的宽度和深度部不均匀等。如果当传感器的上端突出3mm时的输出为1V时，那么与路面齐平时输出大约为700mV，而凹下路面3mm或以上时，输出可能小于100mV。附图：共聚化合物传感器安装前后灵敏度5道路上动态称重的物理过程