高速公路稱重傳感器原理及運用
高速公路計重收費是一種通過安裝在高速公路出口收費車道或開放式收費站收費車道的稱重設備對載貨車輛進行稱重，并在標準收費基礎上對超載重量加收補償性費用的措施。對載貨車輛按計重收費方式收取通行費，能有力遏制對道路破壞性使用的嚴重超載運輸現(xiàn)象，也是通過經(jīng)濟手段治理超載運輸?shù)拈L期有效辦法。稱重系統(tǒng)是計重收費系統(tǒng)的重要組成部分，稱重系統(tǒng)的準確性和可靠性與否，直接關系計重收費的公平和順利實施，本文就稱重系統(tǒng)中的關鍵設備稱重傳感器進行介紹及比較。高速動態(tài)稱重系統(tǒng)采用智能化控制主機，兼容壓電稱重傳感器、彎板稱重傳感器和石英稱重傳感器，具備相當強大的兼容性、擴展性和可升級性。 超限超載檢測站、計重收費系統(tǒng)、*一類交通流量觀測站、交通數(shù)據(jù)調查與分析、橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)中的實際交通負荷監(jiān)測等。
高速動態(tài)稱重傳感器概述：
為了保護高速公路路面及其他路產(chǎn)免遭超重車破壞，對超限車輛進行有效的控制，因而有必要設置高速動態(tài)稱重系統(tǒng)對來往的車輛進行監(jiān)控和管理，禁止超限車輛駛入高速公路，或對已經(jīng)在路面上過往車輛軸重及總重載荷進行預檢，從正常行駛車輛中篩選出有超限超重嫌疑的車輛。
高速動態(tài)超限預警稱重系統(tǒng)設置在安裝在高速公路主線斷面上，在高速稱重系統(tǒng)前方設置路牌，提示司機即將進入稱重區(qū)。在高速稱重系統(tǒng)后方設置超重報警顯示裝置，對超限超重車輛進行引導，使之退出高速公路或從近的匝道口駛出高速公路。另外可增加攝像系統(tǒng)對超限車輛進行圖片抓拍和車牌識別，將超限超重車輛的動態(tài)稱重的數(shù)據(jù)和圖片以及相應的車牌傳給上位計算機。
高速動態(tài)稱重傳感器詳細介紹：
一、稱重系統(tǒng)構成及原理
1、稱重系統(tǒng)主要由稱重傳感器、車輛分離器、輪胎識別器、地感線圈、控制柜組成。
稱重傳感器：主要完成車軸的稱重、速度檢測、軸型判斷等工作。
車輛分離器：用來進行車輛的分離及提供開始、結束等信號。
輪胎識別器：主要用來檢測通過車輛每軸的輪胎數(shù)。
地感線圈：主要用來完成測速、倒車的檢測，并與紅外線分離器一起對非車輛以外的物體或人通過時的判斷，減少出錯。
控制柜：處理稱重傳感器和線圈送來的信息，經(jīng)過分析和處理得出車輛的載荷信息。
2、系統(tǒng)工作原理
車輛駛入收費車道，其輪軸依次壓過鋪設在車道路面中的地感線圈、稱重傳感器、車輛分離器、輪軸識別器，稱重傳感器將檢測出每軸軸重、軸型（單軸、聯(lián)軸），輪胎識別器將檢測出輪胎類型（單雙胎）信息，車輛分離器可準確判別車輛是否*通過。當車輛*離開后，控制處理器將稱重結果、車型判別結果等信息傳輸?shù)杰嚨朗召M計算機。車道收費計算機依據(jù)計重收費費率對車輛實行計重收費，并將車輛的載重信息和應交納的金額顯示在計重顯示屏上。從整個工作原理可以看出，稱重傳感器是計重收費系統(tǒng)的關鍵設備，稱重傳感器的稱重精度、穩(wěn)定性將直接影響到計重收費系統(tǒng)的稱重精度。
二、稱重傳感器介紹
動態(tài)稱重技術經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，各個不同的廠商開發(fā)了不同的技術來進行動態(tài)稱重，因而也出現(xiàn)了各種不同種類的傳感器，根據(jù)原理不同通常可以分為以下幾類：
1、彎板式傳感器：
彎板式傳感器是一種應變式傳感器，利用集成在內部的應變片網(wǎng)，根據(jù)稱重板受壓后產(chǎn)生形變的原理進行測量。彎板傳感器是由在內部集成了應變片網(wǎng)的金屬板構成，為防止長期潮濕滲透和腐蝕，傳感器表面覆蓋一層高溫硫化橡膠。可以完整的紀錄輪胎的壓力信號，真實的測量輪載值。在目前在高速公路中的高速、低速稱重中有廣泛應用。
2、稱臺式傳感器：
稱臺式傳感器（由稱重平臺、壓力傳感器組成，本文中簡稱“稱臺式傳感器”）是帶有獨立的壓力傳感器或剪切式壓力傳感器的平臺，是通過稱重平臺將軸載壓力傳遞到壓力傳感器上，進行稱量。
這種稱重平臺形式在傳統(tǒng)的地磅中得到廣泛的應用，但由于有過多的機械結構，因而在動態(tài)稱量過程中，車輛的動態(tài)行駛產(chǎn)生的不均勻交變沖擊容易損壞平臺，目前在高速公路中的低速稱重中有廣泛應用。
3、共聚化合物式壓電傳感器：
共聚化合物式壓電傳感器是利用共聚化合物的壓電效應進行測量的。此種傳感器是一種動態(tài)傳感器，只對壓力的變化產(chǎn)生電勢信號。共聚化合物式壓電傳感器是由一個金屬管以及放置在其中的壓電電纜構成，有效長度通常為1830mm，可擴展到3600mm，寬度為20mm，為條狀傳感器，不能一次測出車輪載荷，通過在測量期間信號累加，用積分算法求出載荷。傳感器直接埋入路面，道路（特別是瀝青混凝土路面）的形變對其影響較大。混凝土路面和瀝青路面的溫度影響不同，并且難于補償。由于傳感器設計簡單，其產(chǎn)品價格相對較低。在用于車輛分類時其性能是令人滿意的，但在動態(tài)稱重中，其應用非常有限。
條形傳感器的使用壽命相對較短，并且受公路以及安裝質量影響較大。
在近幾年中，共聚化合物式傳感器的開發(fā)上取得了許多重大的成果，其性能得到了進一步的提高，并且其開發(fā)和研究工作一直在進行。
4、 石英式壓電傳感器：
石英式傳感器是利用石英的壓電效應進行測量的。壓力使石英晶體產(chǎn)生變化，因而產(chǎn)生和壓力成對應關系的電勢。
石英傳感器是一種新型的傳感器，近幾年由于其性能得到較大的提高，目前得到一定的應用。石英傳感器也屬于條形傳感器一類，長度有1m和0.75m兩種，寬度為50mm，高度44mm。和共聚化合物傳感器一樣，石英傳感器也不能一次完整的測量出輪載，而是通過積分累加進行計算的，但是和共聚化合物傳感器相比較，石英傳感器的溫漂極小，也沒有“鬼軸”現(xiàn)象，低速、高速狀態(tài)下均可進行稱量，同時石英的物理特性比較穩(wěn)定，其靈敏度隨時間變化較小。石英傳感器的安裝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變的影響，同時更換時需要路面施工。
5、電容式傳感器：
電容式傳感器目前有兩種形式，一種是條狀傳感器，另一種是電容網(wǎng)式傳感器。其主要原理是利用電容效應，當壓力壓在傳感器上，導致兩個極板間的間距減小，其電容值發(fā)生變化，通過電路轉換，進行測量。
條形電容式傳感器與壓力棒在尺寸和安裝形式上是一致的。其基本特性相類似，主要問題是壽命較低。本身精度為±3% RMS。
電容網(wǎng)式傳感器式一種新型的傳感器，其結構為平板式，目前主要用于便攜式稱重設備。
其它傳感器：
目前除了以上幾種主流傳感器外，一些公司還開發(fā)一些動態(tài)稱重傳感器，主要是采用了應變片技術，目前處于研發(fā)階段，因而無法進行進一步說明。
三、主流傳感器比較
目前在全國實行了計重收費的省份，稱重傳感器主要用了彎板式和稱臺式2種，其它傳感器用于高速公路計重收費方面很少，下面從8個方面對這2種稱重傳感器進行比較分析。
1、發(fā)展歷史
稱臺式傳感器是由傳統(tǒng)的汽車衡發(fā)展演變而來，由傳統(tǒng)的地磅稱重逐漸演變?yōu)閷ΨQ重要求不高，對設備體積長度要求較高的的場合，改為軸重衡器，即對車輛的每個軸進行稱重，得出數(shù)據(jù)累加得出整車的重量，是由靜態(tài)稱重發(fā)展為低速動態(tài)稱重。
彎板式傳感器是一種應變式傳感器，利用集成在內部的應變片網(wǎng)，根據(jù)稱重板受壓后產(chǎn)生形變的原理進行測量。開始為汽車超載預檢的高速動態(tài)稱重設備，后來為適應公路計重收費場合，研發(fā)改進了計算系統(tǒng)，著重完善低速區(qū)間的稱重檢測，是由高速動態(tài)稱重向低速動態(tài)稱重發(fā)展而來。
2、安裝方式
稱臺式傳感器對路面的水平度要求高，對路面破壞大，在路面上必須開挖較深的基坑（深70-80cm）并加固基礎，在將框架用混凝土固定在路面中后，混凝土需凝固和養(yǎng)生，方可安裝稱重平臺。一套稱重系統(tǒng)的施工周期需20天左右，對已通車收費的車道影響較大。
彎板式傳感器可以沿地面安裝，施工周期短，對路面破壞小，安裝時不需重做基礎，只在路面切割寬60cm、深5-6cm的基坑，用膠將支撐底板和路面澆注為一體，12小時后膠即*固化，將彎板安裝在支撐板上即可，一套稱重系統(tǒng)安裝期為5-7天，特別適合已通車收費的車道。
3、對排水的要求
稱臺式傳感器當較深的基坑灌水時，將影響稱重精度。由于稱重設備排水管道出口一般低于收費廣場排水溝底，還需增加排水井和自動潛水泵以保證及時排水或人工清除。
彎板式傳感器由于本身有防水設計，加上是淺層安裝，因此對排水要求較低。
4、潮濕及尾氣對設備壽命的影響
稱臺式傳感器主要由鋼結構件組成,雖經(jīng)一定的防腐處理,但仍難完*潮濕以及汽車尾氣等對設備的腐蝕。
彎板式傳感器由于采用整體式傳感器技術并經(jīng)硫化橡膠表面密封和防腐處理，是目前所有傳感器中*能做到*防腐并能持續(xù)浸水300小時仍正常工作的。
5、使用壽命
彎板式傳感器由于設備本身無運動件，因此在無維修的情況下，使用壽命將長達十年以上。
稱臺式傳感器為機械運動件，在無維修的情況下，其壓力傳感器一般使用1-2年則必須更換。
6、設備價格
稱臺式傳感器的平均價格較低，在貨車日流量小的收費站使用時性價比高。
彎板式傳感器價格較高。
7、使用性能
秤臺式傳感器由于采用機械運動結構，抗沖擊能力差，運行一段時間后會造成稱臺變形。當稱臺與稱框存在擦靠現(xiàn)象時，將影響稱重精度。這種影響主要體現(xiàn)在：對相同質量進行計量時，正反行程的計量值不一致。更重要的是，存在擦靠現(xiàn)象會使得動態(tài)修正函數(shù)發(fā)生變化，從而使計重設備的動態(tài)計重性能下降,需重新維修和標定。
彎板式傳感器由特殊超硬金屬板材做成，無運動件，能有效解決車輛通過時剪切力對稱重精度的影響。能測出完整軸重信號，是一種動態(tài)式稱重裝置；稱重測量速度范圍寬，抗沖擊能力強，可重復性好。
8、運行及維護成本分析
秤臺式傳感器有運動件，則主稱臺和基礎之間必須留有不能密封的間隙，當車道內的雜物、泥沙、碎石等從間隙中落入基坑時，將在稱臺下產(chǎn)生淤泥并影響稱重精度。而將稱臺吊起清掃基坑后，須重新由法定機構標定秤重精度，秤臺式每隔1-2年必須更換傳感器，每年維護成本高。
彎板式傳感器采用免維護結構，日常運行無需清理和保養(yǎng)；當路面需要維修時，可方便的將稱重傳感器拆掉，再重新安裝標定, 每年維護成本低。
四、結束語
稱重系統(tǒng)的總體精度是要靠各個組成部分（包括各種軟硬件）的分精度來保證的，稱重傳感器只是其中的關鍵設備，對整個系統(tǒng)的稱重精度有直接影響，在實際選型時，還應綜合考慮成本、貨車日流量、路面平整度、氣侯條件等因素，以期選到符合工程實際需求的實用可靠的產(chǎn)品。
