CN101625254A - 压电式动态条形称重板 - Google Patents

Abstract

一种压电式动态条形称重板，主要包括：上盖板、下盖板、结构化石英晶组三个部分构成，其特征在于：上盖板和下盖板通过紧固预紧螺栓结合在一起，上盖板与下盖板的截面为工字形，上盖板与下盖板结合处设有凹形槽，并在凹形槽中安装结构化石英晶组，石英晶组上设有导出电极。本发明利用压电石英为敏感元件，将结构化的元件，植入经优化设计梁结构，构造一种用于车辆动态称重的条形称重板，采用分离式结构，其具有结构简单，加工，调试和安装比较方便，而且动态量程大，测量精度高等特点。

Description

压电式动态条形称重板

技术领域

本发明涉及一种车辆轴载条形称重板，特别涉及基于压电效应一种用于车辆动态称重的石英称重板。

背景技术

动态称重(weigh in motion，WIM)是智能交通***的重要组成部分。快速、准确地测量汽车轴载对于公路的运营、管理、养护和执法等方面都具有重要的意义。特别是进入90年代后，随着经济发展，交通运输中的车辆超载问题也日益严重，而这些问题严重的影响了公路运输安全和道路***的使用寿命，使得公路交通设施维护费用过度增长。传统的超载检测需要车辆停车检查，这就使得测量的效率大大折扣，为此，迫切需要一种体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重***。而且在交通工程方面，利用动态称重数据对改善重交通运输的效率及保护有限载要求的桥梁和道路有极大的作用。另外，动态称重数据可以用来预测远景交通量，便于制定交通规划和交通建设，交通管理和交通设施维护，确定经常发生过载问题的路段或车辆。

国外从20世纪50起就开始了这方面的研究，并在90年代就有了较为成熟的产品，目前德国PAT、瑞士Kistler、美国Mikros等公司都已研发出相关产品，并得到了大范围的应用，使用和测试结果表明，其具有优良的动态性能，抗疲劳寿命和测试精度。瑞士Kistler(奇石乐)公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的整体工字梁型动态称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。。但是此***的造假昂贵，称重传感器的制造、装配工艺比较复杂。

发明内容

本发明专利目的是针对现有的工字梁型称重传感器的不足，提供一种结构简单分离式梁结构，采用压电石英为敏感元件，将并联连接的结构化石英晶组沿梁的横向布置，来组成条的形称重板。

本发明压电式动态条形称重板主要包括：上盖板、下盖板、结构化石英晶组三个部分构成。上盖板和下盖板通过紧固预紧螺栓结合在一起，为了达到密封的效果，在结合处采用焊接进行密封。上盖板与下盖板的截面为工字形，上盖板与下盖板结合处设有凹形槽，并在凹形槽中安装结构化石英晶组，其产生的电荷通过电极导出。整个条形称重板安装在路面上的截面为矩形的槽内部，采用窄条柔软泡沫围绕上述条形称重板周边，这样可以减少车辆通过时产生横向力造成的横向干扰，并采用75％石英沙和25％环氧树脂混合物固定称重传感器本体。上盖板上铺设有石英砂环氧树脂层与路面连接，石英砂环氧树脂层与槽之间设有挡板，它可以减小车辆通过时产生的横向力，从而减小横向力造成的干扰。

本发明的结构化石英晶组包括：银铜合金电极、压电石英晶体和陶瓷片构成。整个晶组在结构化过程中电极6，敏感元件石英晶体7和陶瓷片8得各自结合面处需要涂覆导电胶，晶组完成固化后，在外表面涂覆高阻绝缘胶，以提高绝缘阻抗。结构化石英晶组4安装在梁结构的中心处，当有载荷作用于上盖板后，通过力的传递使其作用在结构化石英晶组上，然后在其上下表面产生与作用于其表面力大小成比例的正负电荷量，通过信号电极将电荷信号传送到电荷放大器等信号处理单元，最后通过处理分析得到车辆载重，轴数，车速等信息。为了防止电荷信号泄漏，信号输出线采用的是低噪声的同轴电缆。

车辆在通过条形称重板时，植入板中的压电石英晶组会受到一定得压力，于是便会产生与压力大小成本比例的电荷产生，通过晶组之间的电极将电荷导入信号处理单元，便可以得到轴重，轴数和车辆载重等信息，从而实现动态称重。压电石英晶体元件使用过程中需要对其进行预载，这样可以消除接触表面的间隙，增加接触刚度，提高测量的线性度，灵敏度和动态响应。梁结构设计为分离式，便于安装和预紧力调试。通过设计好的螺栓进行预载，改变预紧力的大小可以对称重条灵敏度和横向输出一致性能进行调解。此结构采用高强度铝合金，通过有限元优化设计，使其具有与路面挠性匹配的弯曲刚性，从而保证传感器有较高的线性度和灵敏度。整个结构的设计要保证载荷尽量传递到石英晶体元件上，梁的变形造成的各种干扰较小，所以需要对于梁的刚度进行合理的设计。

本发明专利的压电石英动态条形称重板在应用时必须埋在路面下，其上盖板为载荷承载面，下盖板安放在公路基础上为支撑面。由于在高速公路上行驶的车辆，在路面上产生的水平力可能与垂直力的大小相当。为保证动态称量的准确度，减少水平力造成的干扰，应对条形称重板与路面采取隔离措施，以获得高质量的信号脉冲形状和可重复的测量结果。

本发明利用压电石英为敏感元件，将结构化的元件，植入经优化设计梁结构，构造一种用于车辆动态称重的条形称重板，采用分离式结构，其具有结构简单，加工，调试和安装比较方便，而且动态量程大，测量精度高等特点。

附图说明

图1条形称重板梁结构示意图

图2条形称重板结构整体图

图3石英晶组结构示意图

图4石英晶体结构化晶组安装示意图

图5称重条安装结构示意图

图6称重板安装布局图

图7部分轮载信号图

图8载重汽车示意图

图9车辆通过载重汽车时称重条输出信号。

具体实施例

以下结合附图对本实用新型的结构原理及工作原理作详细的说明。

参照图一，本本发明所涉及的称重条形称重板主要包括：上盖板1，下盖板2，结构化石英晶组4三个部分构成。整个结构由上盖板1和下盖板2通过紧固预紧螺栓3结合在一起，为了达到密封的效果，在结合处采用焊接进行密封。上盖板1与下盖板2的截面为工字形，上盖板1与下盖板2结合处设有凹形槽，并在凹形槽中安装结构化石英晶组4，其产生的电荷通过电极6导出。整个条形称重板安装在路面上的截面为矩形的槽11内部，采用窄条柔软泡沫12围绕上述条形称重板整个周边，这样可以减少车辆通过时产生横向力造成的横向干扰，并采用75％石英沙和25％环氧树脂混合物13固定称重传感器本体。上盖板1上铺设有石英砂环氧树脂层9与路面连接，石英砂环氧树脂层9与槽11之间设有挡板10，它可以减小车辆通过时产生的横向力，从而减小横向力造成的干扰。

结构化石英晶组4安装在梁结构的中心处，当有载荷P作用于上盖板1后，通过力的传递使其作用在结构化石英晶组4上，然后在其上下表面产生与作用于其表面力大小成比例的正负电荷量，通过信号电极6将电荷信号传送到电荷放大器等信号处理单14元，最后通过处理分析得到车辆载重，轴数，车速等信息。为了防止电荷信号泄漏，信号输出线采用的是低噪声的同轴电缆15。本实用发明的称重板是部分轮载式结构，既车辆在通过称重板时，只有部分轮胎作用于称重板上盖板1上，通过对于轮胎经过产生的脉冲信号在时间上进行积分，并乘以车速，便可得到轴载。所以上盖板1宽度的合理设计十分重要，而且它与整个称重条的横向灵敏度和线性度密切相关，并且对于力的信号具有结构上的放大作用。当然整个梁结构的刚度设计也是十分重要的，它与传感器的线性度和灵敏度密切相关，由于其分载作用，使得作用在结构化石英晶组4上作用力上盖板作用载荷的一部分，其大小与结构化石英晶组4和整个梁结构的刚度之比有关。

参见图3，本发明专利的结构化石英晶组4包括：银铜合金电极6、压电石英晶体7和陶瓷片8构成。由于电荷本身的易泄漏性，所以采用导电性能好的银铜合金，而且此材料弹性模量较紫铜和银更高，不会降低整个传感器的动态性能。压电石英7采用品质因数高、缺陷少的人造石英，采用圆片状。并联连接可以提高传感器的灵敏度。陶瓷片主要作用是提高绝缘阻抗，防止电荷泄漏，因为涉及是动态测量，所以要求陶瓷片具有一定的冲击韧性，为此选用具有高强度和良好韧性的氧化锆陶瓷片。整个晶组在结构化过程中电极6，敏感元件石英晶体7和陶瓷片8得各自结合面处需要涂覆导电胶，并在固化时需要施加100公斤左右的预紧力，这样可以提高接触刚度。晶组完成固化后，在外表面涂覆高阻绝缘胶，以提高绝缘阻抗。

参见图5，本发明专利用于车辆称重时的安装方式：压电石英条形称重板在应用时必须埋在路面下。在公路表面切割矩形截面槽11，然后将压电石英条形称重条埋入，形成用于公路上测量车辆载重的动态称重板，其中上盖板1为载荷承载面，下盖板2安放在公路基础上为支撑面。由于在高速公路上行驶的车辆，在路面上产生的水平力可能与垂直力的大小相当。为保证动态测量的准确度，应对条形称重板与路面采取隔离措施，尽量消除或减少水平力的影响，以获得高质量的信号脉冲形状和可重复的测量结果。在条形称重板埋入地面时，采用窄条柔软泡沫12围绕传感器整个周边，将称重传感器与水平力R隔离，并采用75％石英沙和25％环氧树脂混合物13固定称重传感器本体等。为了达到与路面磨损特性一致，传感器上表面配有10mm厚的石英沙环氧树脂的覆盖层9。通过研磨，可使传感器上层与道路的不平整，比如车辙沟痕等匹配一致。为了进一步减小水平横向力产生的干扰，在上盖板1的两侧安装挡板10，这样就可以大大减少由于水平横向力R干扰而产生的测量误差。在安装时要保证传感器的敏感轴向与上下盖板的轴线一致，否则会产生横向效应。安装接触面要求有高度平行度，平直度和低端粗糙度。

正确的安装传感器是获得测量精度的重要保证。安装不当会给测量结果带来很大误差。安装是必须特别注意使外力均匀、垂直地作用于传感器的上下表面，力求避免和减少侧向力。只有在外力均匀分布时，才能充分利用整个测量范围，否则容易过载而引起传感器的损坏。与传感器接触的上下盖板表面必须与传感器的上下表面紧密贴合。

参见图6，安装时再沿公路方向，以一定的距离布置两个条形称重板。通过传感器的输出信号的时间差，便可以精确计算出车速，这是信号后续处理的关键。

参见图7，由于石英传感器为带状，只有50mm左右的宽度，因此，由于轮胎的直径、轮载、充气压力等因素的影响，传感器只覆盖了轮胎的一部分接地印迹，(典型的接地印迹变化范围为100mm到300mm)。此时承载面宽度小于轮迹长度，任意时刻轮胎的重量都是由传感器和路面共同承担，其输出波形如图7所示，波形的面积(积分值)代表了车轮的载荷。考虑到轮载和路面在轮载和传感器接触区域前后的分离，必须考虑作用在传感器上轮载的线性积分，积分范围从传感器第一次接触轮子到最后的分离，轮迹长度不是一个可以直接测量的变量，它可以根据传感器的接触时间t和轮速v相乘得到。这种方式测量的是动态轮胎力。

图8，9是载重汽车通过条形称重板时的信号脉冲，以公路上常见的6轴载重汽车为例，信号可以得到车辆的轴数，轴重和车辆总载重。

Claims (3)

1、一种压电式动态条形称重板，主要包括：上盖板、下盖板、结构化石英晶组三个部分构成，其特征在于：上盖板和下盖板通过紧固预紧螺栓结合在一起，上盖板与下盖板的截面为工字形，上盖板与下盖板结合处设有凹形槽，并在凹形槽中安装结构化石英晶组，石英晶组上设有导出电极。

2、如权利要求1所述的压电式动态条形称重板，其特征在于：所述化石英晶组包括：银铜合金电极、压电石英晶体和陶瓷片构成，整个晶组在结构化过程中电极(6)，敏感元件石英晶体(7)和陶瓷片(8)各结合面处涂覆导电胶，晶组完成固化后，在外表面涂覆高阻绝缘胶，通过信号电极将电荷信号传送到电荷放大器信号处理单元。

3、如权利要求1所述的压电式动态条形称重板，其特征在于：上述条形称重板安装在路面上的截面为矩形的槽内部，采用窄条柔软泡沫围绕上述条形称重板周边，并采用75％石英沙和25％环氧树脂混合物固定称重传感器本体，上盖板上铺设有石英砂环氧树脂层与路面连接，石英砂环氧树脂层与槽之间设有挡板。

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