CN111664926A - 窄条应变称重传感器、窄条阵列动态衡及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种窄条应变称重传感器，包括横梁，所述横梁的下表面设置有多个倒T形的支撑座，横梁的上表面设置有多个T形的安装座，每个安装座位于相邻两支撑座之间，所述安装座下方的横梁侧面的中间位置设置有剪切型应变片。还提供了使用该窄条应变称重传感器的窄条阵列动态衡及其使用方法。本发明的窄条应变称重传感器提高了测量精度，窄条阵列动态衡整体安装在地面上，可降低安装后各个窄条称重传感器安装后的位置误差，从而减小测量误差，提高测量的准确性。由于在有效测试时间内，车辆车轮完全作用于上板即称重面上，使得该汽车动态衡与路面安装齐平度要求远远低于窄条石英称重传感器直接安装于路面上，使其安装成本进一步降低。
Description
技术领域
本发明涉及汽车称重技术领域，尤其是一种窄条应变称重传感器、窄条阵列动态衡及其使用方法。
背景技术
动态称重传感器主要用于汽车在行驶过程中对车辆轴重和总重进行测量，实现车重数据自动采集以支撑交通智能管理规划、超载超限自动检测、支撑道路计重收费等功能。当然也可以用于其他动态设备的重量称量。
目前，汽车动态称重主流的方法包括以石英窄条称重传感器阵列为代表的间接测量方法和以平板气动动态衡、弯板汽车动态衡为代表的直接测量方法。
平板汽车动态衡常见机构如图1所示，弯板汽车动态衡常见结构如图2所示，通过在背面粘贴应变计，应变计检测切应变或弯曲应变输出信号，这两种动态衡具有以下不足：
1、难以做到较大的测量量程同时具有较好的可靠性。由于应变计通过专用粘接剂粘贴在承压板背面，较大的载荷意味着较大的结构变形量，极易导致应变计疲劳脱落失效。这一点也可以解释为难以做到输出灵敏度与刚度兼具。
2、难以做到较好的刚度同时具有较长的有效测量时间。车轮滚动通过板面的时间为弯板汽车动态衡的有效测量时间。板面越宽，有效测量时间越长，对于振动干扰信号特征的获取越有利，但板面越宽，结构限制其刚度越低，其动态特性越差，振动干扰越大。同时还可能存在致命的动态测量误差，即采集到的信号失真于真实的动态信号，使得振动误差的修正变得极其复杂。板面越窄，动态特性越好，但有效测试时间就越短，导致无法获得充分的振动干扰信号特征支持信号修正处理。所以弯板汽车动态衡一般应用于低速动态称重场景。
3.其测量原理决定了无法在承压板中间增加支撑结构以提高整体刚度，因为承压结构会分摊一部分重力，使得测量值偏小。如果采用柱式传感器等作为承压结构，形成一种复合式汽车动态衡，将使其数据处理变得极为复杂，复杂的计算过程往往难以保证可靠的称量结果，特别是在计量领域。
窄条石英动态称重传感器，其结构通过型材工艺一体制造，在结构的中部等距布置石英压电敏感元件。车轮压过传感器时，一体化结构承受固定比例载荷，剩余载荷压缩石英压电敏感元件，产生与载荷呈线性关系的电荷信号，电荷信号通过电荷放大器转换为电压信号，并通过后端AD转换转化为数字信号实现数据采集。窄条动态称重传感器一般高度较小，在安装时，路面开槽将其镶嵌在路面中，上表面与地面齐平。由于车轮的触底长度小于传感器宽度，所以传感器的输出信号实际反映轮重或轴重的部分重量。车轮完全驶过传感器后，对传感器的输出信号进行积分，获得轮重或轴重数据，然后对所有的轮重或轴重数据进行求和，得到总重数据。
在使用窄条石英动态称重传感器时，需要将多个窄条石英动态称重传感器呈阵列式安装在地面上，且窄条石英动态称重传感器的长度方向垂直于汽车的行驶方向，具体可参考申请号为201822042008.0的实用新型专利、申请号为201420517183.X的实用新型专利等。
此外，申请号为201610026847.6的发明申请公开了一种式压电动态称重传感器，具有以下不足：
1、使用时各个窄条石英动态称重传感器分别安装在地面，每个窄条石英动态称重传感器安装时不可避免地存在安装误差，多个窄条石英动态称重传感器的误差叠加，导致最终的测量结果准确性较差。
2、外壳外形比较规则，车辆经过时经常会存在横向力和偏载，使得外壳产生较大的弯曲变形，从而影响压电组件的测量准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量精度更高的窄条应变称重传感器，还提供了一种将窄条传感器与平板动态衡结合，具有较好的刚度和较长的有效测量时间，能够实现较宽的量程以及较宽的速度测量范围的窄条阵列动态衡及其使用方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：窄条应变称重传感器，包括横梁，所述横梁的下表面设置有多个倒T形的支撑座，横梁的上表面设置有多个T形的安装座，每个安装座位于相邻两支撑座之间，所述安装座下方的横梁侧面的中间位置设置有剪切型应变片。
进一步地，所述安装座下方的横梁侧面设置有沉孔，所述剪切型应变片设置在沉孔的孔底。
进一步地，所述安装座上表面的断面呈圆弧形。
进一步地，所述横梁的断面呈矩形。
采用上述窄条应变称重传感器的窄条阵列动态衡，包括上板、下板和多个窄条称重传感器，所述上板的下表面设置有多个相互平行且均匀设置的卡槽，每个窄条称重传感器包括横梁，所述横梁的下表面设置有多个倒T形的支撑座，横梁的上表面设置有多个T形的安装座，每个安装座位于相邻两支撑座之间，所述安装座下方的横梁侧面设置有剪切型应变片；所述安装座卡入卡槽，所述支撑座与下板固定连接。
进一步地，所述上板的上表面设置有金属网和耐磨层，所述耐磨层覆盖金属网。
进一步地，所述支撑座通过螺栓与下板连接。
进一步地，所述安装座上表面的断面呈圆弧形，卡槽槽底的断面呈圆弧形，安装座的上表面与卡槽槽底相配合。
上述窄条阵列动态衡的使用方法，将该窄条阵列动态衡安装在地面上，且窄条称重传感器的长度方向垂直于车辆的行驶方向，车辆经过该窄条阵列动态衡时，各个窄条称重传感器输出信号，将各个窄条称重传感器同一时刻输出的信号相加得到合成信号，在合成信号中截取幅值稳定的有效信号段，计算该有效信号段的平均幅值作为测量结果。
上述窄条阵列动态衡的使用方法，将多个窄条阵列动态衡拼装成为整车动态衡后安装在地面上，整车动态衡的长度大于车辆前后车轮之间的距离，且窄条称重传感器的长度方向平行于车辆的行驶方向，车辆经过该整车动态衡时，各个窄条称重传感器输出信号，在每个输出信号中截取幅值稳定的有效信号段，确保所有有效信号段的起始时刻相同，再计算每个有效信号段的平均幅值，最后将所有有效信号段的平均幅值相加。
本发明的有益效果是：
窄条应变称重传感器，将压电组件改为剪切型应变片，剪切型应变片是根据横梁的剪切应变实现载荷的测量，可减小弯曲变形对测量结果的影响。此外，通过将剪切型应变片设置在横梁的中间位置，即剪切型应变片位于横梁的中性轴处，弯曲应变小，减小剪切型应变片对偏载的敏感性，提高测量精度。通过改进窄条应变称重传感器的外形结构，抗弯能力更强，剪切型应变片处的弯曲变形量较小，进一步减小车辆偏载带来的影响，此外，当车辆加减速对传感器带来横向力(水平且垂直于轴向的力)时，横向力由安装座承受，减小横向力对横梁的影响，从而进一步地提高测量精度。
窄条阵列动态衡及其使用方法：1、现有直接安装于路面的窄条石英称重传感器测量时，车轮一部分载荷作用于路面，一部分作用于传感器，作用于路面的那部分载荷未知，属于间接测量。本发明中，轮重或轴重全部作用于上板，上板将全部载荷传递至窄条传感器，属于直接测量，测量数据的可靠程度高，且规避了窄条传感器在路面安装时与路面齐平度的较高安装精度要求。
2、本发明整体安装在地面上，只需要安装一次，不需要分多次安装，各个窄条称重传感器之间的位置精度由制造厂家把控，可降低安装后各个窄条称重传感器安装后的位置误差，从而减小测量误差，提高测量的准确性。
3、由于在有效测试时间内，车辆车轮完全作用于上板即称重面上，使得该汽车动态衡与路面安装齐平度要求远远低于窄条石英称重传感器直接安装于路面上，使其安装成本进一步降低。
4、现有技术中，每个车道需要6到8根窄条石英称重传感器，而本发明每车道只需要4根左右，减少了窄条传感器数量。
5、多个窄条称重传感器作为上板的支撑，与现有无中间支撑结构的平板汽车动态衡相比，整体刚度得到了提升，上板不会出现很大幅度的变形，可以增加上板的尺寸，有效解决了有效测量时间与汽车动态衡刚度之间的矛盾，使得在获得充分的有效测量时间的同时，能够自由调节汽车动态衡的整体刚度及局部刚度，使得汽车动态衡的动态特性设计具有极强的灵活性。
6、充分利用了窄条称重传感器本身具有极强的可靠性、防护性的优点，本发明汽车动态衡的可靠性和耐久性大大提升。
附图说明
图1是现有平板汽车动态衡的示意图；
图2是现有弯板汽车动态衡的示意图；
图3是本发明窄条应变称重传感器的示意图；
图4是部分窄条应变称重传感器的放大示意图；
图5是图4中A部分的放大示意图；
图6是本发明窄条阵列动态衡的示意图；
图7是本发明窄条阵列动态衡的信号输出示意图；
图8是本发明另窄条阵列动态衡一种使用方法的信号输出示意图；
附图标记：1—耐磨层；2—金属网；3—上板；4—窄条称重传感器；5—下板；6—横梁；7—支撑座；8—安装座；9—剪切型应变片；10—沉孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图3、图4和图5所示，本发明的窄条应变称重传感器，包括横梁6，所述横梁6的下表面设置有多个倒T形的支撑座7，横梁6的上表面设置有多个T形的安装座8，每个安装座8位于相邻两支撑座7之间，所述安装座8下方的横梁6侧面的中间位置设置有剪切型应变片9。
横梁6可采用不锈钢等高强度材质，支撑座7和安装座8用于将本称重传感器整体固定安装，支撑座7和安装座8均沿着横梁6的长度方向均匀设置，支撑座7和安装座8可以与横梁6一体成型。
剪切型应变片9是根据横梁6的剪切应变测量载荷，具体地，车辆经过时，载荷传递到横梁6，横梁6产生剪切应变，剪切型应变片9感应横梁6的剪切应变并输出信号。为了确保剪切型应变片9的检测准确性，安装剪切型应变片9的侧面应当处于竖直状态，因此，横梁6的断面(去除支撑座7和安装座8)最好呈矩形，当然也可以是工字形等其他具有两个竖直侧面的形状。
为了提高测量的灵敏度，每个安装座8下方的横梁6两侧面上分别设置两个剪切型应变片9，且两个侧面上的剪切型应变片9对称设置，这4个剪切型应变片9组成惠斯通电桥，可获得较大输出灵敏度。本发明采用差分测量原理，将每组惠斯通电桥的输出数字相加得到该窄条应变称重传感器的输出，能够在实现较大灵敏度的同时获得较高的精度。
安装座8还起到传递载荷的作用，安装座8与横梁6整体的断面呈T形，增加了剪切型应变片9安装位置的抗弯强度，减小横梁6的弯曲变形，从而削弱了偏载或者横向力的影响。剪切型应变片9位于横梁6侧面的中间位置，即剪切型应变片9到横梁6顶面和底面的距离基本相等，剪切型应变片9位于横梁6的中性轴处，此处横梁6的弯曲变形最小，可进一步地削弱车辆偏载以及横向力的影响，提高剪切型应变片9的测量精度。
剪切型应变片9可直接安装在横梁6的侧面，剪切型应变片9一般是粘接安装，为了对剪切型应变片9进行保护，防止在运输、安装过程中损伤或者碰落剪切型应变片9，所述安装座8下方的横梁6侧面设置有沉孔10，所述剪切型应变片9设置在沉孔10的孔底。将剪切型应变片9安装在沉孔10的孔底，使得剪切型应变片9更靠近横梁6的中心，与安装在表面相比，弯曲变形量更小，进一步地削弱车辆偏载以及横向力的影响，提高剪切型应变片9的测量精度。此外，可避免剪切型应变片9暴露在外，起到保护剪切型应变片9的作用。
所述安装座8上表面的断面呈圆弧形，变形后可快速复位，保证载荷传递的稳定性和准确性。
采用上述窄条应变称重传感器的窄条阵列动态衡，如图6所示，包括上板3、下板5和多个窄条称重传感器4，所述上板3的下表面设置有多个相互平行且均匀设置的卡槽，每个窄条称重传感器4包括横梁6，所述横梁6的下表面设置有多个倒T形的支撑座7，横梁6的上表面设置有多个T形的安装座8，每个安装座8位于相邻两支撑座7之间，所述安装座8下方的横梁6侧面的中间位置设置有剪切型应变片9；所述安装座8卡入卡槽，所述支撑座7与下板5固定连接。
上板3可采用不锈钢板等高强度板材，用于承载车辆，当车辆经过上板3时，上板3会产生变形并将车辆的重力传递至窄条称重传感器4。窄条称重传感器4用于测量上板3受到的重力，且能够支撑上板3，防止上板3产生较大的变形，将多个窄条称重传感器4作为上板3的支撑，与现有无中间支撑结构的平板汽车动态衡相比，整体刚度得到了提升，上板3不会出现很大幅度的变形，可以增加上板3的尺寸，有效解决了有效测量时间与汽车动态衡刚度之间的矛盾，使得在获得充分的有效测量时间的同时，能够自由调节汽车动态衡的整体刚度及局部刚度，使得汽车动态衡的动态特性设计具有极强的灵活性。
窄条称重传感器4的数量可以是2个、3个、4个、5个等。下板5用于支撑窄条称重传感器4，并将多个窄条称重传感器4集成在一起。
各个窄条称重传感器4的位置精度可控，使用时，将窄条阵列动态衡整体安装在地面上，只需要安装一次，不需要分多次安装，可减少施工工作量，降低安装后各个窄条称重传感器安装后的位置误差，从而减小测量误差，提高测量的准确性。
现有直接安装于路面的窄条石英称重传感器测量时，车轮一部分载荷作用于路面，一部分作用于传感器，作用于路面的那部分载荷未知，属于间接测量。该方案中，轮重或轴重全部作用于上板3，上板3将全部载荷传递至窄条称重传感器4，属于直接测量，测量数据的可靠程度高，且规避了窄条称重传感器4在路面安装时与路面齐平度的较高安装精度要求。且由于在有效测试时间内，车辆车轮完全作用于上板3即称重面上，使得该汽车动态衡与路面安装齐平度要求远远低于窄条石英称重传感器直接安装于路面上，使其安装成本进一步降低。
本发明将多个窄条称重传感器4集成在上板3和下板5之间，结合了现有窄条称重传感器与平板汽车动态衡的优点，又克服了现有窄条称重传感器与平板汽车动态衡的不足，且整体结构简单，制造成本低，有利于大规模的应用。
所述上板3的上表面设置有金属网2和耐磨层1，所述耐磨层1覆盖金属网2。金属网2可采用钢丝网，耐磨层1为液态固化耐磨材料，制造时，先将金属网2点焊在上板3上，然后浇筑耐磨层1。金属网2增强了耐磨层1在上板3上的附着强度，提高了适用可靠性。同时金属网2具有一定高度，在耐磨层1中起到一定加固和支撑作用，使得耐磨层1的刚度和抗裂性能得到提高。当长时间使用过程中，由于沉降或冲击等原因，汽车动态衡与周围地面发生较大的高度偏差时，能够通过磨平工艺对汽车动态衡与地面的相对安装位置进行调整。
支撑座7可通过定位销、焊接连接等方式与下板5连接，优选的，所述支撑座7通过螺栓与下板5连接。
现有的窄条称重传感器4的顶面为平面，如申请号为201610026847.6的发明专利申请。汽车经过窄条称重传感器4时，窄条称重传感器4会产生变形。在本发明中，窄条称重传感器4的顶面起到传递重力的作用，车辆经过时，窄条称重传感器4的顶面产生变形，由于本发明的汽车重力是按照上板3—卡槽槽底—窄条称重传感器4顶面—窄条称重传感器4的路径传递的，申请人研究发现，车辆离开后，窄条称重传感器4的顶面必须较好地复位，才能与卡槽的槽底贴合，从而继续有效地传递重力。如果采用现有顶面为平面的窄条称重传感器4，顶面变形后不易恢复，导致使用一段时间后传递重量的效果减弱，测量误差随着使用时间的延长而增加，申请人进一步研究发现，圆弧形的顶面变形后能够快速恢复，因此，本发明窄条称重传感器4的安装座8上表面的断面呈圆弧形，卡槽槽底的断面呈圆弧形，安装座8的上表面与卡槽槽底相配合，最好是紧密地贴合。安装座8的顶面与卡槽槽底紧密贴合，可提高传感器的可靠性，保证测量精度，安装座8的顶面变形后能够快速恢复，能够延长本汽车动态衡的使用寿命。
现有的窄条传感器安装时垂直于车辆行驶方向，本发明具有两种使用方式，第一种是窄条称重传感器4垂直于车辆行驶方向的安装方式，可实现车辆轮重或轴重的称量；另一种是将多个窄条阵列动态衡拼接成为一个用于测量整车重量的整车动态衡，该整车动态衡上的窄条称重传感器4平行于车辆行驶方向的安装方式，具体地：
第一种使用方法为，将该窄条阵列动态衡安装在地面上，且窄条称重传感器4的长度方向垂直于车辆的行驶方向，车辆经过该窄条阵列动态衡时，各个窄条称重传感器4输出信号，将各个窄条称重传感器4同一时刻输出的信号相加得到合成信号，在合成信号中截取幅值稳定的有效信号段，计算该有效信号段的平均幅值作为测量结果。
以具有3个窄条称重传感器4的窄条阵列动态衡为例，车辆经过该窄条阵列动态衡时，3个窄条称重传感器4先后输出信号，如图7所示，输出信号的图形类似于抛物线，将同一时刻的所有窄条称重传感器4的输出信号相加得到图中的合成信号，可以看出，该合成信号的幅值先增加，然后趋于稳定，最后减小至0，其中，幅值稳定的合成信号即为有效信号。计算该有效信号段的平均幅值即可得到比较准确地测量结果，具体可以在有效信号段内选取多个时刻，计算这多个时刻的幅值平均值。有效信号段起始端之间的时间差即为有效测试时间，从图中可以看出，要增加有效测试时间，可以增加窄条称重传感器4的数量，在窄条称重传感器4间距不变的情况下，窄条称重传感器4的数量增加，上板3的宽度增加，但上板3的刚度不会降低，因此也就解决了现有平板气动动态衡和弯板汽车动态衡刚度和有效测量时间相矛盾的问题。
现有的汽车动态衡难以实现整车重量的测量，根据测量要求，用于测量整车重量的整车动态衡总长度在20m左右，常规的平板汽车动态衡等难以满足要求，本发明利用窄条称重传感器4的高可靠性，使整车测量方案具备可行性。具体地：
第二种使用方法为，将多个窄条阵列动态衡拼装成为整车动态衡后安装在地面上，窄条阵列动态衡之间可通过螺栓连接，整车动态衡的长度大于车辆前后车轮之间的距离，且窄条称重传感器4的长度方向平行于车辆的行驶方向，车辆经过该整车动态衡时，各个窄条称重传感器4输出信号，在每个输出信号中截取幅值稳定的有效信号段，确保所有有效信号段的起始时刻相同，再计算每个有效信号段的平均幅值，最后将所有有效信号段的平均幅值相加。
由于窄条称重传感器4的长度方向平行于车辆的行驶方向，车辆到达窄条阵列动态衡时，所有的窄条称重传感器4同时输出信号，如图8所示，离车轮越近、受力最大的窄条称重传感器4输出信号幅值越大，当车辆的前后车轮都再上板3上行驶时，窄条称重传感器4输出信号的幅值趋于稳定，幅值稳定的输出信号作为有效信号段，此时，将所有的窄条称重传感器4的有效信号相加，即可得到车辆的总重量信号。可以先计算各个窄条称重传感器4的有效信号段的平均幅值，再将各个平均幅值相加，也可以先将各个有效信号段相加，再计算平均幅值。
本发明对信号的计算方法简单，计算难度低，软件成本低，且具有较高的测量精度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.窄条应变称重传感器，其特征在于，包括横梁(6)，所述横梁(6)的下表面设置有多个倒T形的支撑座(7)，横梁(6)的上表面设置有多个T形的安装座(8)，每个安装座(8)位于相邻两支撑座(7)之间，所述安装座(8)下方的横梁(6)侧面的中间位置设置有剪切型应变片(9)。
2.如权利要求1所述的窄条应变称重传感器，其特征在于：所述安装座(8)下方的横梁(6)侧面设置有沉孔(10)，所述剪切型应变片(9)设置在沉孔(10)的孔底。
3.如权利要求1所述的窄条应变称重传感器，其特征在于：所述安装座(8)上表面的断面呈圆弧形。
4.如权利要求1所述的窄条应变称重传感器，其特征在于：所述横梁(6)的断面呈矩形。
5.采用如权利要求1至4任意一条权利要求所述窄条应变称重传感器的窄条阵列动态衡，其特征在于，包括上板(3)、下板(5)和多个窄条称重传感器(4)，所述上板(3)的下表面设置有多个相互平行且均匀设置的卡槽，每个窄条称重传感器(4)包括横梁(6)，所述横梁(6)的下表面设置有多个倒T形的支撑座(7)，横梁(6)的上表面设置有多个T形的安装座(8)，每个安装座(8)位于相邻两支撑座(7)之间，所述安装座(8)下方的横梁(6)侧面的中间位置设置有剪切型应变片(9)；所述安装座(8)卡入卡槽，所述支撑座(7)与下板(5)固定连接。
6.如权利要求5所述的窄条阵列动态衡，其特征在于，所述上板(3)的上表面设置有金属网(2)和耐磨层(1)，所述耐磨层(1)覆盖金属网(2)。
7.如权利要求5所述的窄条阵列动态衡，其特征在于，所述支撑座(7)通过螺栓与下板(5)连接。
8.如权利要求5所述的窄条阵列动态衡，其特征在于，所述安装座(8)上表面的断面呈圆弧形，卡槽槽底的断面呈圆弧形，安装座(8)的上表面与卡槽槽底相配合。
9.如权利要求5至8任意一条权利要求所述窄条阵列动态衡的使用方法，其特征在于，将该窄条阵列平板汽车动态衡安装在地面上，且窄条称重传感器(4)的长度方向垂直于车辆的行驶方向，车辆经过该窄条阵列平板汽车动态衡时，各个窄条称重传感器(4)输出信号，将各个窄条称重传感器(4)同一时刻输出的信号相加得到合成信号，在合成信号中截取幅值稳定的有效信号段，计算该有效信号段的平均幅值作为测量结果。
10.如权利要求5至8任意一条权利要求所述窄条阵列动态衡的使用方法，其特征在于，将多个窄条阵列平板汽车动态衡拼装成为整车动态衡后安装在地面上，整车动态衡的长度大于车辆前后车轮之间的距离，且窄条称重传感器(4)的长度方向平行于车辆的行驶方向，车辆经过该整车动态衡时，各个窄条称重传感器(4)输出信号，在每个输出信号中截取幅值稳定的有效信号段，确保所有有效信号段的起始时刻相同，再计算每个有效信号段的平均幅值，最后将所有有效信号段的平均幅值相加。
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