基于压电电缆的动态称重系统的分析与设计

　　1　引　言

　　动态称重(Weight InMotion,简称WIM)是指测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程[1]。动态称重常用于三个方面:

　　(1)法令规定的强制结算;

　　(2)交通数据的采集;

　　(3)贸易结算。目前动态称重的精度还不能达到自动衡器所要求的精度水平,还无法用于贸易结算。

　　由于不同车辆有不同的轴载质量限制[2],所以在进行车辆超重检查时,必须相应的识别出车辆的类型,这就需要在获取车辆重量信息的同时,还需计算出轴距、轮距、轴数、轮胎数等数据,才能对车辆进行有效地监督检查。动态称重系统就是一个可实现上述功能的检测、计算、存储和显示相关信息的系统。在公路交通系统常见动态称重的交通检测器按照工作原理可分为:应变片型检测器,通过应变片检测称体(平台、狭窄板)在车辆通过时的受力变形来进行动态称重;电容器型检测器,当车辆通过时,变形使电容两极间的距离改变,进而导致电容的容量发生变化,转换为电信号,即可达到检测的目的。电容器常由薄层金属橡胶垫检测器和空气隙构成;压电电缆,把压电材料经过适当处理后做成电缆的形式铺设在路面中,电缆受力直接产生电信号,经处理后检测出车的重量。

　　目前国内动态称重检测器中应用较多的是应变片式交通检测器,称体常做成狭窄板的形式,简称弯板(bending plate),该技术在国内外使用已很成熟,称重精度可达±4% ~±6%,称重速度范围5 km/h~135 km/h。在使用过程中弯板存在的问题是:第一,维护工作量很大,当车辆通过弯板称体与水泥(沥青)路面结合部位时,结合部位因振动碰撞易出现损坏现象;第二,安装弯板的路面开挖量较大,以国际上著名的弯板生产厂家德国PAT为例,典型安装尺寸为长×宽×高1 750 (1 250) mm×655 mm×120 mm×[4](宽×高即为路面开挖截面)。

　　和弯板相比,压电电缆有以下特点:第一,压电电缆的外形尺寸远比弯板小的多(见表1),路面开挖量明显减少;第二,压电电缆安装调试完毕后,在日常的维护中,仅对路面的平整度有要求,而路面的平整度的变化是非常小的;第三,路面切口小,所使用封灌材料保证了压电电缆和路面牢固的连接在一起,不会出现弯板接口处易损坏的问题,这就使得维护工作量非常少;第四,安装更隐蔽,不易被过往车辆察觉,在一定程度上减少了过往车辆逃避检查的现象的发生。压电电缆的缺点是:不能回收再使用,但在实际工程中,一旦选定检测地点,更换的可能性较小;压电电缆需要温度补偿,而弯板则不需要。国内目前使用较多的压电电缆是Kistler公司动态称重传感器LINEAS和美国MSI公司的压电薄膜轴,它们的主要性能指标如表1所示。