软质动态称重装置的初步设计和研究

　　1　引　　言

　　目前国内已投入运营的高速公路经常出现早期损坏的问题,造成这种情况的主要原因是货运汽车的普遍超载。因此如何及时发现超载车辆并及时阻止其在公路上行驶,达到保护道路设施的目的,已成了交通部门急需解决的问题。

　　我们预备设计的称重装置有两大特点:第一为动态称重系统,可对行驶车辆进行称重,不影响交通的流量畅通;第二是一种可移动的称重装置,无需固定安装,极为方便。

　　其主要原理是通过测量作为称重传感器的电容的软质地毯在行驶车辆下电容值的大小及其变化,根据实验得出的电容值和车重间的函数关系,计算出相应的静态车辆重量。

　　整个称重实验系统由三大部分组成:传感器部分、数据转换传输部分和数据处理显示部分。系统结构如图1所示。

　　在实验阶段,我们将数据通过串口送上位机进行显示,若今后做成成品,可将测量结果通过LCD液晶屏进行显示,或者使用无线传输技术进行传输、显示。

　　2　软质电容式传感器结构及称重原理

　　该传感器采用平行板电容式称重传感器结构,由上下作为极板的导电橡胶和中间作为介质的普通橡胶两部分组成。由于材质均为橡胶,因此传感器的特性在很大程度上受到橡胶材料力学特性的影响。

　　除去作用力后,物体产生的形变可完全恢复时,我们称该物体为弹性体,所发生的弹性形变属于可逆形变。橡胶属于高弹性体,在很大的应变下,仍呈弹性。这为以橡胶受压后尺度变化而确定受压重力对行驶车辆进行反复测量提供了一定的精度保障。

　　橡胶受压后的弹性变化有两大特点:

　　(1)弹性非线性在变形大约1%后,为非线性弹性。因此橡胶的杨氏模量即应力与应变之比并非常量,仅对应应力2应变曲线上的某一点。此外,橡胶 的弹性模量与其几何形状,确切地说和它的形状因子即负荷面面积与总有效截面积之比有关。因此车重和频率之间的映射关系式中弹性模量并非常数,不仅与受压的 形变量且与受压时的接触面形状有关。虽然橡胶在压缩时的应力和应变关系是非线性的,所以模量是变值,但在小变形情况下,可将其近似地视为常数。另一方面, 可将不同受力形状的橡胶看成由无数负荷面积趋于零的圆柱体组成,而圆柱体的形状因子为:r/4h,r为圆形截面半径,h为圆柱体高度.因实验中,橡胶厚度 相等,所以形状因子只和这些圆柱体的半径有关。即相同受压面积,不同形状的弹性模量几乎相等,不同面积的形状因子值与面积的均方值成正比。而弹性模量与形 状因子间的比例系数极小,因此也可近似认为模量为常值。