关于 ETC 计重收费动态汽车衡用 称重传感器选型
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【摘要】本文对 ETC 计重收费动态汽车衡称重的整个过程进行了描述， 分析了传感器在整个过程的受力情况，对如何选用柱式和桥式传感器 做了介绍，为动态汽车衡设计和传感器选型提供一些参考。
【关键词】柱式 桥式 动态 频率
随着交通运输业务的发展，高速公路计重收费的快速发展，公路 部门需加大设备建设的投资以及人员的投入，这高昂的成本就成了头 疼的问题。为了减少收费人员的数量，加快车辆通过收费门的速度， ETC 业务应运而生，现在小车 ETC 计重收费系统已成熟且全面推广， 但大型货车 ETC 计重收费系统才刚刚起步。 图 1 电子汽车衡结构组成图
对于大型货车 ETC 系统，其关键技术是计重，而计重的关键设备 为动态汽车衡。动态汽车衡是从静态汽车衡发展而来，主要使用的传 感器以柱式传感器与桥式传感器为主。
对于动态汽车衡，有人认为采用柱式传感器响应频率高，称重精 度高；有人认为采用桥式传感器精度稳定且便于安装。关于柱式传感 器与桥式传感器的优劣问题一直争论不休。那么,如何选用柱式传感 器与桥式传感器呢,本文将针对该问题重点进行分析介绍。
一、 动态汽车衡称重过程受力分析
汽车行驶上动态汽车衡（以下简称秤台）时，因汽车前轮的惯性 冲力将秤台向前推去，当秤台运动到前限位器时，限位将产生反推力， 又将秤台向后推去。当称重运动到后限位器时产生反推力，以及汽车 的驱动力，又将秤台加速向前推去。在汽车完全行驶到秤台上面前， 秤台将持续加速振荡，形成加速摆动现象，如下图 2。 图 2 秤台摆动图
当汽车完全行驶到秤台上面时，通过其他地方产生的驱动力逐渐 消失，秤台的前后振荡频率速度将不再加速。当汽车加速或减速时， 秤台振荡频率也会加速减速。总之，在整个汽车上秤台前与上秤台过 程中，秤台会形成一个中、低频率前后振荡。
汽车的重量及其他推力振动等产生的力都由秤台传递给传感器， 由传感器将这些力的信息准确快速的传递给仪表（电脑）进行数据处 理，最终通过称重仪表显示。秤台受力分析如下： 表 1 秤台受力分析表
二、传感器采样频率方面分析 衡器用传感器一般有两种类型：柱式传感器和桥式传感器。柱式传 感器受力分析如下，见图 3。 图 3 柱式传感器受力图
1）当秤台与前限位器接触时，传感器受到轴向力， ° °
2）当秤台与前限位器不接触时，
如果考虑汽车驱动力等因素时，传感器的信号只在主信号 °中加波（中、高频），具体信号如下： 图 4 正常振动波形图 图 5 加发动机的振动波形图 图 6 加汽车的振动波形图
从这些力来分析，汽车的速度、驱动力、刹车等水平力造成秤台 左右摆动，并接触限位器，产生反推力。因速度驱动力有大有小，有 快有慢，造成反推力大小是没有规律的，因此处理数据时，只取没有 撞击时的数据。这样车辆的振动，发动机的振动等反向有规律的波动。 我们取大约不小于 3 个摆动，就能得到有效理想的数据，经过处理就 能得到相应精度。
下面我们计算秤台上的采样波动时间：秤台长度一般单节 6 米， 共 3 节，长度为 18 米。现在公路上主要行驶的货车为半拖挂车。
前轮到后轮大约 15 米，18 米-15 米=3 米。
秤台的车速为 20 公里/小时，3 米/20 公里/小时=0.54 秒。
我们取小于 3 个摆动循环，采集时间占 1 个循环的 2/3，则
0.54/3*（2/3）=0.12 秒，即每个循环最长采集时间为 0.12 秒。
每 1 个波形，需取 10 个数（前摆 5 个，后摆 5 个），则每条采样 时间为：0.012 秒（83Hz）。因此，传感器的固有频率大致在 83～100Hz， 我们就可以得到有效数据。
为了提高衡器精度，现在的衡器采集频率一般在 1000Hz，即每 秒中采集 1000 个数据。在衡器上，传感器的采样频率大致为柱式固 有频率＞10000Hz;桥式固有频率＞1000Hz。
单纯看两种传感器的固有频率，确实是柱式传感器的固有频率高 于桥式传感器，这是不争的事实。然而，衡器是由秤体、传感器和仪 表组成的，衡器的响应速度才是决定使用性能的最终因素。衡器的响 应速度主要由秤体的响应速度、仪表的响应速度、传感器的响应速度 共同决定。
随着电子技术的飞速发展，制造高分辨率、高响应速度的仪表已 经不是难事，但是秤体的响应速度提高确实不易，目前各生产厂家的 秤体结构、使用材料大同小异，根据资料显示，秤体的固有频率通常 在 3～5Hz,且无法进一步提高，因此，从采样频率来说，两种传感器 均能满足需求。
三、传感器安装方面分析
柱式传感器与桥式传感器的优缺点对比如下：
1．柱式传感器
优点：结构紧凑，体积小，固有频率高，动态响应快。
缺点：抗侧向和偏载能力较差，对加载点变化敏感，安装要求高， 调整四角等操作较为繁琐，传感器不易固定易旋转 ，加载频率或重 量过大，容易导致传感器开裂。
原因分析：不倒翁转动产生的原因，当地基水平，柱式传感器垂 直时，无论怎么摆动也不会旋转；但当不水平时，就会存在偏转，转 动。如图 8 所示： 图 7 柱式传感器安装图
当前后秤台摆动时，秤台也有可能产生旋转摆动，带动传感器旋 转摆动，这就是传感器产生旋转的原因。传感器的电缆线就缠在传感 器上，随着次数的增多，电缆线就有可能拽断，衡器产生故障。
在安装衡器时，我们不可能将传感器绝对的紧紧地与秤台接触， 肯定会存在一定的间隙。同时，在设计衡器支点时，我们最想让支点 靠边，减少翘板现象。但秤台有厚度，在车的冲击力等作用下，在秤 台上面的冲击力以及支点会产生转矩，这样就有一定的翘板现象。当 翘板力瞬间消失后，秤台产生向下的冲击力，间隙越大，冲击力越大。
对于柱式传感器，由上、下压头、传感器以及秤台、地基安装板 组成，中间没有任何柔性。当几个重力加速度的冲击力下来，这样的 集中冲击力，很有可能将传感器从中间冲裂。
2．桥式传感器
优点：对加载点变化不敏感，抗偏载性能好，固有线性好，安装 方便，传感器固定不旋转，制造成本低。
缺点：体积大，重量大，搬运笨重。
桥式传感器是通过钢球与秤台连接，旋转摆动时，只有钢球转动， 不会使传感器旋转。同时，对于桥式结构传感器，其受力变化的扰度 有数量级的变化，在相同的动能冲击下，冲击力也有数量级的减少， 因此几乎没有桥式传感器会冲击断裂的现象发生。
四、总结
从以上分析，我们可得出如下结论：在 20 公里/小时的动态衡器 中，在采集速度方面，使用桥式和柱式传感器没有本质区别，都能正 常使用；在抗冲击力方面，桥式优于柱式传感器；在安装条件方面， 桥式传感器明显比柱式简单；在动态衡器应用中，客户可根据现场条 件和自身情况，选用桥式或柱式传感器。
【摘要】本文对 ETC 计重收费动态汽车衡称重的整个过程进行了描述， 分析了传感器在整个过程的受力情况，对如何选用柱式和桥式传感器 做了介绍，为动态汽车衡设计和传感器选型提供一些参考。
【关键词】柱式 桥式 动态 频率
随着交通运输业务的发展，高速公路计重收费的快速发展，公路 部门需加大设备建设的投资以及人员的投入，这高昂的成本就成了头 疼的问题。为了减少收费人员的数量，加快车辆通过收费门的速度， ETC 业务应运而生，现在小车 ETC 计重收费系统已成熟且全面推广， 但大型货车 ETC 计重收费系统才刚刚起步。 图 1 电子汽车衡结构组成图
对于大型货车 ETC 系统，其关键技术是计重，而计重的关键设备 为动态汽车衡。动态汽车衡是从静态汽车衡发展而来，主要使用的传 感器以柱式传感器与桥式传感器为主。
对于动态汽车衡，有人认为采用柱式传感器响应频率高，称重精 度高；有人认为采用桥式传感器精度稳定且便于安装。关于柱式传感 器与桥式传感器的优劣问题一直争论不休。那么,如何选用柱式传感 器与桥式传感器呢,本文将针对该问题重点进行分析介绍。
一、 动态汽车衡称重过程受力分析
汽车行驶上动态汽车衡（以下简称秤台）时，因汽车前轮的惯性 冲力将秤台向前推去，当秤台运动到前限位器时，限位将产生反推力， 又将秤台向后推去。当称重运动到后限位器时产生反推力，以及汽车 的驱动力，又将秤台加速向前推去。在汽车完全行驶到秤台上面前， 秤台将持续加速振荡，形成加速摆动现象，如下图 2。 图 2 秤台摆动图
当汽车完全行驶到秤台上面时，通过其他地方产生的驱动力逐渐 消失，秤台的前后振荡频率速度将不再加速。当汽车加速或减速时， 秤台振荡频率也会加速减速。总之，在整个汽车上秤台前与上秤台过 程中，秤台会形成一个中、低频率前后振荡。
汽车的重量及其他推力振动等产生的力都由秤台传递给传感器， 由传感器将这些力的信息准确快速的传递给仪表（电脑）进行数据处 理，最终通过称重仪表显示。秤台受力分析如下： 表 1 秤台受力分析表
二、传感器采样频率方面分析 衡器用传感器一般有两种类型：柱式传感器和桥式传感器。柱式传 感器受力分析如下，见图 3。 图 3 柱式传感器受力图
1）当秤台与前限位器接触时，传感器受到轴向力， ° °
2）当秤台与前限位器不接触时，
如果考虑汽车驱动力等因素时，传感器的信号只在主信号 °中加波（中、高频），具体信号如下： 图 4 正常振动波形图 图 5 加发动机的振动波形图 图 6 加汽车的振动波形图
从这些力来分析，汽车的速度、驱动力、刹车等水平力造成秤台 左右摆动，并接触限位器，产生反推力。因速度驱动力有大有小，有 快有慢，造成反推力大小是没有规律的，因此处理数据时，只取没有 撞击时的数据。这样车辆的振动，发动机的振动等反向有规律的波动。 我们取大约不小于 3 个摆动，就能得到有效理想的数据，经过处理就 能得到相应精度。
下面我们计算秤台上的采样波动时间：秤台长度一般单节 6 米， 共 3 节，长度为 18 米。现在公路上主要行驶的货车为半拖挂车。
前轮到后轮大约 15 米，18 米-15 米=3 米。
秤台的车速为 20 公里/小时，3 米/20 公里/小时=0.54 秒。
我们取小于 3 个摆动循环，采集时间占 1 个循环的 2/3，则
0.54/3*（2/3）=0.12 秒，即每个循环最长采集时间为 0.12 秒。
每 1 个波形，需取 10 个数（前摆 5 个，后摆 5 个），则每条采样 时间为：0.012 秒（83Hz）。因此，传感器的固有频率大致在 83～100Hz， 我们就可以得到有效数据。
为了提高衡器精度，现在的衡器采集频率一般在 1000Hz，即每 秒中采集 1000 个数据。在衡器上，传感器的采样频率大致为柱式固 有频率＞10000Hz;桥式固有频率＞1000Hz。
单纯看两种传感器的固有频率，确实是柱式传感器的固有频率高 于桥式传感器，这是不争的事实。然而，衡器是由秤体、传感器和仪 表组成的，衡器的响应速度才是决定使用性能的最终因素。衡器的响 应速度主要由秤体的响应速度、仪表的响应速度、传感器的响应速度 共同决定。
随着电子技术的飞速发展，制造高分辨率、高响应速度的仪表已 经不是难事，但是秤体的响应速度提高确实不易，目前各生产厂家的 秤体结构、使用材料大同小异，根据资料显示，秤体的固有频率通常 在 3～5Hz,且无法进一步提高，因此，从采样频率来说，两种传感器 均能满足需求。
三、传感器安装方面分析
柱式传感器与桥式传感器的优缺点对比如下：
1．柱式传感器
优点：结构紧凑，体积小，固有频率高，动态响应快。
缺点：抗侧向和偏载能力较差，对加载点变化敏感，安装要求高， 调整四角等操作较为繁琐，传感器不易固定易旋转 ，加载频率或重 量过大，容易导致传感器开裂。
原因分析：不倒翁转动产生的原因，当地基水平，柱式传感器垂 直时，无论怎么摆动也不会旋转；但当不水平时，就会存在偏转，转 动。如图 8 所示： 图 7 柱式传感器安装图
当前后秤台摆动时，秤台也有可能产生旋转摆动，带动传感器旋 转摆动，这就是传感器产生旋转的原因。传感器的电缆线就缠在传感 器上，随着次数的增多，电缆线就有可能拽断，衡器产生故障。
在安装衡器时，我们不可能将传感器绝对的紧紧地与秤台接触， 肯定会存在一定的间隙。同时，在设计衡器支点时，我们最想让支点 靠边，减少翘板现象。但秤台有厚度，在车的冲击力等作用下，在秤 台上面的冲击力以及支点会产生转矩，这样就有一定的翘板现象。当 翘板力瞬间消失后，秤台产生向下的冲击力，间隙越大，冲击力越大。
对于柱式传感器，由上、下压头、传感器以及秤台、地基安装板 组成，中间没有任何柔性。当几个重力加速度的冲击力下来，这样的 集中冲击力，很有可能将传感器从中间冲裂。
2．桥式传感器
优点：对加载点变化不敏感，抗偏载性能好，固有线性好，安装 方便，传感器固定不旋转，制造成本低。
缺点：体积大，重量大，搬运笨重。
桥式传感器是通过钢球与秤台连接，旋转摆动时，只有钢球转动， 不会使传感器旋转。同时，对于桥式结构传感器，其受力变化的扰度 有数量级的变化，在相同的动能冲击下，冲击力也有数量级的减少， 因此几乎没有桥式传感器会冲击断裂的现象发生。
四、总结
从以上分析，我们可得出如下结论：在 20 公里/小时的动态衡器 中，在采集速度方面，使用桥式和柱式传感器没有本质区别，都能正 常使用；在抗冲击力方面，桥式优于柱式传感器；在安装条件方面， 桥式传感器明显比柱式简单；在动态衡器应用中，客户可根据现场条 件和自身情况，选用桥式或柱式传感器。
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