石英压电式轮轴识别器在公路超限检测系统中的应用

刘卫军

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西 太原 030012)

石英压电式轮轴识别器在公路超限检测系统中的应用

刘卫军

(山西欣奥特自动化工程有限公司，山西 太原 030012)

阐述了石英压电式轮轴识别器在公路超限检测系统中的应用，可以自动检测出车辆通过超限检测站时的轴型、胎型、轴数，根据现行按照车型判别限重的标准，实现完全意义上不停车自动识别、自动检测，为超限检测站机电设备的正常运行提供了便捷。

石英压电式轮轴识别器；超限检测系统；自动识别

1 技术应用的社会背景

近年来，随着国民经济持续高速发展,公路货运需求持续增长。公路货运车辆超限超载不仅损坏公路路产，扰乱运输市场，还对交通安全构成极大威胁，已成为危害公路交通可持续发展的“顽疾”。为了突出源头治理、强化执法力度、建立长效机制，新的《超限运输车辆行驶公路管理规定》[1]提出：

第一条 为加强超限运输车辆行驶公路管理，保障公路设施和人民生命财产安全，根据《公路法》《公路安全保护条例》等法律、行政法规，制定本规定。

第二条 超限运输车辆通过公路进行货物运输，应当遵守本规定。

第三条 本规定所称超限运输车辆，是指有下列情形之一的货物运输车辆：

(一) 二轴货车，其车货总质量超过18 000千克；

(二) 三轴货车，其车货总质量超过25 000千克；三轴汽车列车，其车货总质量超过27 000千克；

(三) 四轴货车，其车货总质量超过31 000千克；四轴汽车列车，其车货总质量超过36 000千克；

(四) 五轴汽车列车，其车货总质量超过43 000千克；

(五) 六轴及六轴以上汽车列车，其车货总质量超过49 000千克，其中牵引车驱动轴为单轴的，其车货总质量超过46 000千克。

前款规定的限定标准的认定，还应当遵守下列要求:

(一) 二轴组按照二个轴计算，三轴组按照三个轴计算；

(二) 除驱动轴外，二轴组、三轴组以及半挂车和全挂车的车轴每侧轮胎按照双轮胎计算，若每轴每侧轮胎为单轮胎，限定标准减少3 000千克，但安装符合国家有关标准的加宽轮胎的除外；

(三) 车辆最大允许总质量不应超过各车轴最大允许轴荷之和；

(四) 拖拉机、农用车、低速货车，以行驶证核定的总质量为限定标准；

(五) 符合《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》(GB1589)规定的冷藏车、汽车列车、安装空气悬架的车辆，以及专用作业车，不认定为超限运输车辆[1]。

按照以上新标准规定，2轴货车车货总重不得超过18吨；3轴货车不得超过25吨，3轴汽车列车不得超过27吨；4轴货车不得超过31吨，4轴汽车列车不得超过36吨；5轴汽车列车不得超过43吨；6轴及6轴以上汽车列车不得超过49吨，其中牵引车驱动轴为单轴的，其车货总质量不得超过46吨。从2006年山西省治超检测系统启动以来，各治超检测系统采用的识别方法是按轴数计算载荷重量，既2轴货车车货总重不得超过20吨；3轴货车车货总重不得超过30吨；4轴货车车货总重不得超过40吨；5轴汽车车货总重不得超过50吨；6轴货车车货总重不得超过55吨。原标准在交通部62令实施之后同时废止.我们可以看出，原标准是依据秤台、仪表来判别单轴载荷重量，新标准是根据轮轴识别器判别轴型、胎型，即每轴每侧轮胎为单轮胎，限定标准减少3 000千克，所以根据新标,超限检测系统须加装轮轴识别器来判别轴型、胎型。

2 技术应用的成熟性阐述

2.1 石英压电式轮轴识别器特点

石英压电式轮轴识别器是为了配合货运装载源头科技治超监管系统实施方案设计，此系统可以准确地检测出通过车辆的轴数、轮数、轴型，从而准确的鉴别出车型；可以单独使用也可以和其他系统如称重系统、车牌自动识别系统等集成应用组成一个完整的自动车辆检测系统。

图1 轮轴识别器尺寸图

2.2 石英压电式轮轴识别器介绍

轮轴识别器由石英式压力传感器、传感器密封胶、中心控制器组成。石英压电轮轴识别器是利用石英晶体的纵向压电效应将重量信号转换成电信号的装置。基于动态测量石英技术的轮轴识别器可用于恶劣环境，是适合恶劣环境条件下不同速度判别轴型的最准确、可靠的轮轴识别器。此轮轴数经过处理器计算后通过通讯口输出给相关的设备。检测轮轴的传感器安装在道路下面，不受雨、雪、雾、低温等恶劣环境影响，使得设备工作稳定、检测可靠、使用寿命长。

2.3 石英压电式轮轴识别器检测系统特性

> 可以检测出车辆轴数，轮数；

> 检测速度0～50 km/h；

> 检测数据通过RS232串口输出；

> 支持RS232串口、RS485接口；

> 电源、数据输入输出安全隔离设计，抗干扰能力强；

> 压力传感器标准长度：1.55 m(普通车道)、2.05 m(超宽车道)；

> 控制器可独立使用，占地小，如图2；

> 供电方式：5 V电源适配器；

> 工作温度：-200 ℃～+200 ℃；

> 对时间稳定性极好，无“老化现象”，不需要或很少需要重复校准，并具有不低于10年的使用寿命；

> 石英压电轮轴识别器耐久性测试试验期间内经受5 400 000次的50 kN载荷变化，设备没有任何受损迹象。

图2 控制器

2.4 安装布局

为了便于称重仪表处理器的逻辑运算和货运车辆行驶轨迹，识别器距离称重平台边700 mm，距离护岛边100 mm。

图3 设备安装布局图

2.5 系统实现功能

使用石英压电式轮轴识别器的情况下，新系统比原系统增加了车型、轴数功能，满足交通部新标准下根据车型判别设定货运车辆限重。

图4 系统界面图

2.6 新技术、新工艺

> 识别器路面施工切口：6 cm宽、5 cm深；

> 采用专用胶一次性浇注，安装后嵌入路基，与路面形成一个整体，无需排水，免去应用中的日常维护；

> 施工简单、免维护，切槽、安装、调试 2小时即可完成，24小时后达到密封专用胶的强度，可以通车。

图5 施工安装图

3 技术应用的原理分析

3.1 压电效应机理分析

具有压电效应的物质很多，如天然的石英晶体、人造的压电陶瓷等，现以石英晶体为例，说明压电效应机理。如图6所示为石英晶体切片，石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。坐标轴定义如下：

X轴：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。

Y轴：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。

Z轴：无压电效应，中心轴，也称光轴。

图6 石英晶体切片图

硅离子有4个正电荷，氧离子有2个负电荷，一个硅离子和两个氧离子交替排列。

3.2 结构特性

1) 沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力，晶胞结构变形相同，因而产生的电荷极性相同，同样道理，沿X轴方向作用拉力与沿Y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同；

2) 在晶体的线性弹性范围内，当沿X轴方向作用压力FX时，在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为Q=d11FX；

3) 如果沿Y轴方向作用压力Fy时，电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上，其电荷量为Q=d12 l/δ Fy=-d11 l/δ Fy。

l为石英晶片的长度，δ为晶片的厚度，d12为沿Y轴方向施力的压电常数，由于石英晶体的轴对称，所以d12=-d11。负号表示所产生的电荷极性相反。

4 技术应用达到的质量目标和市场前景

4.1 石英压电式轮轴识别器在公路超限检测系统中的应用技术指标

> 识别货运车辆轴型、胎型、轴数，正确率达到99.9%以上；

> 平均无故障时间(MTBF)100 000 h，平均维修时间(MTTR)30 min；

> 采用单片机技术，对目前超限检测系统无须改动，直接在车道切槽安装，控制器与串口进行连接。

5 结论

本文对石英压电式轮轴识别器在公路超限检测系统中的应用做了全面的阐述及相应的解决方案，将该系统应用在超限检测系统中施工简单、运行可靠，为超限检测站机电设备的正常运行提供了便捷。

[1] 杨传堂.超限运输车辆行驶公路管理规定 (交通运输部令2016年第62号)[S].2016.

Application of Quartz Piezoelectric Axle Recognizer in Highway Overrun Detection System

Liu Weijun

(ShanxiXinAutomationEngineeringCo.Ltd.,TaiyuanShanxi030012,China)

This article expounds the quartz piezoelectric axle recognizer application in highway overrun detection system, which can automatically detect the shaft model, the tire model and the shaft number of vehicle when passing the transfinite testing station, and according to the current weight limits criterion of vehicle type, achieve the automatic recognition and automatic detection of no stopping in full sense, it provides convenience for the normal operation of the mechanical and electrical equipment of the overrun detection station.

quartz piezoelectric axle recognizer; overrun detection system; automatic identification

2016-10-11

刘卫军(1983- )，男，山西代县人，工程师，大学本科，主要从事电子信息工程管理、公路机电工程管理等工作。

1674- 4578(2016)06- 0018- 03

U492.32；TP274

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