一种称重压电传感器、其制备方法和高速公路称重系统与流程

本发明涉及交通监管领域，特别涉及一种称重压电传感器、其制备方法和高速公路称重系统。

背景技术：

高速公路称重系统适用于高速公路计重收费系统，可用于超载治理和超速治理及道路监控，目前，道路使用的绝大多数称重传感器体积庞大，在安装时需要重型机械的帮助，对车流量影响很大，容易造成交通阻塞，例如：整车式称重方案，该方案动态秤称台中心线距收费亭中心线距离约为20米，实施该方案需要大型机械的帮助，且需要封路较长时间。其他如弯板式称重方案，体积大，且弯板长时间碾压后会产生塑性形变，令精度下降，而且现有的称重方案得到并传输的均为模拟信号，在传输过程中会造成信号的失真。如何简化高速公路称重系统的结构，提高称重的精度，成为一个亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种称重压电传感器、其制备方法和高速公路称重系统，以简化高速公路称重系统的结构，提高称重的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种称重压电传感器，所述称重压电传感器包括：

压力传导结构、预紧力夹板、石英压电晶体和信号调理电路；

所述预紧力夹板包括底板和两个对称预紧力侧板，所述石英压电晶体设置在所述底板的上方，两个所述对称预紧力侧板将所述压力传导结构夹紧在所述石英压电晶体的上方；

所述石英压电晶体上设置有电极，所述石英压电晶体通过所述电极与所述信号调理电路连接，所述石英压电晶体用于称量施加在所述压力传导结构上的重量的模拟信号，并将所述重量的模拟信号发送给所述信号调理电路；

所述信号调理电路用于将所述石英压电晶体输出的重量的模拟信号转化成重量的数字信号，并将所述重量的数字信号通过输出导线引出。

可选的，所述压力传导结构包括上层结构、中层结构和下层结构，所述上层结构为等腰梯形体，所述上层结构的上表面的面积大于所述上层结构的下底面的面积；所述中层结构为上表面与所述上层结构的下底面的形状相同的长方体，所述下层结构为上底面与两侧面的夹角为圆角的等腰梯形体，所述下层结构的上表面的面积大于所述下层结构的下表面的面积，所述上层结构的下底面与所述中层结构的上表面重合，所述中层结构的下表面与所述下层结构的上底面重合；

所述预紧力夹板的两个对称预紧力侧板夹紧于所述下层结构的上底面与两侧面的夹角处；

所述石英压电晶体放置于所述下层结构的下底面与所述预紧力夹板的底板之间。

可选的，所述信号调理电路包括电荷放大器、仪表放大器、滤波器和单片机；

所述电荷放大器分别与所述石英压电晶体的电极和所述仪表放大器连接，所述电荷放大器用于将所述石英压电晶体测得的重量的模拟信号进行电荷放大，并将电荷放大后的信号发送给所述仪表放大器；

所述仪表放大器与所述滤波器连接，所述仪表放大器用于对所述电荷放大后的信号进行仪表放大，并将仪表放大后的信号发送给所述滤波器；

所述滤波器与所述单片机连接，所述滤波器用于对所述仪表放大后的信号进行滤波，并将滤波后的信号发送给所述单片机；

所述单片机用于将所述滤波后的信号转化成重量的数字信号，并将所述的重量的数字信号通过输出导线引出。

可选的，所述称重压电传感器还包括外壳，所述压力传导结构、所述预紧力夹板、所述石英压电晶体和信号调理电路通过空心玻璃微球增强泡沫塑料密封成预设结构，所述预设结构设置在所述外壳内。

可选的，所述称重压电传感器还包括混凝土材料的面层，所述面层铺设于所述压力传导结构的上表面。

可选的，所述压力传导结构和所述预紧力夹板的材料为轻型合金。

一种称重压电传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

在石英压电晶体上铺设电极；

将所述电极通过导线与信号调理电路连接；

利用水平外力将预紧力夹板的两个侧板撑开，放入连接好的石英压电晶体和信号调理电路，及压力传导结构；

将所述水平外力撤掉，得到传感器主体。

可选的，所述将所述水平外力撤掉，得到传感器主体，之后还包括：

在所述传感器主体外侧粘接空心玻璃微球增强泡沫塑料，将所述传感器主体密封成预设结构；

将所述预设结构放置于外壳内。

一种高速公路称重系统，所述称重系统包括：多个称重压电传感器、摄像头、上位机和远程监控终端；

所述摄像头与所述上位机连接，所述摄像头用于拍摄进入高速公路称重区的车辆的车牌号信息，并将所述车牌号信息发送给所述上位机；

多个所述称重压电感器并排埋于所述高速公路称重区的地面，所述称重压电传感器的输出导线通过所述高速公路称重区的地面的导线槽引出，所述称重压电传感器通过所述输出导线与所述上位机连接，所述称重压电传感器用于称量进入所述高速公路称重区的车辆的重量的数字信号，并所述重量的数字信号发送给上位机；

所述上位机与所述远程监控终端连接，所述上位机用于对所述重量的数字信号进行解码，得到车辆的重量信息，并将所述车牌号信息和所述车辆的重量信息对应，获得对应车辆的重量信息，并将所述对应车辆的重量信息发送给所述远程监控终端；

所述远程监控终端用于根据所述对应车辆的重量信息进行计重收费和超重违章管理。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种称重压电传感器、其制备方法和高速公路称重系统，所述称重压电传感器包括：压力传导结构、预紧力夹板、石英压电晶体和信号调理电路；通过压力传导结构、预紧力夹板和石英压电晶体实现称重，简化高速公路称重系统的结构，传感器主体结构均为刚性连接，大大提高了传感器的频率响应，使传感器可以处理各种车流量情况下的称重任务，配合模式识别相关算法可以大幅度降低刚性连接产生的振动噪声，能在维持高频率响应的同时保证信号精度。通过信号调理电路将测得的模拟信号转化成数字信号进行传输，避免了信号传输过程中的失真，进一步提高了称重精度。本发明的称重压电传感器在简化高速公路称重系统的结构的同时，提高了称重的速度与精度。

本发明还采用空心玻璃微球增强泡沫塑料对所述压力传导结构、所述预紧力夹板、所述石英压电晶体和信号调理电路，进行密封，并将密封后的结构放置于壳体内，通过空心玻璃微球增强泡沫塑料抑制横向振动，从而达到准确测量垂直轴重的目的，并提高了防尘防水防腐蚀性能，大大提升了传感器的稳定性并提高了传感器的寿命，使整个称重系统更便于维护和使用。

本发明中传感器主体采用的轻型合金材料的材料特性使传感器本身即具有良好的抗腐蚀性能，配合外壳使用可大大提高传感器寿命及工作稳定性。

本发明的压力传导结构和预紧力夹板采用轻型合金材料，减轻了本发明的称重传感器的重量，使本发明的称重传感器便于安装。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种称重压电传感器的结构图；

图2为本发明提供的一种称重压电传感器的立体结构图；

图3为本发明提供的一种称重压电传感器的信号调理电路的结构图；

图4为本发明提供的一种高速公路称重系统的结构图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种称重压电传感器、其制备方法和高速公路称重系统，以简化高速公路称重系统的结构，提高称重的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明实施例1提供一种称重压电传感器。

如图1所示，所述称重压电传感器包括：

压力传导结构1、预紧力夹板2、石英压电晶体3和信号调理电路4；所述预紧力夹板2包括底板21和两个对称预紧力侧板22，所述石英压电晶体3设置在所述底板21的上方，两个所述对称预紧力侧板22将所述压力传导结构1夹紧在所述石英压电晶体3的上方；所述石英压电晶体3上设置有电极，所述石英压电晶体通过所述电极与所述信号调理电路4连接，所述石英压电晶体3用于称量施加在所述压力传导结构上的重量的模拟信号，并将所述重量的模拟信号发送给所述信号调理电路；所述信号调理电路4用于将所述石英压电晶体3输出的重量的模拟信号转化成重量的数字信号，并将所述重量的数字信号通过输出导线引出。本发明的称重压电传感器直接输出数字信号，抗干扰能力强，传输方式可选择范围广，且信号强度不受传输距离的限制。

如图2所示，所述压力传导结构1包括上层结构11、中层结构12和下层结构13，所述上层结构11为等腰梯形体，所述上层结构11的上表面的面积大于所述上层结构11的下底面的面积；所述中层结构12为上表面与所述上层结构11的下底面的形状相同的长方体，所述下层结构13为上底面与两侧面的夹角为圆角的等腰梯形体，所述下层结构13的上表面的面积大于所述下层结构13的下表面的面积，所述上层结构11的下底面与所述中层结构12的上表面重合，所述中层结构12的下表面与所述下层结构13的上底面重合；所述预紧力夹板2的两个对称预紧力侧板22夹紧于所述下层结构13的上底面与两侧面的夹角14处；所述石英压电晶体3放置于所述下层结构13的下底面与所述预紧力夹板2的底板之间。

如图3所示，所述信号调理电路4包括电荷放大器、仪表放大器、滤波器和单片机；所述电荷放大器分别与所述石英压电晶体3的电极和所述仪表放大器连接，所述电荷放大器用于将所述石英压电晶体测得的重量的模拟信号进行电荷放大，并将电荷放大后的信号发送给所述仪表放大器；所述仪表放大器与所述滤波器连接，所述仪表放大器用于对所述电荷放大后的信号进行仪表放大，并将仪表放大后的信号发送给所述滤波器；所述滤波器与所述单片机连接，所述滤波器用于对所述仪表放大后的信号进行滤波，并将滤波后的信号发送给所述单片机；所述单片机用于将所述滤波后的信号转化成重量的数字信号，并将所述重量的数字信号通过输出导线引出。

本发明公开了一种称重压电传感器、其制备方法和高速公路称重系统，所述称重压电传感器包括：压力传导结构、预紧力夹板、石英压电晶体和信号调理电路；通过压力传导结构、预紧力夹板和石英压电晶体实现称重，简化高速公路称重系统的结构，通过信号调理电路将测得的模拟信号转化成数字信号进行传输，避免了信号传输过程中的失真，提高了称重精度。本发明的称重压电传感器在简化高速公路称重系统的结构的同时，提高了称重的精度。

实施例2

本发明实施例2提供了本发明的所述称重压电传感器的一个优选的实施方式。

所述称重压电传感器还包括外壳5，所述压力传导结构1、所述预紧力夹板2、所述石英压电晶体3和信号调理电路4通过空心玻璃微球增强泡沫塑料6密封成预设结构，所述预设结构设置在所述外壳5内。空心玻璃微球增强泡沫塑料6粘接在压力传导结构1、所述预紧力夹板2、所述石英压电晶体3和信号调理电路4周围，并成方形，最终放入外壳5内，该材料为弹性材料，重量轻，该结构在不影响传感器对垂直力测量的前提下可以在一定程度上消除横向振动。外壳5长度有多种形式，为1000mm、1500mm、2000mm以适应不同路面。所述的预设结构为200mm，可以根据实际需要自由组合成不同长度的传感器。组合时，将不同数量的预设结构塞入不同长度的外壳即可。本发明将所述预设结构与外壳埋入地面中时，由于所述传感器主体材料本身的材料特性和抗腐蚀能力以及所述外壳良好的密封性，使所述称重压电传感器具有寿命长的特点。

所述称重压电传感器还包括混凝土材料的面层7，所述面层7铺设于所述压力传导结构的上表面。

所述压力传导结构和所述预紧力夹板的材料为轻型合金，具体为5052铝合金。5052铝合金是一种防锈铝，该型号铝合金抗拉强度为173～244mpa，条件屈服强度≥70mpa，其弹性模量约为70gpa。相比1060铝板，在5052系列铝合金比1060系列铝合金硬100％的情况下，延伸率提高了200％左右。5052铝合金强度高，特别是具有抗疲劳强度：塑性与耐腐蚀性高，不能热处理强化，在半冷作硬化时塑性尚好，冷作硬化时塑性低，耐腐蚀好，焊接性良好。符合该传感器对强度和抗疲劳程度的要求。采用铝合金材料避免了石英压电晶体长期使用出现的重力疲劳状态。

本发明还采用空心玻璃微球增强泡沫塑料对所述压力传导结构、所述预紧力夹板、所述石英压电晶体和信号调理电路，进行密封，并将密封后的结构放置于壳体内，通过空心玻璃微球增强泡沫塑料抑制横向振动，从而达到准确测量垂直轴重的目的，并提高了防尘防水性能。

本发明的压力传导结构和预紧力夹板采用轻型合金材料，减轻了本发明的称重传感器的重量，使本发明的称重传感器便于安装。

实施例3

本发明实施例3提供了本发明的所述称重压电传感器的另一个优选的实施方式。

面层7厚度为5mm，宽为80mm，ab胶厚度为1mm；两个石英压电晶体3高度为10mm，宽度为20mm，长度为200mm；预紧力夹板2的对称预紧力侧板22厚度为5mm，长度为200mm；底板21高度为10mm，宽度为100mm，长度为200mm；信号调理电路4的电路板宽度为20mm，导线管7直径为3mm，外壳5高度为88mm，外壳5宽度为106mm。

实施例4

本发明实施例4提供一种称重压电传感器的制备方法。

所述制备方法包括如下步骤：

在石英压电晶体上铺设电极；

将所述电极通过导线与信号调理电路连接；并将所述信号调理电路与所述石英压电晶体靠近，以降低信号噪声。

利用水平外力将预紧力夹板的两个侧板撑开，放入连接好的石英压电晶体和信号调理电路，及压力传导结构；

将所述水平外力撤掉，得到传感器主体，本发明的传感器主体通过预紧力夹板的弹力将压力传导结构、石英压电晶体和预紧力夹板的底板夹紧，并施加一定的预紧力，本发明的整个传感器称重部分全部为刚性连接，提高了整个传感器的频率响应，结合模式识别相关算法可以消除大部分刚性连接产生的噪声并同时保证测量精度和速度。

在所述传感器主体外侧粘接空心玻璃微球增强泡沫塑料，将所述传感器主体密封成预设结构；

将所述预设结构放置于外壳内；

本发明将所述预设结构与外壳埋入地面中时，由于所述传感器主体材料本身的材料特性和抗腐蚀能力以及所述外壳良好的密封性，使所述称重压电传感器具有寿命长的特点。

在所述传感器主体外侧粘接空心玻璃微球增强泡沫塑料，将所述传感器主体密封成预设结构，之前还包括：

在所述压力传导结构上粘接面层，面层与压力传导结构之间涂层为ab胶，将ab胶涂于压力传导结构上后，静置12小时，胶厚度约为1mm。待胶完全干后，将面层放在ab胶上，夯实。

安装时，在平整的道路上切出长槽，将传感器水平埋入，并利用水平仪进行校准；切出传感器所需凹槽后，还需要在路面车辆行驶的垂直方向切出约5mm宽10mm深的一条凹槽用于将传感器导线引出并将电源线引进；传感器位置确定后，利用环氧树脂和石英砂按一比一的比例混合后作为胶水，将传感器浇筑于路面上切好的传感器凹槽和导线凹槽内。传感器被埋入地面凹槽后，使用水平仪对传感器面层和路面进行水平较准，保证传感器面层和路面在同一水平线上。安装时允许传感器略高于路面，待安装完成后将传感器面层进行打磨，打磨至与路面平齐即可。

实施例5

本发明实施例5提供一种高速公路称重系统。

如图4所示，所述称重系统包括：多个称重压电传感器、摄像头、上位机和远程监控终端；

所述摄像头与所述上位机连接，所述摄像头用于拍摄进入高速公路称重区的车辆的车牌号信息，并将所述车牌号信息发送给所述上位机；

多个所述称重压电感器并排埋于所述高速公路称重区的地面，所述称重压电传感器的输出导线通过所述高速公路称重区的地面的导线槽引出，所述称重压电传感器通过所述输出导线与所述上位机连接，所述称重压电传感器用于称量进入所述高速公路称重区的车辆的重量的数字信号，并所述重量的数字信号发送给上位机；

所述上位机与所述远程监控终端连接，所述上位机用于对所述重量的数字信号进行解码，得到车辆的重量信息，并将所述车牌号信息和所述车辆的重量信息对应，获得对应车辆的重量信息，并将所述对应车辆的重量信息发送给所述远程监控终端；

所述远程监控终端用于根据所述对应车辆的重量信息进行计重收费和超重违章管理。

实施例6

本发明实施例6提供一种高速公路称重系统的一个优选的实施方案。

高速公路称重系统使用两组称重压电传感器，两组称重压电传感器安装间距固定为20m，两组称重压电传感器测出的数据进行求平均，进一步保证测量的数据准确性。因传感器间距固定，在车辆通过第二组称重压电传感器时，摄像头动作，拍摄车辆照片并识别车牌号，通过测试车辆第一个车轴通过两组传感器的时间，显示出车辆通行速度。

一种称重压电传感器、其制备方法和高速公路称重系统的有益效果是：

本发明提供的称重压电传感器内置信号调理电路，相比传统传感器直接将石英压电信号传出，本发明的称重压电传感器利用传感器的结构特点将信号调理电路与传感器集成在一起，从而在内部将信号处理后，直接传输出数字信号，抗干扰能力大大增强，对信号传输方式的苛刻要求大大降低。

本发明提供的称重压电传感器对生产工艺要求不高，符合国内创造、国内生产的要求，利用预紧力夹板的弹性力将石英压电晶体固定，让石英压电晶体工作在线性变形范围，结构简单可靠，且预紧力夹板几乎不影响受力。

现有的高速公路称重系统对车辆通过时的横向振动没有较好的抑制措施，本发明提供的称重压电传感器的结构可以很大程度上利用传感器结构及空心玻璃微球增强泡沫塑料对横向振动起到抑制作用，从而达到准确测量垂直轴重的目的。

本发明提供的称重压电传感器的结构密封，防尘防水，对环境变化不敏感，在各种环境中均可稳定工作，使用简单、寿命长、体积小且安装方便。

本发明提供的传感器精度高，可以准确测量高速度车辆的轴重，相比传统称重传感器可大大提高车辆通行速率，减少因计费不准产生的投诉。

本发明中石英压电晶体上电极板引出的导线采用屏蔽线，使多根导线平行传输压电信号时彼此不产生干扰，保证输出信号的稳定性和精度。

本发明提供的石英压电传感器结构中没有任何螺丝，提高了稳定性及寿命，并降低了安装成本和使用成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。