■王奕檳

（福建省高速公路信息科技有限公司， 福州 350011）

近年來，車輛超限超載造成的嚴重問題逐步凸顯，“百噸王”超限超載車輛不但易發(fā)生交通事故，同時導致公路路面、路基、橋梁過早損壞，甚至發(fā)生坍塌等嚴重安全事故，公路交通的安全、暢通面臨嚴峻形勢[1]。 為此，國務院印發(fā)通知，對高速公路稱重檢測業(yè)務規(guī)范和技術要求作了統一要求，在高速公路出入口、國省道安裝了大量動態(tài)汽車衡對車輛進行治超稱重， 規(guī)定了設備稱重準確度必須優(yōu)于5 級[2]。 同時，建立健全高速公路入口檢測、出口倒查，以及與國省道治超稱重聯網、聯動執(zhí)法，實現全國公路治超“一張網、一盤棋”[1，3]。

建立在數據聯通、 信息共享基礎上的治超聯動，給公路治超工作帶來了巨大挑戰(zhàn)，也對檢測設備的統一性提出了更高要求。 動態(tài)汽車衡按工作原理可分為整車式、軸組式、軸重式（又包括單秤臺、雙秤臺、彎板式、石英式）等10 余種類型近100 個型號，最大秤量從5～100 t，檢測區(qū)長度從5～21 m[4-5]。其計量性能不準和不穩(wěn)定將導致高速入口治超稱重引發(fā)爭議，引發(fā)交通擁堵。而與國省道的非現場治超稱重結果不一， 又容易將治超執(zhí)法部門與計量部門推向風口浪尖， 治超執(zhí)法嚴肅性受到很大影響。 因此，必須保證動態(tài)汽車衡量值的準確性與穩(wěn)定性。

無論采用何種動態(tài)汽車衡，如果沒有采用合適的方法對其進行準確標定，很難保證其標稱的準確度水平。 無論采用何種稱重設備，不停車稱重檢測均為動態(tài)稱重模式，其測量結果受稱重設備靜態(tài)標定量值、車輛軸型、車輛速度以及車輛行駛狀態(tài)等因素的影響。 其中，靜態(tài)標定量值是動態(tài)測量的基數， 其準確與否直接決定了動態(tài)測量的準確度水平。 所以對稱重設備進行動態(tài)檢定前，必須進行全量程、全性能的靜態(tài)標定。 然而，傳統采用砝碼進行靜態(tài)標定，必須對最小秤量、最大秤量等關鍵秤量點進行檢測[6]。 動態(tài)汽車衡的最大秤量一般在30 t以上，整車式動態(tài)汽車衡甚至高達100 t。 而對于軸重式汽車衡，寬度通常只有60 cm，要堆疊如此大量的砝碼是極其危險的，同時工作效率也十分低下[7]。因此， 目前大部分采用動態(tài)標定取代了靜態(tài)標定，即僅依據JJG907-2006 《動態(tài)公路車輛自動衡器檢定規(guī)程》[8]，采用3 種不同軸型的貨車、在3 種行駛速度下，對設備進行動態(tài)標定和檢定[9]。 由于動態(tài)標定過程中，耦合了許多動態(tài)不確定性因素，如上秤前路況不佳導致的車輛起伏振動，將嚴重影響標定的準確性。 所以，簡單的3 種車型、3 種車速進行動態(tài)標定，不具有代表性，特別是當秤的線性較差時。此外，動態(tài)汽車衡所采用的稱重傳感器，其計量性能受溫度影響。在夏季與冬季，溫差可達50℃，給汽車衡準確性帶來嚴重影響。 不進行靜態(tài)檢測，即使短時間內能通過動態(tài)檢定，但隨著溫度、狀態(tài)、傳感器靈敏度的變化，設備準確度將很快超出最大允許誤差的要求[10]。

本研究提出了一種靜動態(tài)組合式動態(tài)汽車衡校準方法，并對目前常用的3 種動態(tài)汽車衡，即整車式動態(tài)汽車衡、軸組式動態(tài)汽車衡和軸重式動態(tài)汽車衡，進行試驗對比驗證。

1 靜動態(tài)組合式校準方法

為使動態(tài)汽車衡在全量程范圍內對各種車型車輛的稱重計量性能達到動態(tài)5 級的標準要求，本研究提出采用靜動態(tài)組合式校準方法，其校準過程及要求如下。

1.1 靜態(tài)校準

采用衡器載荷測量儀對動態(tài)汽車衡進行全量程、全性能的靜態(tài)校準，控制其最大允許誤差，使其滿足國際建議OIMLR76《非自動衡器》中準確度級（即靜態(tài)III 級）的要求[11]。

衡器載荷測量儀由標準載荷單元、標準載荷單元組和液壓控制系統構成。 每個標準載荷單元由液壓油缸、反力裝置、傳感器和測量儀表等組成，兩個或兩個以上標準載荷單元組成標準載荷單元組。 標準載荷單元、標準載荷單元組和液壓控制系統構成測量儀。 衡器載荷測量儀以高準確度傳感器作為載荷測量標準，采用高精密液壓機構，借助反力裝置，對電子汽車衡施加標準載荷，實現對電子汽車衡的校準[12]。相對傳統的采用砝碼進行汽車衡靜態(tài)校準，衡器載荷測量儀具有運輸方便、工作效率高、成本低等優(yōu)點，能準確實現對汽車衡的全量程、全性能校準[13-16]。

依據JJG 1118-2015《電子汽車衡（衡器載荷測量儀法）》國家計量檢定規(guī)程[13]的要求，對汽車衡的偏載、稱量性能以及重復性分別進行測試。

1.1.1 偏載

依據規(guī)程要求，在動態(tài)汽車衡秤臺上排布N 個標準載荷單元，N 為各汽車衡傳感器的數量， 其具體排布位置見圖1。 圖中四方形黑點為汽車衡傳感器排布位置；圓形黑點為衡器載荷測量儀標準載荷單元排布位置。 將汽車衡的秤臺面分為N 等分，標準載荷單元排布在各區(qū)域的中心位置。

圖1 標準載荷單元在各種動態(tài)汽車衡上排布位置

偏載校準的載荷值為

式中，LE為施加的偏載載荷值；Max 為汽車衡最大秤量。

采用第1 個標準載荷單元對第1 個偏載區(qū)域施加LE-e 標準載荷（e 為汽車衡分度值），記錄下此刻汽車衡的顯示值IE。 然后，以1 kg/s 的加載速度，緩慢地繼續(xù)施加載荷，直至汽車衡的示值由IE變成IE+e， 記錄下此時標準載荷單元所施加的所有載荷值LU。 由公式（2）計算得到偏載誤差EE，

然后，再采用其余標準載荷單元依次對其對應的偏載區(qū)域進行上述偏載校準，并計算出各區(qū)域的偏載誤差。 當各偏載位置的偏載誤差EE超過OIMLR76《非自動衡器》[11]規(guī)定的中準確度級在偏載載荷LE下最大允許誤差的要求， 分別調整各偏載位置對應的各傳感器系數，使偏載誤差不超過最大允許誤差。

1.1.2 稱量性能和重復性

選擇5 個不同的校準點Lw， 包括最小秤量20 e、500 e、50%最大秤量、2000 e 和最大秤量。采用秤臺上排布的所有標準載荷單元 （即標準載荷單元組）對秤臺同時施加LW-e 標準載荷，記錄下此刻汽車衡的顯示值IW。 然后，再以1 kg/s 的加載速度，對秤臺緩慢地繼續(xù)施加載荷，直至汽車衡的示值由IW變成IW+e ，記錄下此時標準載荷單元組所施加的所有載荷值LUS。 由公式（3）計算得到稱量性能誤差Ew:

采用上述方法， 依次完成對5 個校準點的檢測，得到對應的稱量性能誤差。 當各稱量性能誤差超過OIMLR76《非自動衡器》[11]規(guī)定的中準確度級稱量性能最大允許誤差的要求，對汽車衡重新進行整體標定，然后再檢測一遍，直至稱量性能誤差不超過最大允許誤差的要求。

1.1.3 重復性

重復稱量性能檢測3 遍，由公式（4）計算得到各校準點對應的重復性R：

式中，EW,max和EW,min分別為某一校準點3 遍檢測中的最大稱量性能誤差和最小稱量性能誤差。 重復性應不超過OIMLR76《非自動衡器》[11]規(guī)定的中準確度級汽車衡最大允許誤差的要求。

1.2 動態(tài)校準

靜態(tài)校準完成后，依據JJG907-2006《動態(tài)公路車輛自動衡器檢定規(guī)程》， 采用3 種不同軸型的參考車輛，一般包括1 部兩軸剛性車、1 部三軸剛性車和1 部五軸或六軸鉸接掛車。 各參考車輛在汽車衡運行典型速度下、最小運行速度以及最大運行速度下分別測試10 次， 其中6 次由秤臺中心通過，2 次由靠近秤臺左側通過，2 次由靠近秤臺右側通過。由公式（5）計算車輛總重量誤差：

式中，EM為車輛總重量誤差；IM為測量得到的車輛總重量示值；LV為參考車輛的標準重量。

為達到動態(tài)5 級的標準要求，當車輛總重量誤差超過±2.5%時， 調整不同軸型車輛在不同速度下的系數，然后重新進行相應測試，直至車輛總重量誤差不超過最大允許誤差要求。

2 校準方法的試驗驗證

為驗證上述靜動態(tài)組合式校準方法的準確性和可靠性，本研究選擇高速出入口常用的3 種動態(tài)汽車衡——整車式、軸組式和軸重式進行試驗測試（表1）。為驗證本研究提出的校準方法，分別采用單一動態(tài)校準方法和靜動態(tài)組合式校準方法進行校準測試。

表1 試驗用3 臺動態(tài)汽車衡

2.1 單一動態(tài)校準

采用3 部參考車輛， 以5、10 和15 km/h 3 個速度直接采用1.2 節(jié)所述方法， 對各動態(tài)汽車衡分別測試10 次，并按公式（5）計算得到車輛總重量誤差（表2）。 如果總重量誤差超過±2.5%，調整動態(tài)系數， 直至車輛總重量誤差不超過最大允許誤差要求。

表2 試驗用3 部參考車輛及其重量

為驗證校準后汽車衡的準確性，將各參考車輛所載砝碼進行調整（表2），然后以7、12 km/h 兩個速度分別進行動態(tài)測試，并計算車輛總重量誤差。

2.2 靜動態(tài)組合式校準

2.2.1 靜態(tài)校準

首先依據1.1 節(jié)方法， 采用衡器載荷測量儀分別對各動態(tài)汽車衡的偏載、稱量性能和重復性進行靜態(tài)校準（圖2）。 當誤差超出表1 所示最大允許誤差要求時，調整汽車衡的靜態(tài)系數，然后重新進行測試，直至滿足表1 規(guī)定的誤差要求。

圖2 采用衡器載荷測量儀對各動態(tài)汽車衡進行靜態(tài)校準

2.2.2 動態(tài)校準

按照1.2 節(jié)所述方法，采用該3 部參考車輛，先以5、10 和15 km/h 3 個速度進行動態(tài)校準（圖3）。如果總重量誤差超過±2.5%，調整動態(tài)系數，直至車輛總重量誤差不超過最大允許誤差要求。

圖3 采用不同軸型參考車輛對各動態(tài)汽車衡進行動態(tài)校準

2.2.3 動態(tài)驗證

將各參考車輛所載砝碼進行調整， 然后以7、12 km/h 兩個速度分別進行動態(tài)測試， 并計算車輛總重量誤差（表2）。

3 校準測試的結果分析

3.1 單一動態(tài)校準結果

整車式、軸組式和軸重式3 種動態(tài)汽車衡在采用單一動態(tài)校準方法校準后，分別采用兩軸、三軸剛性車和五軸鉸接車以5 km/h 的速度通過秤臺的左側、中間和右側，計算得到車輛總重量的誤差（圖4），它反映了校準后汽車衡的偏載情況。

從圖4 可知，經過動態(tài)校準后，車輛總重量誤差控制在±2.5%內。 但是，除整車式汽車衡以外，軸組式和軸重式在秤臺左、中、右不同位置的誤差還存在一定差別。從圖4（b）可知，軸組式汽車衡，在靠左側位置，3 種車型檢測得到的誤差分別為-0.65%、-0.60%和-0.50%； 而靠右側位置時， 檢測結果為1.51%、0.49%和0.98%。 由此說明該汽車衡左右存在較大的偏載，左側偏輕，右側偏重。 而對于軸重式汽車衡，左側位置偏重，3 種車輛檢測得到的誤差為1.51%、1.36%和1.35%；而右側位置偏輕，誤差分別為-1.08%、-0.27%和-0.88%。 對于軸重式和軸重式汽車衡，其左右各有兩只傳感器。 當左右傳感器高低不一或安裝狀態(tài)存在傾斜時，容易造成車輛靠左和靠右稱重測量結果存在較大差別，即存在較大偏載。 而采用動態(tài)校準方法，一般僅能采用參考車輛靠左、中、右行駛獲得相應位置的重量值，然后進行左右傳感器系數調整等。 但是，采用這種方法，車子左右輪的載荷同時分別施加在秤臺的左右側，即使參考車輛靠左或靠右行駛，也很難十分準確地判別出左右傳感器的偏載量， 只能做初步的系數修正。 特別對于汽車衡常見的傳感器懸空而導致的偏載等故障， 采用參考車輛一般很難判別出故障。

圖4 不同型式動態(tài)汽車衡采用單一動態(tài)校準方法后的車輛總重量誤差

不同型式動態(tài)汽車衡采用單一動態(tài)校準方法后，兩軸剛性車（參考重量4 650 kg）、三軸剛性車（參考重量18 300 kg） 和五軸鉸接車 （參考重量37 600 kg） 分別以5、10 和15 km/h 3 種速度靠秤臺中間測量6 遍得到車輛總重量誤差的平均值（圖5）。 從圖5 可知，采用3 種車型在3 種速度下，經過動態(tài)校準后，在各種動態(tài)汽車衡的誤差均控制在1.5%以內。

圖5 不同型式動態(tài)汽車衡采用單一動態(tài)校準方法后的車輛總重量誤差的平均值

為驗證校準后各動態(tài)汽車衡的準確性，調整參考車輛的總重量，然后以與校準時不一樣的車速靠秤臺中間對汽車衡進行檢測。 結果發(fā)現，除整車式汽車衡外，軸組式和軸重式汽車衡均出現了較大的誤差（圖6）。 對軸重式汽車衡，當車速達到12 km/h時，采用三軸剛性車，誤差高達3%。

圖6 不同型式動態(tài)汽車衡采用單一動態(tài)校準方法后的車輛總重量（調整后）誤差

造成誤差偏大的原因是由于汽車衡的輸出受車輛的重量、車速以及軸型等因素綜合影響，汽車衡輸出為多變量函數。 即使僅考慮重量和車速兩個重要因素時，當傳感器線性不好時，汽車衡輸出為一復雜的曲面。 而采用3 個重量值在3 種車速下，擬合得到的曲面無法全面準確反映汽車衡的真實特性。 而且這3 個標準重量值還受軸型、路況等因素影響，存在一定不確定性。 因此，當車重或車速發(fā)生變化后，由插值得到的結果與被檢車輛的實際重量存在較大偏差。

3.2 靜動態(tài)組合式校準結果

單一動態(tài)校準方法校準后，采用衡器載荷測量儀對各動態(tài)汽車衡進行靜態(tài)校準。 當測量儀的標準載荷分別集中地施加在圖1 所示的各偏載位置后，驗證了軸組式和軸重式動態(tài)存在較大的偏載誤差。由圖7 可知，在系數調整前，軸組式汽車衡的偏載誤差達到125 kg，而軸重式最大和最小偏載誤差相差竟高達435 kg。 以此偏載誤差檢測結果為依據，重新調整傳感器安裝狀態(tài)并調整各傳感器系數后，各汽車衡的偏載誤差基本控制在±10 kg 以內，達到了表1 規(guī)定的偏載最大允許誤差要求。

圖7 不同型式動態(tài)汽車衡采用衡器載荷測量儀進行偏載校準后的偏載誤差

采用標準載荷單元組對汽車衡稱量性能進行校準和靜態(tài)系數調整，然后重新進行稱量性能檢測3 遍，并由此得到重復性，結果見圖8。 從圖8 可知，經過靜態(tài)標定，各汽車衡在全量程范圍內的誤差基本控制在±20 kg 范圍內，且其重復性良好，3 遍稱量結果偏差不超過20 kg。

圖8 不同型式動態(tài)汽車衡采用衡器載荷測量儀進行靜態(tài)校準后的稱量性能和重復性

靜態(tài)校準后， 再采用該3 種車型在5、10 和15 km/h 3 種速度下， 對各動態(tài)汽車衡進行動態(tài)校準，進行一定的動態(tài)速度系數修正。 然后再采用參考車輛在秤臺左、中、右分別進行偏載測試。 由圖9可知，無論采用何種車型，左中右檢測的結果相差很小。 由此證明，經過靜態(tài)角差調整，汽車衡的抗偏載性能得到大幅改善。 由圖10 可知，經過該方法校準后，檢測得到的車輛總重量的誤差較圖5 明顯減小，不同重量連接起來的誤差曲線也更加平滑。

圖9 不同型式動態(tài)汽車衡采用靜動態(tài)組合式校準方法校準后的車輛總重量誤差

圖10 不同型式動態(tài)汽車衡采用靜動態(tài)組合式校準方法校準后的車輛總重量誤差的平均值

為進一步驗證校準后汽車衡在全量程范圍內的準確性， 同樣調整了參考車輛的重量， 再以7、12 km/h 的車速進行驗證，結果見圖11。 從圖11 可知，對于整車式和軸組式兩種汽車衡，即使重量和車速改變了，但其誤差仍然基本仍保持在1%以內，而軸重式汽車衡的誤差也小于1.5%。

圖11 不同型式動態(tài)汽車衡采用靜動態(tài)組合式校準方法校準后的車輛總重量誤差

對于采用衡器載荷測量儀進行靜態(tài)校準，其施加在汽車衡秤臺的標準載荷為靜態(tài)，其準確度比動態(tài)標定時載荷受速度、 軸型等因素影響明顯提高。且該靜態(tài)校準為全量程范圍內的多點校準，能全面檢測出傳感器和汽車衡的非線性并進行準確的擬合與修正。 建立在靜態(tài)準確校準基礎上的動態(tài)校準，僅需要對車速和軸型進行進一步修正，從而保證汽車衡在后續(xù)動態(tài)稱量過程中在全量程范圍內的準確性。

4 結論

本研究提出了靜動態(tài)組合式動態(tài)汽車衡校準方法，并對整車式、軸組式和軸重式3 種動態(tài)汽車衡進行校準，同時與傳統單一動態(tài)校準方法進行試驗對比，得出結論如下：（1）單一采用動態(tài)校準方法進行動態(tài)汽車衡校準，無法保證汽車衡在全量程范圍內的稱量結果準確性；建立在靜態(tài)全量程校準基礎上的動態(tài)校準，能保證汽車衡在全量程范圍內不同車速下的稱量精度；（2）衡器載荷測量儀能實現對汽車衡秤臺的局部集中加載，能有效減小汽車衡的偏載誤差，提高汽車衡抗偏載能力，從而保證被檢車輛無論從靠近秤臺任何區(qū)域通過，均能得到較一致的稱量結果。