集成化應(yīng)變稱重系統(tǒng)研究與應(yīng)用

路新一

(太原理工大學(xué)物理學(xué)院,山西長(zhǎng)治 046000)

集成化應(yīng)變稱重系統(tǒng)研究與應(yīng)用

路新一

(太原理工大學(xué)物理學(xué)院,山西長(zhǎng)治 046000)

根據(jù)震動(dòng)的瞬時(shí)非線性特點(diǎn),提出采用振動(dòng)信號(hào)的本征模函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行特征頻帶識(shí)別。根據(jù)壓力彈性傳感器分布,確定應(yīng)變片的的分布區(qū)和具體位置,組成差動(dòng)全橋電路,提高了偏載精度。對(duì)提取后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算后能得到準(zhǔn)確的軸重值。

動(dòng)態(tài)稱重 信號(hào)處理 集成化稱重板 頻率響應(yīng)

因貨運(yùn)卡車超載而導(dǎo)致公路路面嚴(yán)重?fù)p壞的報(bào)道經(jīng)常見諸報(bào)端,在國(guó)內(nèi)存在礦產(chǎn)資源的地方在某些國(guó)道主干線以及主要承載大宗貨物運(yùn)輸?shù)墓飞?車輛超載運(yùn)輸對(duì)路橋基礎(chǔ)、交通安全設(shè)施造成了極大的危害。50%的特大交通事故與超載有直接關(guān)系,70%的道路安全事故是由于車輛超載引發(fā)的。針對(duì)日益嚴(yán)重的公路車輛超載狀況,交通部2000年以2號(hào)令形式頒布了《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》,對(duì)超載現(xiàn)象進(jìn)行治理。

目前獲取車輛重量信號(hào)的常用動(dòng)態(tài)稱重傳感器主要有:壓電薄膜式、電容式和彎曲盤式。本項(xiàng)目旨在研制一種通過車輪將重量傳遞給稱重裝置,高精度動(dòng)態(tài)稱重?？芍糜谌我饴访?操作簡(jiǎn)單、便于稽查、隨時(shí)測(cè)量。集成化應(yīng)變稱重系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的核心部分,其中動(dòng)態(tài)響應(yīng)、偏載精度特性直接決定整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的工作性能與測(cè)量精度。

該集成化動(dòng)態(tài)稱重儀的設(shè)計(jì)要求有:(1)輪胎作用在稱重儀上時(shí),應(yīng)變片測(cè)量區(qū)的所有應(yīng)變總和誤差控制在允許的1%內(nèi)。(2)能通過測(cè)量分析動(dòng)態(tài)車輪作用力,估算出車輛的車速、質(zhì)量等。(3)有一定的超載冗余度。

1 集成化動(dòng)態(tài)稱重儀設(shè)計(jì)

圖1

圖2

集成化稱重儀的工作原理,是通過傳感器彈性變形將載荷檢測(cè)出來,再通過數(shù)據(jù)采集卡采集信號(hào),將采集后的信號(hào)送至處理器TMS320處理,最后顯示車輛的靜態(tài)載荷。該稱重系統(tǒng)采取雙通道數(shù)據(jù)采集。稱重板傳感器也是彈性元件,對(duì)傳感器應(yīng)變產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行采集,材料的選擇對(duì)測(cè)量精度有著重要的影響,同時(shí)要對(duì)稱重儀的高度作要求,以減少高度引起的靜態(tài)質(zhì)量誤差。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖1所示。其中核心處理器TMS320,采用新的C54X+CPU,擁有40位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元,其17*17位并行乘法器與40位專用加法器相連,非常適合數(shù)據(jù)吞吐量大的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。芯片上集成有一個(gè)12位ADS,具有16通道復(fù)用輸入接口,最快轉(zhuǎn)換周期位60ns。其串口支持16級(jí)接受和發(fā)送FIF0,有一個(gè)16位波特率選擇寄存器,靈活性極大。AD/DA轉(zhuǎn)換選擇轉(zhuǎn)換速度快、精度高的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7714。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

表1

電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個(gè)原理:彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性形變,使黏貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨之產(chǎn)生形變,電阻應(yīng)變片形變后,它的阻值將發(fā)生變化,再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào),從而完成將外力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的過程。

實(shí)際集成化成中班的幾何模型如圖2所示,在底板的開槽處黏貼應(yīng)變片并且通過合理的組橋就可以形成集成化動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。

在稱重板的開槽區(qū)域采用集中貼片,兩應(yīng)變片串聯(lián)作為差動(dòng)全橋的1個(gè)橋臂,4個(gè)橋臂組成差動(dòng)全橋電路,如圖3。

此方案可明顯提高貼片的準(zhǔn)確率,并能有效降低偏載影響程度。采用這種組橋方式可提高集成化稱重板的線性應(yīng)變,不必保證受拉應(yīng)變與受壓應(yīng)變變化相同,靈敏度比單臂變化量提高4倍,且消除了溫度效應(yīng)。在設(shè)計(jì)中為了使負(fù)荷得到平衡和很好的緩沖,在集成化稱重板剛性支承處裝有彈性緩沖裝置,彈性支撐點(diǎn)分別與相應(yīng)的應(yīng)變區(qū)組成相應(yīng)的獨(dú)立電橋,這樣可以起到補(bǔ)償電路的作用,從而進(jìn)一步降低偏載的影響程度。

2 信號(hào)處理

EMD是1998年提出的基于經(jīng)驗(yàn)的模態(tài)分解方法。該方法認(rèn)為,任何信號(hào)都是由不同的固有模式函數(shù)IMF的合成,因此可以將信號(hào)中的各階IMF分解出來。把復(fù)雜信號(hào)函數(shù)分解為有限的內(nèi)稟模態(tài)函數(shù)之和,每一階IMF是隨信號(hào)本身變化而變化的,而殘余量反映了信號(hào)的偏移量或穩(wěn)態(tài)值。

每一階段的IFM有如下方法篩選到:

(1)對(duì)于要分解的信號(hào)y(t),找出y(t)上所有的極值點(diǎn),用線條將所有的局部極值連接起來形成包絡(luò)曲線,確保所有的點(diǎn)在上下包絡(luò)曲線之間。定義上下包絡(luò)曲線的均值為x(t)。y(t)與 x(t)的差定義為z(t)。如果h(t)滿足以下兩個(gè)條件:①在任一點(diǎn)處上下包絡(luò)曲線的的均值為零;②極值點(diǎn)的個(gè)數(shù)與穿越零點(diǎn)的次數(shù)相等。如果結(jié)果不滿足上述條件,則重新進(jìn)行篩選,直到選出符合條件的z(t)。

(2)假定得到滿足要求的z(t),設(shè)定第一階段的IMF分量為g(t)。然后將y(t)與g(t)的差h(t)作為新的信號(hào)重新作上述處理,得到第二階段的IMF分量。

根據(jù)這個(gè)思路將EMD用于軸重信號(hào)處理,濾除信號(hào)中的動(dòng)態(tài)部分,而求出與真實(shí)軸重信號(hào)吻合的穩(wěn)態(tài)部分。

根據(jù)EMD方法原理,首先要確定采樣信號(hào)中軸重信號(hào)的范圍,原始采樣信號(hào)范圍如圖4所示。信號(hào)從零上升到第一個(gè)極大值點(diǎn)到最后一個(gè)極大值點(diǎn)回到到零點(diǎn)反映了載荷從接觸稱重儀到進(jìn)入稱重儀,最后脫離稱重儀的過程。由于篩選采樣過程中的有效信號(hào)為載荷有效通過動(dòng)態(tài)稱重儀時(shí)觸發(fā)的信號(hào),故對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行截取,得到有要的處理信號(hào),如圖5所示。

采用EMD方法對(duì)被處理信號(hào)進(jìn)行分解,有MATLAB中編寫M函數(shù),如圖6所示。以車速為4.95km/h為例進(jìn)行EMD分解。待過程平穩(wěn)提取剩余分量h(t),如圖7所示。

5組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),每組32萬(wàn)采樣點(diǎn)數(shù),均以上述信號(hào)為例,分析結(jié)果如表1所示,表中顯示在車速5～8km/h范圍內(nèi),誤差為3%。

3 結(jié)語(yǔ)

本課題開發(fā)了用于公路車輛超載檢測(cè)的智能集成化車輛行駛稱重儀,本稱重儀是由稱重傳感器、支撐、稱臺(tái)三部分組成的集成化稱重系統(tǒng),本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理部分是由穩(wěn)壓系統(tǒng)、集成化稱重板、A/D采集系統(tǒng)、放大系統(tǒng)組成。每輛車可實(shí)時(shí)采集包括單軸重、軸數(shù)、軸間距、總軸距、車長(zhǎng)、車速等主要交通數(shù)據(jù),是目前測(cè)量精度較高的系統(tǒng)之一。

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[3]林培群,徐建國(guó).多分支BP網(wǎng)絡(luò)模型及其在車輛分類中的應(yīng)用[J].微機(jī)算機(jī)信息,2005{21}:183-185.