便攜式車輛軸載譜動態(tài)采集系統(tǒng)研究

安 平，楊秋菊，劉卓雨，丁海洋，韓文揚(yáng)

（1.日照公路建設(shè)有限公司，山東 日照 276800；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

通過在公路上安裝動態(tài)稱重系統(tǒng)準(zhǔn)確獲取車輛荷載對公路設(shè)計(jì)、施工及管理部門都有重要的指導(dǎo)作用[1]。已有的動態(tài)稱重系統(tǒng)多需要在路面上開鑿溝槽[2-3]，在溝槽內(nèi)布置傳感器，這種安裝方式存在傳感器安裝不便的問題，使用過程中如果傳感器損壞，更換過程極為繁瑣，不易實(shí)現(xiàn)。

1 傳感器安裝方式對比研究

1.1 壓電膜傳感器特性

壓電膜是一種新型的高分子聚合物傳感材料，具有良好的彈性和較寬的頻率范圍，適合在急劇變化的環(huán)境中工作。動態(tài)稱重系統(tǒng)中使用的壓電膜傳感器為條狀傳感器，車輛輪胎壓過傳感器時，產(chǎn)生一個與輪胎壓力成正比的電荷信號，且輸出信號周期與輪胎停留在傳感器上的時間相同，具有很好的動態(tài)響應(yīng)性[4]。

1.2 傳感器安裝方式測試方法

傳感器的安裝方式對信號的產(chǎn)生有著重要的影響，傳統(tǒng)安裝方式大多采用在道路上切槽，將傳感器埋在路面以下合適的位置，然后用灌封材料填充。便攜式安裝則采用在道路表面貼的方式，這種安裝方式簡單易操作，對路面損傷小，拆卸方便。在不同的安裝方式下采用數(shù)據(jù)采集卡對車輛通過傳感器的稱重信號實(shí)時采集。

1.3 傳感器安裝方式對比分析

便攜式安裝在道路表面方式：（1）直接將傳感器用膠帶粘貼在路面上；（2）先將傳感器粘貼在鐵板上，然后將鐵板釘在路面上，壓電膜傳感器與車輛行駛方向垂直鋪設(shè)。

測試系統(tǒng)安裝完成之后，用兩軸車進(jìn)行測試，車速保持在40 km/h，勻速通過兩個傳感器。圖1為兩種安裝方式下采集的信號。方式一信號幅值小，安裝方式對傳感器變形量有一定的衰減作用，導(dǎo)致信號幅值降低；方式二在車輪接觸傳感器時有短暫的高頻干擾，對比方式一，信號的幅值比較高。方式二雖然有較大的高頻干擾信號存在，但信號較為明顯，更適合信號采集與處理。

圖1 傳感器兩種安裝方式對比

方式二雖然信號明顯，但也存在高頻干擾。車輛壓過時引起鐵板振動并傳遞至傳感器，進(jìn)而對輸出信號產(chǎn)生影響。為了減少干擾，系統(tǒng)在方式二的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了另外安裝方式：方式三，在鐵板下打膠；方式四，在鐵板底部加膠布；方式五，在鐵板底部加膠布并打膠。采用方式二至方式五，在車輛行駛方向垂直隔開距離鋪設(shè)，采用同樣的兩軸車進(jìn)行試驗(yàn)測試，并采集稱重信號，見圖2。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，方式三能有效減少鐵板振動，車輪接觸鐵板時沒有明顯的高頻振動，輸出信號比方式二要平滑。方式五信號也同樣沒有高頻干擾信號，但產(chǎn)生的稱重信號中有稍微的波動。方式四在信號產(chǎn)生之前也出現(xiàn)高頻干擾，信號同樣存在起伏波動，影響稱重精度。綜合五種安裝方式，方式三的稱重信號幅度較大且平滑沒有起伏波動。

圖2 四種安裝方式稱重信號對比

2 車輛軸載譜動態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

壓電膜傳感器輸出電荷信號，首先通過電荷放大電路對信號進(jìn)行放大，將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過信號濾波電路對信號進(jìn)行濾波處理，提高信噪比。將經(jīng)過放大及濾波處理后的信號進(jìn)行分析處理得到車速、車軸數(shù)量、每個車軸的軸重?cái)?shù)據(jù)、軸距及車型分類等信息。

2.2 軸重計(jì)算方法

同一車軸不同車速下，經(jīng)過傳感器時采集的稱重信號見圖3，車輛行駛速度越快，單個車軸產(chǎn)生的信號周期就越短，而峰值越大。因此計(jì)算經(jīng)過車輛的軸重時，需要計(jì)算動態(tài)載荷產(chǎn)生信號的積分值和車輛行駛車速。車速可以通過傳感器安裝間距L（m）和車輛的同一車軸經(jīng)過兩個傳感器的時間T（s）計(jì)算，即：V=L/T。當(dāng)車軸分別經(jīng)過兩個壓電膜傳感器時，會在不同時間段產(chǎn)生兩個相同的脈沖信號，兩個脈沖信號出現(xiàn)時間間隔即為時間T。為了探究信號積分值和車速與軸重之間的關(guān)系，采用安裝方式三對兩路壓電膜傳感器進(jìn)行測試，將采集到的模擬量信號進(jìn)行積分計(jì)算，用積分值與車速的乘積表征車輛的軸重?cái)?shù)據(jù)。

圖3 不同車速下的稱重信號對比

選用4輛不同軸重的兩軸車輛進(jìn)行測試，車速在20～40 km/h范圍內(nèi)，通過計(jì)算得到車輛實(shí)際車速，試驗(yàn)選用4輛車的前后軸實(shí)施加載,一側(cè)輪胎重量分別為848 kg和1 075 kg、612 kg和430 kg、635 kg和385 kg、403 kg和272 kg。圖4是積分值與車速的乘積和軸重之間的關(guān)系曲線，可知，積分值與車速的乘積和軸重之間近似線性關(guān)系，擬合出直線方程為y=53.6+x/12 249。

測量軸重與實(shí)際軸重之間的誤差分布見圖5，測量軸重按照關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算?？梢钥闯觯`差主要集中在-10%～0之間，系統(tǒng)測量誤差整體呈現(xiàn)隨軸重增加整體呈偏小趨勢,測量結(jié)果誤差均能控制在±15%之內(nèi)。由于部分試驗(yàn)車輛軸重較小，測量誤差相對較大且分布范圍較廣。本系統(tǒng)主要關(guān)注貨車的軸重?cái)?shù)據(jù)，此類車輛的軸重較大，采用積分值與車速的乘積計(jì)算車輛軸重將具有更好的使用效果。

圖4 積分值與車速乘積和軸重關(guān)系

圖5 測量軸重與實(shí)際軸重的誤差分布

積分值與車速相乘計(jì)算方法具有較小的測量誤差，信號積分值與車速乘積和軸重之間有著良好線性關(guān)系，因此信號積分值和車速與調(diào)整系數(shù)三者的乘積作為軸重測量值，通過標(biāo)定調(diào)整系數(shù)提高測量精度。

式中：W—軸重，t;C—調(diào)整系數(shù)，v—車輛行駛車速，km/h，A—稱重信號的積分值，t。

3 現(xiàn)場道路分析測試

測試選用車輛為3軸車，分別在空車、半載和滿載三種情況下測試車輛各車軸的軸重?cái)?shù)據(jù)，見表1。車輛在三種情況下以45 km/h和55 km/h的速度經(jīng)過傳感器，測試系統(tǒng)共測試18組軸重?cái)?shù)據(jù)。圖6為測量軸重與實(shí)際軸重的誤差曲線，可見，測試的18組軸重?cái)?shù)據(jù)誤差范圍均在±15%，測試結(jié)果符合國際標(biāo)準(zhǔn)[5]，能夠滿足動態(tài)稱重的精度要求。

表1 不同載重下單軸標(biāo)定軸重

圖6 不同車速下軸重測量誤差曲線

4 結(jié)語

基于壓電膜傳感器提出了一種便攜式車輛軸載譜動態(tài)采集方案，對傳感器快速安裝方式進(jìn)行了研究，提出了多種方式，通過安裝測試及采集信號分析對比，確定了在鐵板下打膠更能有效獲得稱重信號，提出了積分值乘以車速的軸重計(jì)算方法。通過實(shí)際道路現(xiàn)場安裝測試，得到了測量軸重與實(shí)際軸重的誤差在合理的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了計(jì)算方法的有效性，能夠滿足實(shí)際道路測量的要求。