周正飛，魯雄文，譚永營(yíng)

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

基于壓電石英傳感器的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周正飛1，魯雄文1，譚永營(yíng)2

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072）

國內(nèi)公路運(yùn)輸?shù)某噩F(xiàn)象十分嚴(yán)重，車輛的超載運(yùn)輸對(duì)交通安全，運(yùn)輸市場(chǎng)，路橋基礎(chǔ)設(shè)施等造成極大危害；車輛動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)作為一種有效的車輛超載管理手段，取得了較好的效果。本文設(shè)計(jì)了一種基于壓電石英稱重傳感器的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，通過傳感器采集信號(hào)，巴特沃斯濾波器低通濾波，確定激振頻率和截止頻率，測(cè)量車輛軸數(shù)，通過計(jì)算得出軸重，進(jìn)而得到整車重量。試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有測(cè)量精度高、耗時(shí)短、效率高等優(yōu)點(diǎn)；有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

動(dòng)態(tài)稱重；數(shù)據(jù)采集；信號(hào)處理；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-66-03

引言

隨著我國交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，貨運(yùn)部門為提高運(yùn)輸效率和經(jīng)濟(jì)效益，改裝貨車車身，后橋和輪胎大幅度提高裝載能力[1]。這不僅誘發(fā)了大量的安全事故，嚴(yán)重破壞了路橋基礎(chǔ)設(shè)施，并產(chǎn)生了更加嚴(yán)重的噪聲，振動(dòng)，空氣污染等環(huán)境問題。傳統(tǒng)的靜態(tài)稱重系統(tǒng)已不能滿足高速公路行駛車輛的稱重；因此，速度快、準(zhǔn)確度高、成本低的車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)對(duì)公路交通部門加強(qiáng)公路運(yùn)輸?shù)墓芾?，?shí)施超限處理，保障行車安全，降低公路的養(yǎng)護(hù)成本等方面有著顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1、壓電石英傳感器動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的基本組成和工作流程

本系統(tǒng)采用的是軸計(jì)重的動(dòng)態(tài)稱重方式；即分別測(cè)出車輛各軸的軸重，再由稱重系統(tǒng)計(jì)算出整車的重量。系統(tǒng)主要由稱重傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)（包括數(shù)據(jù)中心處理器、信號(hào)處理器）、輪軸識(shí)別器、紅外光柵車輛分離器、地感線圈、車輛檢測(cè)器等組成[2]。當(dāng)車輛經(jīng)過秤臺(tái)時(shí)，傳感器信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)處理中心，對(duì)車輛重量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出每個(gè)軸的重量和總重，當(dāng)車輛駛出稱重區(qū)時(shí)，地感線圈與紅外光柵按順序發(fā)出信號(hào)，表示一輛車稱重工作結(jié)束。信號(hào)處理器根據(jù)輪軸識(shí)別傳感器的信號(hào)判斷出每軸的輪胎數(shù)、軸型及車型，從而得到軸型及規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，與實(shí)測(cè)值比較得到超限結(jié)果。地感線圈信號(hào)為車輛稱量的收尾信號(hào)，保證車輛連續(xù)進(jìn)入稱重區(qū)時(shí)，準(zhǔn)確的區(qū)分每輛車的檢測(cè)數(shù)據(jù)。地感線圈與紅外光柵完成正常行駛與倒車的檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并對(duì)車輛以外的物體和人通過時(shí)進(jìn)行判斷，避免出錯(cuò)。當(dāng)紅外車輛分離器與地感車輛檢測(cè)器有一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍能正常工作。其工作流程如圖1所示：

1.2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

汽車是一個(gè)多自由度的復(fù)雜動(dòng)力系統(tǒng)，由于路面的不平度、車輛自身、輪胎的彈性，發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)以及駕駛員操作的不穩(wěn)定等都會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。因此，在稱量的過程中，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅骱驮O(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以有效提高動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的精度。

在數(shù)據(jù)采集過程中，采樣周期△T或采樣頻率f的正確選擇直接影響系統(tǒng)的性能和成本；本系統(tǒng)中采樣頻率f的計(jì)算公式為[3]：

式中：v—車輛行駛速度，km/ h；

t—輪胎與傳感器的接觸時(shí)間，s；

m—最低采樣點(diǎn)數(shù)，個(gè)；

L—輪胎印跡的長(zhǎng)度，m；

f—采樣頻率，Hz。

如圖2為本系統(tǒng)的測(cè)量鏈；其中石英傳感器的長(zhǎng)度在0.75m到1m之間，一般4個(gè)傳感器組合在一起覆蓋一個(gè)車道，兩個(gè)傳感器并聯(lián)在一起作為一個(gè)通道，位于電荷放大器之前。此連接可以實(shí)現(xiàn)對(duì)左右輪單獨(dú)的測(cè)量；當(dāng)是雙胎時(shí)，石英傳感器的輸出信號(hào)是兩個(gè)輪胎載荷的和。處理系統(tǒng)為電子控制箱，控制地感線圈，稱重傳感器等；實(shí)現(xiàn)傳感器，地感線圈，輪胎識(shí)別器數(shù)據(jù)的采集和處理。

2、壓電石英傳感器動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中數(shù)據(jù)誤差消除的關(guān)鍵，車輛通過稱重傳感器的過程中不僅有真實(shí)車重還有許多干擾信號(hào)。因此，找出真實(shí)的汽車重量信號(hào)，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)處理算法才能對(duì)稱重系統(tǒng)進(jìn)行處理。由壓電石英傳感器特性可知，傳感器采集到的信號(hào)峰值不能作為軸重?cái)?shù)據(jù)，傳感器只能被輪胎部分覆蓋；車輛的軸重與采集到的信號(hào)的面積關(guān)系為：

（1）確定閾值在點(diǎn)t1、t2（t1、t2為開始記錄前軸波形的時(shí)間）進(jìn)行觸發(fā)，閾值一般為波峰值的0.5%-1%。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)由于測(cè)出的波峰值是不準(zhǔn)確的，所以需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行確定。

（2）計(jì)算傳感器輸出曲線以下部分從開始點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)的面積。

（3）校準(zhǔn)常數(shù)C由已知重量的汽車測(cè)試得到。并且在隨后汽車重量的估計(jì)中作為一個(gè)常數(shù)使用。

（4）對(duì)于溫度的影響，速度的影響或者老化的問題不需要補(bǔ)償?shù)乃惴ǎㄒ驗(yàn)閷?duì)于線狀傳感器除了速度以外的其他影響因素在計(jì)算W的過程中都是不需要的）[4]。

數(shù)據(jù)處理算法設(shè)計(jì)的流程框圖如圖3所示；針對(duì)壓電石英稱重傳感器采集信號(hào)的特點(diǎn)，需要首先選出采集信號(hào)的上半周，用巴特沃思低通濾波器濾掉高頻干擾信號(hào)，再對(duì)前后軸的信號(hào)波形進(jìn)行積分，得到前后軸的重量，最終得到整車的質(zhì)量[5]。其中截止頻率是由試驗(yàn)路面的等級(jí)，路面的不平度，以及汽車的行駛速度確定出的激振頻率f；

由公式（3）可以得出巴特沃斯低通濾波器的截止頻率f0滿足f0>2×f。

2.2 試驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)采用奇石樂公司生產(chǎn)的石英動(dòng)態(tài)稱重傳感器，傳感器的寬度記為L(zhǎng)s。兩排石英傳感器與行駛方向垂直，采用2×2m的地感線圈，石英傳感器與地感線圈的距離取為0.3m；同一車道傳感器之間的距離為4m，為保證測(cè)出速度誤差盡量小，傳感器平行度小于4mm。合理設(shè)置各個(gè)儀器的參數(shù)，試驗(yàn)車輛以10km/h、20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h的速度通過稱重系統(tǒng)，石英傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過電荷放大器，A/D轉(zhuǎn)換器存入計(jì)算機(jī)。記錄試驗(yàn)場(chǎng)路面的類型，結(jié)合車速確定出激振頻率，試驗(yàn)做完后，斷開測(cè)量電路，把儀器設(shè)備放歸原處，試驗(yàn)車輛開回原來的停放地。如出現(xiàn)故障及時(shí)維修。

2.3 系統(tǒng)顯示界面的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MATLAB中的圖形用戶界面（GUI）實(shí)現(xiàn)顯示界面的設(shè)計(jì)，其具有操作簡(jiǎn)便，可視性好，對(duì)界面的操作可通過觸摸式按鈕實(shí)現(xiàn)；具有較強(qiáng)的人機(jī)交互功能。

由上述試驗(yàn)過程測(cè)得的數(shù)據(jù)，如圖4顯示的是試驗(yàn)車輛以20km/h的速度通過稱重臺(tái)的試驗(yàn)結(jié)果；界面包括原始信號(hào)，輸入信號(hào)，濾波，找出z與閾值1的交點(diǎn)，找出z與閾值2的交點(diǎn)，執(zhí)行結(jié)果顯示共六個(gè)按鈕。由于輸入信號(hào)中包含了眾多的干擾信號(hào)，需要用巴特沃斯低通濾波器進(jìn)行濾波，得到“濾波后”的信號(hào)波形。濾波后的信號(hào)波形與輸入信號(hào)相比，幅值會(huì)有所下降。利用MATLAB程序找出信號(hào)波形前后軸的波峰值，分別乘以0.5%得到前軸對(duì)應(yīng)的閾值1和后軸對(duì)應(yīng)的閾值2[6]。又因?yàn)檎业健盀V波后”的波形z與閾值的交點(diǎn)后直接用MATLAB畫出的圖像不能很好的顯示出兩者的交點(diǎn)，將圖像放大，直至能明顯的顯示出兩者的交點(diǎn)。這樣，就得到了z與兩個(gè)閾值的交點(diǎn)圖（“z與閾值1的交點(diǎn)”、“z與閾值2的交點(diǎn)”）。

3、結(jié)論

基于壓電石英傳感器的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)通過傳感器采集稱重信號(hào)，巴特沃斯低通濾波器濾波，得到車輛的截止頻率，采用軸計(jì)重的方式得到整車的質(zhì)量。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)，電子控制器和顯示操作界面；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于解決車輛超載，對(duì)公路建設(shè)與管理有著重要的意義。本系統(tǒng)通過試驗(yàn)驗(yàn)證具有稱重精度高，測(cè)量速度快，時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

[1]凌杰.公路動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論研究[D].陜西:長(zhǎng)安大學(xué)博士學(xué)位論文,2001.

[2]商長(zhǎng)富.汽車動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的算法研究[D].吉林：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[3]王玲.車輛動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理的研究[D].遼寧：東北大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.

[4]李蓮，翟麗霞.動(dòng)態(tài)軌道衡稱量系統(tǒng)誤差分析及數(shù)據(jù)處理的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，32（12）：271-272.

[5]C.Helg and L.Pfohl, Signal processing requirements for WIM LINEAS TYPE 9195.Kistler Instrument AG,2000.

[6]劉九卿.壓電石英傳感器及其在動(dòng)態(tài)公路車輛稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用[C].稱重科技暨第六屆稱重技術(shù)研討會(huì)論文集，2007.

Design of Dynamic Weighing System Based on Piezoelectric Quartz Sensor

Zhou Zhengfei1, Lu Xiongwen1, Tan Yongying2
（1.Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064；2.Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072）

Overweight phenomenon of domestic road transport is very serious, overloaded transport vehicles for traffic safety and transportation markets, roads, bridges and other infrastructure, causing great harm; vehicle dynamic weighing technology as an effective management tool overloaded vehicles, and achieved good results . This paper presents a weighing sensor based on piezoelectric quartz dynamic weighing system, through the sensor collecting signals, Butterworth filter low-pass filter to determine the excitation frequency and the cut-off frequency, measuring vehicle axes calculated by the axis weight, and then get the vehicle weight. The experimental results show that the system has high accuracy, short time-consuming and high efficiency; there are certain practical value.

Dynamic weighing；Data acquisition；Signal processing；Hardware design；Software design

U463.6

A

1671-7988(2015)04-66-03

周正飛，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，研究方向車輛NVH技術(shù)。