董永燦，蘭軍豪，秦飛龍，葛昌文，范文峰

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

近年來，隨著我國公路事業(yè)的快速發(fā)展，公路總里程迅猛增長，交通數(shù)量也呈現(xiàn)快速增長的趨勢，但隨之而來的超載超限現(xiàn)象也越來越嚴(yán)重。超載車輛不僅會(huì)對現(xiàn)行路面以及橋梁帶來嚴(yán)重的破壞，也會(huì)給行車安全帶來巨大隱患。目前我國使用的稱重方式多屬于靜態(tài)稱重，由于采用靜態(tài)稱重方式需要進(jìn)行整車稱重，因此所需的稱重規(guī)模很大，造價(jià)較高，而且靜態(tài)稱重時(shí)，要求過車速度較低，稱重效率低，往往會(huì)造成重要路段的交通堵塞[1]。本文提出的基于PVDF壓電薄膜的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，可以快速得到車重測量結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)在不影響交通的情況下，大幅提高車輛稱重的效率，保證道路交通的通行，可為整治車輛超載提供技術(shù)支撐。同時(shí)，該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、體積小、施工安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)低，不會(huì)對道路結(jié)構(gòu)造成損壞，因此，本系統(tǒng)的研發(fā)具有巨大的發(fā)展前景。

1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 PVDF壓電薄膜傳感器

PVDF（聚偏二氟乙烯）是一種半結(jié)晶性聚合物，由重復(fù)單元為-（CH2-CF2）-的長鏈分子構(gòu)成。PVDF壓電薄膜具有相當(dāng)寬的頻率范圍（10.5Hz～500MHz），動(dòng)態(tài)特性良好，響應(yīng)靈敏，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，能適應(yīng)環(huán)境的各種作用，且為柔軟的薄膜，易加工和安裝，適于作為形狀復(fù)雜或大面積的傳感器，這是PVDF壓電薄膜區(qū)別于壓電陶瓷等壓電材料最顯著的優(yōu)點(diǎn)[2]。PVDF薄膜在經(jīng)過拉伸極化后，在承受一定的壓力或形變時(shí)，它的極化面就可產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)[3]。

PVDF壓電薄膜作為壓電傳感器，當(dāng)有車輛荷載作用時(shí)，車輪壓力使薄膜發(fā)生變形，上下表面會(huì)出現(xiàn)極化現(xiàn)象，而在極化面會(huì)產(chǎn)生電荷，由已有研究可知，極化產(chǎn)生的電荷量Q與作用于傳感器的壓力F的關(guān)系滿足[4]：

式中，d—壓電常數(shù)。

由（1）式可知，壓電傳感器產(chǎn)生的電荷大小與所受的壓力成正比，這就是用PVDF壓電薄膜作為稱重傳感器的理論基礎(chǔ)。

1.2 電荷放大器

PVDF壓電薄膜的輸出信號為電荷信號，產(chǎn)生的電荷量有限，同時(shí)在電路傳輸過程中因電路損耗電荷會(huì)慢慢漏掉，因此，需要經(jīng)過電荷放大器的處理，將輸出的電荷信號轉(zhuǎn)化為更易于被測量的較大的電壓信號。電荷放大器的等效電路圖如圖1所示，C為放大電路的輸入電容，Cf為放大電路的反饋電容，Rf為放大電路的反饋電阻，Q為PVDF壓電薄膜傳感器輸出的電荷量，uout為電荷放大器輸出的電壓值[5]。

圖 1 電荷放大器等效電路圖

由圖3可知，反饋電容Cf并聯(lián)入電路，改變了輸入阻抗。根據(jù)密勒定理，可將反饋電容Cf折合到輸入端，取K為放大倍數(shù)，等效電容為C'f=（1+K）Cf，與Cimp并聯(lián)，在不考慮正負(fù)的情況下有：

一般情況下，放大倍數(shù)K=104～108，所以有（1+K）Cf≥Cimp[5]，則（2）式即可寫為：

由（3）式可知，電荷放大器的輸出電壓與作用的壓力F成正比，可以實(shí)現(xiàn)將電荷信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，并起到信號放大的作用。

1.3 超聲波傳感器

為避免數(shù)據(jù)采集器在沒有車輛駛過的穩(wěn)定時(shí)段進(jìn)行不必要的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量，需要為數(shù)據(jù)采集器提供一個(gè)數(shù)據(jù)采集的控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的啟?？刂?。本設(shè)計(jì)采用的超聲波傳感器HC-SR04測距模塊，可以接入Arduino UNO主控板控制，通過超聲波測距來判斷車輛的駛?cè)牒婉傠x，當(dāng)測距小于設(shè)定值時(shí)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)測距大于設(shè)定值時(shí)停止數(shù)據(jù)采集，從而實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)采集啟停的目的。

1.4 數(shù)據(jù)采集器

本系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)組件作為數(shù)據(jù)采集和處理器，包含硬件(Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。采用Arduino UNO主控板連接電路，接收經(jīng)電荷放大器處理過的電壓信號，在計(jì)算機(jī)端安裝好Arduino IDE軟件開發(fā)環(huán)境，寫入電壓信號采集及超聲波傳感器測距和控制程序，通過Arduino IDE軟件上傳程序到Arduino開發(fā)板中執(zhí)行。本系統(tǒng)中采用的Arduino數(shù)據(jù)采集器組件，能夠?qū)㈦姾煞糯笃鬓D(zhuǎn)換得到的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號并顯示，便于通過Matlab等程序進(jìn)行數(shù)學(xué)建模處理，配合超聲波傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制。本文采集頻率為1000Hz，能保證足夠的測量精度。

2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)稱重的實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示，PVDF壓電薄膜垂直于路沿布置，在路邊沿同時(shí)布設(shè)超聲波測距傳感器，該種實(shí)驗(yàn)布設(shè)可以測得動(dòng)態(tài)稱重所需的各參數(shù)。

當(dāng)兩軸的小車模型以勻速通過圖2所示布設(shè)的PVDF傳感器時(shí)，可以得到一系列數(shù)字信號，以矩陣的形式儲(chǔ)存，并用Matlab實(shí)時(shí)讀取Arduino中發(fā)來的數(shù)據(jù)，利用Matlab強(qiáng)大的矩陣處理能力，來擬合得到數(shù)字信號的曲線函數(shù)，并繪出曲線。針對電壓信號的波形特點(diǎn)，本文采用Fourier級數(shù)擬合方法，當(dāng)擬合次數(shù)超過5次時(shí)，擬合度就可大于0.8，能夠滿足擬合要求。為避免不同環(huán)境下初值對數(shù)據(jù)的干擾，本文通過將原始數(shù)據(jù)點(diǎn)減去均值的方法，克服了不同初值的影響，獲得的PVDF傳感器輸出信號擬合曲線如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)布置圖

圖3 輸出信號擬合曲線圖

3 基于PVDF壓電傳感器的動(dòng)態(tài)稱重算法

由1.2中的分析可知，車輪壓上壓電薄膜時(shí)，車輪的作用壓力與采集到的電壓信號成正比。當(dāng)汽車車輪開始壓上壓電薄膜時(shí)，作用到壓電膜上的壓力逐漸增大，采集到電壓信號從零逐漸增加并達(dá)到峰值，當(dāng)車輪開始駛離壓電薄膜時(shí)，隨著作用的壓力逐漸減小，采集到的電壓信號也從峰值開始衰減，并最終穩(wěn)定后趨于零。當(dāng)壓電薄膜的寬度一定時(shí)，波形的寬度在16ms～22ms左右，而隨著車速線性增加時(shí)，波形的寬度線性變窄，因此電壓信號擬合曲線的積分面積與車速的大小也存在線性關(guān)系。本文采用面積積分的方法來計(jì)算車重，對車輛駛過時(shí)獲得的電壓信號擬合曲線進(jìn)行積分，再乘以車速來計(jì)算車重，面積積分稱重算法的原理為[6]：

式中，C——稱重系數(shù)。

v——車輛速度。

由積分的原理可知，常用的積分方法有三種，即矩形面積積分法、梯形面積積分法和辛普森積分法，在計(jì)算時(shí)，本文采用矩形面積積分法。

4 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重的自動(dòng)化和連續(xù)化，需要進(jìn)行合理的軟件程序設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)組件為數(shù)據(jù)采集、控制和處理的核心，以Arduino編程語言和C語言為基礎(chǔ)進(jìn)行軟件編寫。Matlab程序具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示功能，可靠的數(shù)值計(jì)算和符號計(jì)算功能以及強(qiáng)大的繪圖功能，利用Matlab可以快速的處理采集的數(shù)字信號矩陣，進(jìn)行有效的函數(shù)擬合運(yùn)算，并能繪出函數(shù)曲線，具有極強(qiáng)的可視性。

本系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)現(xiàn)將電荷放大器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并加以采集和儲(chǔ)存，通過寫入超聲波傳感器測距程序?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)采集啟停的控制，實(shí)現(xiàn)Arduino和Matlab實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的交互，計(jì)算車輛重量并控制LED燈將重量信息顯示出來。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程主要如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖

5 動(dòng)態(tài)稱重的實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和驗(yàn)證

基于以上的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)定和有效性檢驗(yàn)，圖5為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)圖。

圖5 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)圖

在進(jìn)行稱重前，需要對系統(tǒng)的承重系數(shù)C進(jìn)行標(biāo)定，由于條件限制，在實(shí)驗(yàn)室由單片機(jī)控制小車模型以一定的速度駛過傳感器，并通過在小車模型加載細(xì)砂來改變車重，標(biāo)定試驗(yàn)測定了四個(gè)不同的車重，得到的結(jié)果如表1所示：

圖6 線性擬合圖

實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果 表1

基于面積積分法，由所得的數(shù)據(jù)可以得到車重與PVDF壓電薄膜輸出的電壓信號面積積分與車速乘積的關(guān)系，利用Matalb進(jìn)行線性擬合，圖6為得到的線性擬合圖，由圖可知，線性關(guān)系較好，可以以擬合直線的斜率作為稱重系數(shù)C的標(biāo)定值。

通過改變加載細(xì)砂的質(zhì)量，每次增加0.1kg，得到了5個(gè)不同的車重，控制小車先后駛過傳感器，可由系統(tǒng)算出承重量，與車輛的真實(shí)重量對比，計(jì)算稱重的相對誤差，檢驗(yàn)系統(tǒng)的有效性，結(jié)果如表2所示。

車重測量結(jié)果 表2

由表2可知，本稱重系統(tǒng)測量的相對誤差可以控制在±10%，具有較高的測試精度。

6 結(jié)束語

本文為實(shí)現(xiàn)道路上更加高效快捷的車輛稱重的目的，提出以PVDF壓電薄膜為稱重傳感器設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)稱系統(tǒng)，選擇了合適的電荷放大器處理傳感器產(chǎn)生的電荷信號，以Arduino單片機(jī)組件作為信號采集和處理器，配合超聲波傳感器作為信號采集的開關(guān)，經(jīng)由軟件系統(tǒng)的運(yùn)算，可以得到一定精度的車重測量結(jié)果。相信經(jīng)過深入的研究和改進(jìn)，如選擇更合適的稱重算法，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度，本稱重系統(tǒng)可以很好的實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重的目的。