第27卷第8期2006年8月仪器仪表学报Chinese Journal of Scient ific InstrumentVo l127No18A ug12006车辆动态称重技术*程路张宏建曹向辉(浙江大学工业控制技术国家重点实验室杭州310027)摘要随着公路运输业和商业贸易的发展,车辆动态称重技术已成为车辆载荷测量的关键技术和发展方向。

文中对车辆动态称重系统的结构和弯板、压电传感器、单传感器及光纤传感器4种常用的动态称重传感器进行了介绍,并对系统产生的轴重信号进行了分析,重点讨论和研究了算术平均、神经网络、系统辨识等运用到车辆动态称重系统中的算法,并且阐述了今后的发展趋势。

关键词动态称重传感器轴重信号处理汽车中图分类号T P273.5文献标识码A国家标准学科分类代码510.8040Vehicle weigh-in-motion technologyCheng Lu Zhang H ong jian Cao Xiang hui(N ational key Labor ator y of I ndustr ial Contr ol T echnol ogy,Zhej iang Univers ity,H angz hou310027,China)Abstract A long w ith the development of the highw ay transpo rtation and trade,vehicle w eigh-in-m otion be-comes the key techno logy and the trend o f measuring traffic loads1T he paper presents the structure of vehicle WIM system and four ty pes of commo nly used WIM sensors:bending plate,piezoelectric sensor,load cell and fiber optic sensor1T he output signal of ax le load in the WIM sy stem is analyzed1Sever al alg orithm s used in veh-i cle WIM system,such as arithmetic averaging,neural netw ork and sy stem identification are deeply dis-cussed1The future trend for WIM is also described.Key words w eig h-in-motion sensor ax le load sig nal pro cessing vehicle1引言车辆的负荷对公路和桥梁的设计有着十分重要的意义。

调查表明,车辆在运输中普遍存在超载运输现象,而行驶于公路的车辆如果轴重超过限值的30%,公路使用寿命就会缩短56%,使得公路维修费用巨增,路面使用寿命缩短。

另外,超载运输由于载重量超过了车辆的额定吨位,使得车辆的性能受到影响:首先是车辆的稳定性受到影响,其次在弯道和纵坡较大路段,由于超载使得车辆的动力性能受到影响,严重影响了车辆的安全行驶,最后超载运输对车辆的通行能力也有一定的影响。

因此,建立公路及桥梁的称重站势在必行[1]。

对于车辆的称重,传统的方法都是在静态下进行的,这种整车测量方法准确度虽然很高,但是存在着很大的缺点,如价格较高、不能分别测出轴重等。

另外,实际应用中停止汽车运行进行重量测量也是不方便的。

因此,近年来许多国家都对车辆动态称重技术进行了研究,并有一些实际的应用。

车辆动态称重的主要方式有两种:整车计量和轴计量方式。

应用整车计量方式,需要比较大的秤台,这大大增加了工程造价和难度,所以这种方式使用地越来越少了。

目前较为流行的是轴重测量,即分别测出车辆各轴的轴重,再由称重系统计算出整车重量。

在静态称重时,车辆的轮胎平稳地作用于汽车衡上,除真实轴重外,无任何其他外力干扰,因此容易实现高准确度测量。

但是动态称重时,车辆以一定的速度通过汽车衡,不仅轮胎对秤台的作用时间很短(在几百毫秒以内),而且作用在秤台上的力除真实轴重外,还有许多因素产生的干扰力,如车速、车辆自身振动、路面激励、轮胎力等[2-3]。

可以说真实轴重往往被淹没在各种干扰力中,这给高准确度的动态称重造成很大的困难。

*本文于2005年4月收到。

944 仪 器 仪 表 学 报第27卷在车辆动态称重技术方面,传感器的最新硬件技术起着重要的作用,随着最新硬件技术的使用,车辆动态称重的准确度、汽车过衡速度、工程造价等方面得到了改善。

但是,基于对系统产生的轴重信号进行处理的软件技术,对于设计动态称重的算法来说,也有着非常重要的作用,也就是说,利用测量系统的数学模型以及合适的算法对于研究车辆动态称重技术也是必要的[4]。

本文首先介绍车辆动态称重系统的结构及常用的称重传感器,并对动态称重系统中产生的轴重信号进行分析,在此基础上重点讨论目前车辆动态称重技术中常用的一些算法及发展趋势。

2 车辆动态称重系统结构211 汽车衡按照安装方式,汽车衡可以分为固定式和便携式两种[5]。

固定式汽车衡一般的结构如图1所示,主要由秤台、称重传感器和称重仪表组成。

其中,秤台小于1m,基本等于一个汽车轮胎的直径,这样既可以避免同时测量两个轴重值又可以减少工程造价。

称重传感器主要采用应变式传感器。

固定式汽车衡的基本工作原理为:车辆轴重通过秤台传递给称重传感器,传感器受力时将重量信号转化成电压信号传递给称重仪表,经过仪表处理显示出被称重物品即车辆的重量。

图1 车辆动态称重系统结构示意图便携式汽车衡相对来说结构轻小,便于携带,目前主要有以下几种结构形式:(1)传统式秤台。

基本采用与固定式汽车衡相同的结构,使用4个剪切悬臂梁式传感器,这种结构的优点是技术难度小,生产容易,抗偏载能力强。

但是它的缺点较明显,由于采用剪切悬臂梁式传感器,秤台高度高,一般为80mm 左右;重量大,一般超过50kg,很难适宜便携的要求。

(2)称重传感器嵌K 式秤台。

采用4~8支称重传感器分别嵌K 平板式秤台中,称重传感器就是秤台的承载点,台面一般采用硬铝合金板,整个秤台结构简单、重量轻、高度低、抗偏载和过载能力强。

缺点是必须生产专用的薄型称重传感器,数量较多,技术难度较大,性能不易保证。

(3)整体平板式秤台。

将秤台与称重传感器做成一体,秤台本身就是一个称重传感器。

由于采用整体结构,高度低,一般为30mm 左右;重量轻,一般为30kg 左右,便于携带。

缺点是技术难度大,对生产工艺要求高,抗偏载和过载能力较差。

(4)软质地毯式秤台。

有人提出采用软质材料做成传感器,利用此传感器进行车辆动态称重,秤台是一种宽度不超过1m 、长度约为路面宽度、厚度不超过1cm 的软质材料(像地毯状)传感器。

使用时将软质地毯式传感器铺在路面上,待称重的汽车驶过即可得出重量,不用时可将其卷成桶状带走,便于携带,安装方便。

212 动态称重传感器目前在车辆动态称重系统中比较常用的动态称重传感器主要有弯板、压电传感器、单传感器及光纤传感器[6-7]。

(1)弯板弯板动态称重系统是利用下方粘结有应变传感器的金属板进行测量。

当车辆通过弯板时,系统测量出应变传感器产生的应变力由此计算出动态重量值,然后利用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重。

利用弯板进行测量,测量准确度一般为?5%(整车重量的相对百分比误差)。

基于弯板的汽车衡有固定式和便携式两种,一般情况下,便携式只适合测量低速行驶时的车辆。

(2)压电传感器压电式动态称重系统利用检测由车辆轴重引起的压电传感器的电压变化,测量出车辆的轴重值。

当车辆通过压电传感器时,系统测量出传感器产生的电荷由此计算出动态重量值,然后利用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重。

目前,在美国、德国等一些国家正在使用压轴传感器测量轴重,在车辆高速行驶下测量车辆的轴重。

压轴传感器一般宽度在6.6mm 左右,厚度大约1.6mm 。

因为传感器的宽度很小,所以当车轮经过条状传感器时,无论车速多少,虽然采集时间不同,但是对于所有车辆均采集到轮胎触地长度的信息,并且从传感器输出的完整信号组成了轴重的估计值。

压轴传感器的主要特点:输出信号大,有很高的信噪比;使用寿命长,最高达一亿次;无需激励电压,属于无源传感器;响应时间极短,可达几十微秒;极宽的动态范围,约为1012量值;高机械强度,抗冲击力强;工作温度:-40~80e ;温度系数较大为0.2%/e ;安装快速、方便,只需要在地面挖一宽为19mm,深19~25mm 的沟,埋入第8期程 路等:车辆动态称重技术945数小时后即可使用;传感器输出有较大的非一致性,传感器长度方向的输出一致性在用于动态称重(weigh -in -mo -t ion,WIM )时为?7%,用于其他如车辆分类统计、车速监测、闯红灯拍照等时为?20%。

传感器准确度与车辆振动和跳动有关,与轮胎压在传感器上的面积有关,与温度有关,需要温度补偿。

尤其是道路质量对系统准确度影响很大,用在水泥路面较好,寿命长于沥青路面,用于动态称重的道路质量应符合AST M 的有关规定。

通常可以保证的准确度为?10%。

(3)单传感器单传感器动态称重系统利用一个称重传感器测量车辆的轴重值,一般来说,安装此种汽车衡需要挖设比较深的基坑,通常测量准确度为?3%。

(4)光纤传感器[7]当车辆通过光纤传感器时,系统测量出光纤内反射光强度的改变,由此计算出动态重量值,然后利用测量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重。

基于光纤传感器的汽车衡有固定式和便携式两种方式。

光纤传感器在车辆动态称重中具有广泛的应用前景。

光纤传感器与其他类型的传感器相比具有若干优点:它不受电磁干扰(包括光照射)和路面振动的影响、尺寸小、质量轻、低功耗,能够在较为恶劣的环境下使用,并且其响应频率相当高。

因此,在动态测量中是比较理想的传感器。

3 车辆动态轴重信号及处理方法图2是当两轴车辆通过秤台时从称重传感器产生的轴重信号。

从图中可以看出,当车辆接触到秤台后,将产生一个上台冲击振动,并逐渐呈现出衰减现象。

车速越高,车辆轴重信号前部上升段越陡峭,上台冲击振动越大,上升段终值偏离轴重真实值越远,因此低速的情况下,可以直接将传感器测量值视为轴重值。

但是随着车速升高,测量误差增大,最后将无法满足测量的准确度要求。

图2 传感器产生的轴重信号有时会发现轴重信号的最后一个峰值大于它前面的一个峰值,破坏了上台冲击振动的衰减规律,产生这种现象的原因是由于车轮离开台面时有时产生了附加冲击,因此在信号处理时常常需要去掉这种下台冲击的影响[8-11]。