一種新的動態車輛稱重系統的製作方法

2023-06-24 05:12:06 2

專利名稱：一種新的動態車輛稱重系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於公路交通控制系統，特別是稱重系統。
動態車輛稱重系統的研究，文獻報導的大多是電容條及壓電條傳感器稱重技術，這種技術目前實際使用中誤差較大，達不到我們的要求。德國PIETZSCH公司產品樣本1994DAW100型動態稱重系統，使用的是槽形板結構的受彎板式傳感器，但結構尺寸較大，構造也較複雜，加工生產以及按裝都很不便，其精度也不夠理想。
本發明的目的就是研製出精度符合要求，結構較簡單，生產按裝較容易的小型化的動態車輛稱重系統(簡稱WIM)。為此，我們設計了由動態稱重傳感器(簡稱傳感器)和動態稱重儀(簡稱稱重儀)組成的動態車輛稱重系統實現了這一目的。
本發明由傳感器和稱重儀兩部分組成一系統。傳感器是兩塊不同材料的金屬板，在一金屬板上布置應變片，兩金屬板用螺釘緊固在一起，埋置於公路上，表面與公路面齊平，稱重儀則按置於路旁，由電纜與傳感器連接起來。當車輛通過傳感器時，傳感器產生的信號輸入到稱重儀，利用編制的程序進行數據處理，最後顯示出來。
結合附圖詳細說明。


圖1動態車輛稱重系統。
1稱重儀，2稱重傳感器。
圖2傳感器分解圖。
3上蓋板，4底板，5螺孔，6側封板，7應變片，8電纜，9螺孔。
圖3傳感器方位圖。
圖4傳感器應變輸出圖。
圖5傳感器橫向位置上的荷載分布圖。
圖6傳感器在總荷載作用下的輸出圖。
圖7荷載通過傳感器示意圖。
圖8傳感器標定示意圖。
圖9傳感器在車道上的布置示意圖。
10傳感器圖10應變片布置示意圖。
11應變片。
圖11典型的輪載信號波形圖。
圖12測量系統框圖。
圖13信號調理器電路圖。
圖14流程圖。
傳感器的設計理論基礎是，對部分輪載力的積分來採集車輪重量，證明當荷載勻速通過傳感器時，傳感器的輸出僅與總荷載和速度有關，而與荷載的長度及分布無關。
設傳感器長度為L，寬度為B，中心線X＝B/2，如圖3所示，設X方向單位集中線荷載作用於傳感器中部時，B/2中心線上的應變輸出曲線，是以作用位置為最大值的單峰型，且有效影響在一定範圍(2do)內，如圖4所示。設曲線下的面積為A，進一步設想，當集中線荷載在距傳感器端部某一距離d(顯然d≥do)之任意點作用時，其應變輸出曲線是相同的，這樣就在傳感器的橫向位置上，有一個寬度為Lo(L0＜l)，總荷載為p的荷載，荷載在Y軸的分布函數為q，如圖5。q＝Q(y)，當L足夠大，荷載位置滿足d1＞＞d且d2＞＞d時，根據線性疊加原理，傳感器應變輸出曲線的面積Z=LOqAdy=Ad1d1+Logdy=Ap]]>此結果表明，傳感器的輸出只與總荷載有關，而與荷載寬度，分布狀況和作用位置無關。據此，僅需以單位寬度荷載進行討論。
在傳感器長度方向上，當單位集中荷載(點荷載)作用於x方向位置時，傳感器中心線上的輸出為x的函數，如圖6所示Z＝f(x) (0≤x≤B)f(x)即為影響函數，圖6所示曲線為影響曲線。設曲線下的面積So=OBf(x)dx]]>當荷載以不變速度v通過傳感器時，X＝V·t(t為時間)影響函數可轉化為時間t的函數。
Z＝f(V·t)對時間進行積分，即傳感器動態輸出為Sv=OB/vf(vt)dt=1/vfOB(x)dx=So/v]]>
如圖7所示，一個長度為Bo，總荷載為p，單位長度上荷載集度為q的荷載，以不變速度v通過傳感器時，疊加原理成立，傳感器的動態輸出為S=OBoOBB/vqf(vt)dtdb]]>=Svoqdb]]>＝Sv·P＝So·p/v此結論表明，當荷載勻速通過傳感器時，傳感器輸出僅與總荷載和速度有關，與荷載的長度及分布無關。
綜合以上討論得知，當傳感器長度足夠，輪載邊緣距傳感器近端的距離足夠(大於do)，輪載勻速通過傳感器時，傳感器應變積分(動態輸出)S＝So·p/v，只與輪載的總荷載和速度有關，與輪寬和輪載長等因素無關。由此得到測重公式P＝S·v/So式中，S、V可通過傳感器的測量和計算得到，So是個常數，通過標定得到。
標定方法是，用總載為W的荷載均勻地以矩形滿布於傳感器的寬度，長度方向上邊緣留有餘地，如圖8，得到的輸出是Q=OBw/Bf(x)dx]]>＝w·So/B即So＝Q·B/W
當車輪滾動通過傳感器時，傳感器的響應是隨時間從小至大再至小的曲線，不論該曲線形狀如何，其所包含的面積是和每個車輪的荷載有關。這種測量方式就不用將傳感器做得很寬，尺寸和重量都可減小，這有利於生產和安裝，在較好安裝路面條件下，傳感器寬度大於20cm時，車輪則能平滑地通過傳感器，傳感器長度主要考慮覆蓋3.2M的車道，厚度及結構則按每個輪重10噸，過載50％進行設計，傳感器的尺寸是1500mm×230mm×20mm，上蓋板厚5mm，底板厚15mm。
如圖2傳感器由上蓋板(3)、底板(4)、螺孔(5)，側封板(6)，應變片(7)，電纜(8)及螺孔(9)組成。上蓋板(3)用65號Mn鋼製成，底板(4)用45號鋼製成，上蓋板及底板沿長度方向的兩側邊有螺孔(5)，通過螺孔(5)用螺釘將上蓋板與底板緊固在一起，底板(4)上表面呈凹形，為防止泥、水等浸入，上蓋板及底板之兩端，用側封板(6)及橡膠密封條，通過螺孔(9)用螺釘緊固，電纜(8)與稱重儀後蓋上的傳感器插座相接。
應變片的布置方式是，在上蓋板的內表面，在1/2寬的平分線上，以該平分線的中點o為基點，在o點的左右兩側各41.5mm處，布置應變片一片，然後以83mm為間距，均勻布置應變片，如圖10所示。
該傳感器埋設於道路中，沿長度方向垂直於路邊線，上蓋板與路面齊平，如圖9所示，車道寬3.2m，一車道布置壹組兩個傳感器，每個傳感器測量車輛一側的車輪重量，兩傳感器之中心距3m，兩傳感器的接近端間距20cm。稱重儀則按置路邊位置。
傳感器固然是WIM系統的關鍵部件，但電子測量系統才是核心，所需的一切數據，均由這套電了支持系統提供，該系統名日「稱重儀」，該儀器機箱是一體化結構，機箱中配備軟盤驅動器，通信接口，傳感器接口，與標準輸入、輸出設備(CRT鍵盤，24針印表機)的接口，電源A/D、D/A數據採集及轉換卡，二通道專用信號調理器，RAM電子存儲板，輸入、輸出存儲器驅動卡，All-in-one 386 DX CPV主板，該系統具有一個386計算機的功能和動態稱重專用智能測試系統的全部功能，它採用AT總線結構，為圖12所示。
稱重儀硬體系統均採用模塊結構，以保證系統的可維護性、可修改性及可擴充性，顯示屏為160×128點陣液晶顯示屏，配有背景光，白晝夜間均可觀察，信息用漢字和字符顯示，鍵盤為12輕觸鍵鍵膜，提供全系統的控制、參數修改和數據輸入，軟磁碟驅動為3寸盤驅動器，微型印表機為SEG-MP-40PA，機箱、電源、無源總線板採用臺灣研華工控機產品，具有防磁，防塵和防震功能，CPU主板選用無源主板結構，在無源板上插上模塊化的All-in-one386主板，A/D卡選用要考慮數據採集速率及工作通道的多少，A/D卡只有一路D/A輸出，供一個車道使用，存儲方式選用先進的電子盤存儲技術，一塊存儲卡的容量從2.44M到12M可選，也就是說，該存儲器可存儲20～180萬軸次的車輛數據，即使電力中斷半年，數據也不會消失。
通過這個一體化機體，可現場監視每輛車的每次測試數據狀況，也可通過軟盤驅動器將數據取回辦公室使用，或直接通過電話線路調用。
為實現系統目標，系統軟體必須完成以下功能不間斷數據採樣，實時數據處理，數據存儲，現場監視(實時顯示及列印數據)，數據查詢(顯示及列印存儲的數據)，數據通信，數據統計及系統標定。為完成軟體功能，採用以下方案，1、系統按固定頻率不間斷地循環對各通道稱重傳感器進行數據採樣，2、為了利用有效的採樣數據，系統必須定時對採樣數據進行處理，以判斷並儲存車輛壓過傳感器的時間及數目，3、為了達到實時處理數據的目的，系統定時(1秒)進行數據處理，包括判斷有無車輛通過傳感器，分離駛過傳感器的車輛，計算各個數據項，刪除已處理的車輛緩衝標誌，存儲計算數據等。
程序設計要點。
數據採樣以固定頻率(100/12KH2或100/24KH2)循環採樣數據循環存放於容量約16Mb的緩衝區(擴充內存)，數據傳輸採用DMA方式。
採樣數據預處理採用實時時鐘硬體中斷方式，定時對緩衝的採樣數據進行篩選，找到車輪碾過稱重傳感器產生波形的最高點，在緩衝區內以固定長度隊列方式循環存儲這些波形最高點的位置並存儲波形個數。實時數據處理以軟體定時中斷方式(中斷間隔時間為1秒)對緩衝區內的波形進行處理，計算得到各個需要的數據項並存放於電子盤中，處理時間不超過1秒，每一次中斷都對車道進行處理。
判斷有無車輛通過傳感器，通過軟體接口調用預處理存放的波形數目，當兩個通道(左右輪)的波形都大於1時，認為有可能駛過一輛車，否則結束中斷處理，但並不是所有預處理中給出的波形都是由於車輪駛過傳感器所產生的，噪聲和幹擾也可能誤判為波形，若駕駛員不嚴格按車道行駛，將會產生單個車輪駛過傳感器現象，同時，識別車輛通過還同分離車輛聯繫在一起，放在一起考慮，這就是左右車輪的「配對」概念。只有對預處理給出的波形進行後期處理，計算出該波形代表的重量，輪跡長度，當計算重量和輪跡長度落在適當的範圍內，才是真正由於車輪駛過產生的波形，而重量和輪跡長度的計算又依賴於車輪通過的速度。只有當左右輪都壓過傳感器，才能計算出車輪壓過傳感器的速度。所以，單個波形是無法判斷其是否有效的，而判斷有效的結論總是左右輪同時得到的。這就是「配對」的概念。應用這一概念不僅識別出噪音等其它原因在預處理中產生的波形，而且由於車輪壓過單邊傳感器產生的波形也得以自然剔除。
得到識別車輪的算法1、判斷左右輪傳感器的預處理波形數numb1，numb2，如果numb1＜2或者numb2＜2結束處理；2、賦初值Peak(0)＝1 Peak(1)＝1 Axle＝1；3、如果Axle＞1，且左輪第Peak(0)個波與前一個波形的間距小於最小軸距轉(12)；4、處理第左輪Peak(0)個波Peak1＝Peak(1)Axle0＝Axle；5、如果Axle＞1且左輪第Peak(1)個波與前一個波形的間距小於最小軸距轉(9)；6、處理右輪第Peak(1)個波；7、計算第Axle軸通過傳感器速度V(Axle)；8、計算並判別重量輪跡長度是否落在適當的範圍內，如果「配對」成立，轉(11)；9、Peak(1)＝Peak(1)+1返(5)；10、Axle＝Axle+1；11、如Axle＝Axle 0則Peak(1)＝Peak1；
12、Peak(0)＝Peak(0)+1返(3)。
分離車輛問題有幾個基本的判斷，兩輛車駛過傳感器的時間間隔足夠長，體現為預處理中得到的波形數處理完後，等待足夠長的時間，仍沒有車輪壓過傳感器，或兩輛車先後通過傳感器物理間距足夠大，體現為前後兩軸的間距大於最大的軸距，還有當出現道路堵塞，傳感器上通過一慢速行駛的車隊時，可能出現兩輛車的間距小於可能的最大軸距，不過，非常相近的兩輛車，可能以十分相近的速度行駛，由於距離太近，後一車的駕駛員不得不根據前一輛車的駕駛行為不斷調整車速，這樣，兩輛車的加速度是很難一致的，因此，將加速作為一個判劇，是可行的方法。另一特殊情況是，前後兩軸，左右輪壓上傳感器的先後順序相反，這種情況後軸也必須同前軸分離開，不可能為同一輛車。
根據以上分析，我們來完善識別車輪的方法並同時完成分離車輛的功能。
1、判別左右輪通過傳感器的預處理波形數numb1、numb2，如果numb1＜2或numb2＜2結束處理；2、賦初值Peak(0)＝1 Peak(1)＝1 Axle＝13、如果Axle＞1且左輪第Peak(0)個波與前一波形的間距大於最大軸距，轉22；4、如果Axle＞1，且左輪第Peak(0)個波與前一個波形的間距小於最小波形，轉(22)；5、Peak1＝Peak(1)Axle0＝Axle處理左輪第Peak(0)個波；6、如果Axle＞1且右輪第Peak(1)個波與前一個波形的間距大於最大軸距，轉(11)；7、如果Axle＞1且右輪第Peak(1)個波與前一個波形的間距小於最小軸距，轉(11)；8、處理右輪第Peak(1)個波；9、計算第Axle通過傳感器的速度V(Axle)；10、計算並判別重量、輪跡長度是否落在適當範圍內，如果「配對」成立，轉(8)；11、Peak(1)＝Peak(1)+1；12、判斷Peak(1)是否大於右輪通道預處理得到的波形數，否則轉(16)；13、如果Axle＝1，轉(17)；14、循環足夠長時間；15、再判斷Peak(1)是否大於右輪通道的波形數，否則轉(17)；16、返回(6)；17、如果Axle＝Axle 0則Peak(1)＝Peak；18、判斷Axle是否大於最大軸數，是，則結束處理；19、判斷第1根軸與第Axle軸，左右輪壓上傳感器的順序是否一致，否則結束處理；20、如果Axle＞2，計算第一根軸到Axle-1的平均加速度與到第Axle軸的平均加速度之差是否小於規定的值，否則結束處理；21、Axle＝Axle+1；22、Peak(0)＝Peak(0)+1；23、判斷Peak(0)是否大於左輪通道的波數，否則轉(3)；24、如果Axle＝1結束處理；25、循環足夠時間；26、再判斷Peak(0)是否大於左輪通道的波形數，是，則結束處理；27、返回(3)。
參看圖14流程圖。
初始化A/D設置A/D採樣的模式、頻率、量程、數據傳輸方式以及通道數等。
裝載中斷處理程序將CMOS實時鐘中斷處理(採樣數據預處理)程序以及數據交換的軟體中斷處理程序裝入內存。
裝載列印顯示驅動程序將微機驅動程序和液晶顯示驅動程序裝入內存。
自動調零通過D/A將各通道傳感器信號調零。
啟動A/DA/D採樣開始以初始化的設置不間斷地進行。
啟動CMOS定時中斷定時地對採樣數據進行存儲和輪載波形篩選。
啟動軟體定時中斷進行數據處理，此中斷的優先級低於CMOS定時中斷。
調用系統功能通過用戶操作，調用各個系統的功能。
CMOS定時中斷，採樣數據存入擴充內存，A/D轉換以固定頻率進行，並以DMA方式直接將採樣數據存入內存的一個區域，在多個緩衝區填滿時，中斷處理，把數據轉儲到擴充內存中一個更大的緩衝區。
篩選輪載波形，中斷處理的另一功能就是將內存緩衝區的採樣數據進行篩選，將可能的輪載波形記錄下來，篩選的基本原則是採樣數據連續變化一個相當大的幅值。
記錄波形數目及地址將篩選出來的輪載波形數目及其在擴充內存緩衝區的地址記錄下來，以便數據處理調用。
軟體定時中斷，啟動一次看門狗，以便軟硬體發生故障時，系統可以自動復位。
判別有無足夠波形各通道至少應有兩個輪載波形，才可能通過一輛車。
波形處理，包括計算波形中心位置，波形積分、左右波形「配對」，以排除篩選波形的誤差等。
計算修正數據參數在左右波形「配對」成功後，計算修正系統要求測試的各項數據參數。
判別應否分離車輛，在判斷下一根軸的波形前，應判斷是否需要將車輛分離開來，基本的判據包括下根軸與上一根軸之間的軸距是否太大、加速度是否太大、或等待相當長的時間無新輪載波形出現，或者附加下一根軸後車型不符等等。
存儲測試數據將測試的車輛數據記錄於電子盤上。
D/A調零利用D/A輸出，對傳感器信號的微小漂移進行修正。
利用本系統可獲取輪重、軸重、軸組重、速度、加速度等數據、工作溫度範圍、傳感器-20℃～+90℃，稱重儀0°～+50℃，適應車速範圍5～120公裡/小時，本系統體積小，重量輕，安裝簡便，測量精度高，工作可靠，為高等級公路交通數據採集、規劃、設計、養護管理、制定和實施限重法規提供了有效手段，具有廣闊的推廣和應用前景。
權利要求
1.一種新的動態車輛稱重系統，由稱重傳感器和稱重儀組成，其中稱重傳感器有金屬板，稱重儀有軟盤驅動器，通信接口，傳感器接口，與標準輸入、輸出設備的接口，電源A/D、D/A數據採集及轉換卡，二通道專用信號調理器，RAM電子存儲板、輸入、輸出存儲器驅動卡，ALL-in-one386DXCPU主板，其特徵在於，稱重傳感器有上蓋板(3)、底板(4)，通過螺孔(5)用螺釘將兩金屬板緊固，在上蓋板(3)的內表面貼應變片，底板(4)的上表面呈凹形，兩金屬板緊固後，兩端部用側封板(6)和橡膠條，通過螺孔(9)用螺釘緊固密封，電纜(8)與稱重儀後蓋板上的插座相接，上蓋板(3)用65號Mn鋼製成，底板(4)用45號鋼製成，稱重儀顯示屏為點陣液晶顯示屏。
2.如權利要求1所述之動態車輛稱重系統，其特徵在幹稱重傳感器應變片的布置方式是以上蓋板(3)內表面的幾何中心為原點，在原點兩側沿上蓋板的長度方向各41.5mm處，布置一應變片，然後以83mm間隔均布。
3.如權利要求1或2所述之動態車輛稱重系統，其特徵在於稱重傳感器的埋設方式是稱重傳感器的長度方向垂直路邊線，上蓋板(3)與路面齊平，兩稱重傳感器的中心線相距3m，兩稱重傳感器的接近端相距20cm。
全文摘要
本發明屬於公路交通控制系統，由稱重傳感器和稱重儀組成，傳感器為組合應變片薄板式部分輪載傳感器，稱重儀是套電子測量系統，所需要的一切數據，均由這套電子支持儀器系統提供，重量輕、體積小、安裝維護方便，適用車速範圍寬和精度高，測量軸載及其它交通數據對於公路規劃、施工、運輸、養護、執法和投資等均具有重要意義，此系統具有廣闊的應用前景。
文檔編號G01G19/02GK1149712SQ9511799
公開日1997年5月14日 申請日期1995年11月9日 優先權日1995年11月9日
發明者張佳仁, 楊衛東, 劉亞蒙, 金松濤, 李吉雄, 連啟濱, 高峰 申請人:交通部重慶公路科學研究所