基于粘貼式應變傳感器的車輛超載監測系統

陳廣華 鞠 娜 楊 飛 李建偉

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院,北京 100044)

基于粘貼式應變傳感器的車輛超載監測系統

陳廣華 鞠 娜 楊 飛 李建偉

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院,北京 100044)

針對車輛超載運輸,深入研究了車載稱重技術,設計了基于車載稱重裝置的短消息技術的車輛超載監測系統.利用安裝在汽車鋼板彈簧上的粘貼式應變傳感器測量車輛鋼板彈簧承受的載荷信息,計算顯示車輛總載荷,在車輛超載的情況下車輛超載監測裝置啟動車載短消息終端以短消息形式發送超載信息,并將數據提供給相關部門.系統經過反復的試驗驗證,能夠準確地檢測出車輛的載重狀態,可用于交通部門和路政部門對載重車輛進行收費、管理和處罰.

應變傳感器;超載;單片機;鋼板彈簧;監測系統

隨著國民經濟的不斷發展,運輸產業的規模不斷擴大,我國公路運輸中的超載超限問題也凸顯出來,超載超限問題已成為危及人民群眾生命安全和國家財產安全,影響社會經濟協調、健康發展的一個突出社會問題.車輛稱重技術的落后使得治理車輛超載的效果一直不顯著.因此提高車輛稱重技術成為了解決這一問題的關鍵[1-3].

本文利用鋼板彈簧懸架的變形量與車輛載重的對應關系,獲得在車輛正常行駛情況下的載重信息.設計了一套基于嵌入式系統和粘貼式應變傳感器的車輛超載動態監測裝置.在車輛自由運行的過程中,檢測車輛的載重情況.并利用 SMS(Short Messaging Service)技術,實現車輛身份信息和超載信息的遠程監測[4-7].

1 車輛載重監測系統的設計原理

基于 AT89C52單片機,采集車身浮動辨識電路輸出的開關量及加速度傳感器信號,判斷車輛運動狀態.當車廂浮動正常并且車輛勻速行駛時,由應變傳感器采集 4路載重信息,經單片機處理后存儲車輛載重信息并將其顯示在液晶顯示屏上,每隔30s刷新一次,當車體振動幅度超過預設值或非勻速行駛時,通過軟件實現上次采樣信息的 5s延時,間隔 5 s重新檢測車輛運行狀態.車輛持續超載時,SMS通信裝置將車輛信息以及超載信息以短消息形式發送給管理中心,管理中心監視車輛超載情況,并把數據提供給相關部門,系統構成如圖 1所示.

圖 1 車輛超載監測系統原理圖

2 系統的硬件設計

系統的硬件主要由傳感器組、信號調理電路、數據信息處理單元及 GSM通信模塊[8]構成.系統硬件結構如圖 2所示.

圖 2 系統硬件結構圖

2.1 稱重傳感器的研制

傳感器組包括加速度傳感器,車廂浮動繼電器和稱重傳感器.加速度傳感器和車廂浮動繼電器采用普通市售傳感器即可滿足要求,主要是用來檢測車輛的加速度和車廂浮動情況,以消除車輛振動和重心移動對檢測結果造成的影響,避免產生沖擊干擾.稱重傳感器用來檢測車體的載重,采用應變片電阻粘貼的方法實現,需要自行研制,下面介紹其檢測原理及結構設計.

2.1.1 粘貼式應變傳感器檢測原理[9]

目前廣泛應用的稱重傳感器都是利用地球的重力作用,檢測物體的重力在垂直方向上造成的承重物應變來計算出物體的質量.本文設計的粘貼式應變傳感器粘貼在鋼板彈簧表面,傳感器可以通過檢測鋼板彈簧表面應變測得鋼板彈簧的簧載質量.

由于鋼板彈簧弦長的變化與板簧承載量成線性關系.由微積分原理可知,鋼板彈簧中的一固定小段 AB的長度變化也與板簧承載量成線性關系.因此,可以通過檢測 AB的長度變化得到車輛的載重信息.

本文用電阻應變片檢測 AB段的長度變化.電阻應變片的工作原理是基于應變效應,即導體或半導體材料在外界力作用下產生機械變形時,其電阻值相應發生變化,即“應變效應”.電阻應變效應的理論公式[10]如下:

式中,ρ為電阻率,Ω·mm2/m;L為金屬絲的長度,m;S為金屬絲的截面積,mm2.

由式(1)可知,金屬絲在承受應力而發生機械變形的過程中,ρ,L,S三者都要發生變化,從而必然引起金屬絲電阻值的變化.當受外力伸張時,長度增加,截面積減小,電阻值增加;當受壓力縮短時,長度減小,截面積增大,電阻值減小.因此,只要能測出電阻值的變化,便可知金屬絲的應變情況,這種轉換關系為

式中,R為金屬絲電阻值的變化量;K0為金屬材料的應變靈敏系數,主要由實驗方法確定,且在彈性極限內基本為常數值;ε為金屬材料的軸向應變值,即 ε=ΔL/L,因此又稱 ε為長度應變值,對金屬絲而言,其值在 0.24～0.40之間.

由式(2)可知,當鋼板彈簧表面受外力作用時,就會產生微小機械變形,粘貼在其表面上的應變片也隨之發生相同的變化,同時應變片電阻值也發生相應變化.這樣,電阻應變片就將力學量轉換成了電阻的變化量輸出.

由于機械應變一般都很小,要把微小應變引起的微小電阻變化測量出來,就要把電阻相對變化 ΔR/R轉換為電壓的變化,本文采用直流恒壓電橋測量電路來實現該轉換.應變電橋 AC兩端接直流電源,BD兩端為電橋輸出端,應變電橋如圖 3所示.

車輛承載后,鋼板彈簧的變形導致粘貼在彈簧表面的傳感器變形,傳感器中的應變片受力變形.其中橋臂電阻 R1,R4受壓應變,R2,R3受拉應變.根據全橋差動電路的原理,應變電橋輸出電壓為

圖 3 應變電橋

本設計中,應變電橋中所用應變片的型號相同,則有

應變片受力變形時,一般有

則有

系統通過檢測 ΔU的變化,則可間接檢測車體載重量[10].由于應變片機械變形量很小,所以ΔU值非常小,需要經過放大處理才能將信號進行 AD轉換,進入微處理器進行處理.放大功能由高精度儀表專用放大器 AD620實現[11].電路原理如圖 4所示.

圖 4 放大電路原理圖

2.1.2 AD轉換及數據采集傳感器結構設計

稱重傳感器由彈性基底、電阻應變片、信號調理電路和保護層組成[9].其基本結構如圖5所示.

圖 5 傳感器結構示意圖

基底采用彈性橡膠制成,它應具有良好的彈性特性、足夠的精度和穩定性,在長期使用中和溫度變化時,都應保持穩定的特性.本文選用 CGF2462P硫化橡膠制成彈性基座,基座厚度為4mm,彈性模量為 7.84MPa,保護層為硅膠涂覆層.應變片型號為 BE(BA)350-6AA,按照電橋的要求對稱貼在基底上.

使用時先用四氯化碳清除鋼板彈簧表面油污,并用 0號砂布打磨除銹并用溶液進行清洗,然后將傳感器粘貼在鋼板彈簧表面[12].

2.1.3 汽車鋼板彈簧應變與荷重關系分析

該傳感器的制作選用具有 20%變形量的應變片,一般鋼板彈簧的最大變形量小于 20%,在本文選用的應變片測量范圍之內.

對于特定的鋼板彈簧,其剛度系數、彎曲跨距和板簧厚度都是固定值,汽車載荷重量和鋼板彈簧應變的關系為

式中,α為鋼板彈簧相關系數,由鋼板彈簧厚度、剛度和彎曲跨距決定;Δε為鋼板彈簧表面應變;k為鋼板彈簧剛度,N/mm;l為鋼板彈簧跨距,mm;h為鋼板彈簧厚度,mm;g為重力加速度.

2.2 信號處理電路設計

信號處理電路包括穩壓電源、信號調理與采集、傳感器測試、微控制器、數據存儲、液晶顯示和超載報警模塊.

信號調理部分完成對應變片傳感器檢測到的微弱電壓進行放大、整形、濾波.經過調理的電壓信號由 ADC0809實現模數轉換,ADC0809是 8位逐次逼進型轉換芯片,具有 8路輸入,轉換速度為100μs,轉換精度滿足要求.微處理器采用低電壓、高性能 CMOS 8位 AT89C52單片機,片內含8KB的可反復擦寫的 Flash只讀程序存儲器和256字節的隨機存取數據存儲器,片內置通用 8位中央處理器和 Flash存儲單元.單片機將采集到的車輛載重信息進行處理,將其處理結果在液晶屏上實時顯示,當車輛超載時啟動聲光報警并通過短消息發送到車輛超載監測管理平臺.

2.2.1 AD轉換及數據采集

信號調理電路將傳感器輸出的微弱信號轉化成了 1～5V的標準信號,但是,CPU接收和處理這些信號,還要通過 AD轉換.本文采用 ADC0809實現 AD轉換功能.ADC0809與 CPU的接口電路如圖 6所示.

2.2.2 液晶顯示

本文采用串口方式控制,YLF12232與微控制器的接口方式如圖 7所示.

圖 6 ADC0809接口電路

圖 7 YLF12232接口電路

YLF12232F液晶顯示器是一種內置 8 192個16×16點漢字庫和 128個 16×8點 ASCII字符集圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅動器/列驅動器及 128×32全點陣液晶顯示器組成.可完成圖形顯示,也可以顯示 7.5×2個(16×16點陣)漢字,與外部 CPU接口采用并行或串行方式控制.

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要完成數據采集、數據處理、液晶顯示和超載報警工作.程序采用 C51語言編寫[13].

監測主程序包括系統自檢、信號采集與處理、顯示報警及短消息發送.針對車輛振動的干擾,可以采用延時與車輛運行狀態檢測結合的方式解決.監測主程序流程如圖 8.

圖 8 監測程序流程圖

4 系統試驗平臺數據測試

以北汽福田車輛股份有限公司 BJ1046V8JD6輕型載貨汽車進行系統測試,其額定載重為1.5 t,采用250kg沙袋為載重單位,對系統進行測試,從而評估該系統的性能.

實驗過程中,車輛在平整路面上以 20 km/h的速度行使,在車輛上不斷加載沙袋,將液晶顯示屏上顯示的車輛實際載荷、前軸靜態載荷、后軸靜態載荷、總靜態載荷及管理平臺顯示的車輛超載情況如表 1所示.

表 1 測試數據 t

通過實驗數據的誤差分析可以看出,車輛載重量在額定載重附近時,檢測精度最高,隨著載重量偏離額定載重,檢測精度降低.

系統經過多次測試,測量誤差均在 2%內,滿足系統設計精度要求.

5 結 論

車輛超載監測系統的設計實現了車輛超載監測裝置,完成了傳感器組、車載主控單元和車載短消息終端的軟硬件設計,實現了車輛超載動態監測管理平臺,完成了短消息收發的設計.

車輛載重監測系統已研制出樣機,實驗中應用效果良好.實踐證明,該系統可靠性高,抗干擾能力強,能適應車輛運行的惡劣環境;系統安裝方便,操作簡單易行,安裝后不會改變車輛平穩性能;實現車輛載重的動態全程監測;檢測精度高,能夠準確地反映車輛的載重狀態,可用于交通部門和路政部門對載重車輛進行收費、管理和處罰,從而有利于治理超載超限,營造一個良好的物流環境.該系統實現了車輛的智能管理,具有廣泛的應用前景.

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(編 輯:趙海容)

Monitoring system for vehicle overloading base on paste-type strain sensor

Chen Guanghua Ju Na Yang Fei Li Jianwei

(School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

The on-board weighing technology was studied for the overloading of vehicle.A monitoring system was designed for overloading based on the on-board weighing device and short message technology.The system used paste-type strain sensor that installed in vehicle's leaf spring to obtain load on the leaf spring and then calculated and displayed the total load of vehicle.When vehicle is overloaded the monitoring device control on-board short message terminals to send a short message of overloading,also it provided data to the relevant departments.The system can accurately detect the vehicle load after repeated verification,which can be used for the departments of transportation and highways to charge,manage and punish the loading vehicle.

strain sensor;overloading;single chip;leaf spring;monitoring system

U 46;TH 7

A

1001-5965(2011)04-0409-06

2010-01-14

陳廣華(1966-),女,天津寶坻人,高級工程師,ghchen1@bjtu.edu.cn.