一種基于PVDF的車輛動態稱重系統設計

楊俊夫，韋俊，覃力更，張孟軍，謝晉全，劉崇章

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

一種基于PVDF的車輛動態稱重系統設計

楊俊夫，韋俊，覃力更，張孟軍，謝晉全，劉崇章

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

針對高速公路車輛超載問題，設計了一種基于PVDF的車輛動態稱重系統。首先介紹了動態稱重系統的硬件系統，然后比較了三類壓電傳感器優缺點，簡述了PVDF傳感器的安裝，給出了電荷放大器以及信號采集器等硬件的選擇，并對軟件系統的設計流程進行了分析。最后設計了動態稱重系統試驗，對系統進行了驗證。

動態稱重；壓電傳感器；PVDF；軟件

當前我國交通運輸量呈現出快速上升趨勢，隨之而來的超載超限現象越來越嚴重［1］。超載超限車輛不但會對現行路面以及橋梁帶來嚴重的破壞，也會給行車安全帶來巨大隱患。動態稱重系統（Weight In Motion，簡稱WIM）可以有效幫助我國交通部門整治車輛超載超限現象。目前國內使用較多的動態稱重系統是應變式軸重秤，應變式軸重秤采用的是應變式傳感器，系統的動態測量精度較高，但車輛通過傳感器的速度須小于10 km/h，實際應用中一般為5 km/h，適用于低速動態稱重，在高速動態稱重中誤差較大［2］。除應變式傳感器的動態稱重系統外，還有電容式傳感器、光纖傳感器以及壓電式傳感器動態稱重系統。電容式傳感器，它易受電磁干擾，壽命低，使用一段時間后由于電容器內填充介質變形，需重新校正，在動態稱重系統中應用的比較少。光纖傳感器的制作技術復雜，價格昂貴，目前還處在研究試用階段，在動態稱重系統中并沒有投入實用。壓電式傳感器則具有響應速度快、體積小且易于安裝，使用壽命長，價格低，技術簡單容易實現的優點。本文采用了壓電式傳感器設計了一種動態稱重系統，可以實現高速動態稱重，并且施工簡單，不會對道路結構造成損害。該動態稱重系統由硬件系統與軟件系統組成，其整個系統框架如圖1所示。

圖1　基于PVDF傳感器的動態稱重系統框圖

1　硬件系統設計

1.1硬件系統組成

動態稱重系統主要由壓電薄膜軸（PVDF）傳感器、電荷放大器、數據采集器、地感線圈、工控機等組成［3］。PVDF傳感器的作用是當車輛輪胎作用在它上面時，將力信號轉換為電荷信號并將其輸出；電荷放大器負責將傳感器采集到的電荷信號放大并將其轉換為電壓信號；數據采集卡負責將電荷放大器放大后的模擬電壓信號轉換為數字電壓信號，傳輸進工控機中，再由工控機進行數據處理分析；地感線圈分別安裝在傳感器前方和后方，當車輛通過時，地感線圈分別觸發數據采集卡開始對信號的采集與停止對信號的采集，并將車輛的通過信號傳給工控機計算出車速。

1.2傳感器的選擇

壓電傳感器具有響應速度快的特點，可實現高速動態稱重。壓電傳感器主要分為壓電陶瓷傳感器、壓電石英傳感器和壓電薄膜軸（PVDF）傳感器三類［4］。

壓電陶瓷是具有壓電特性的電子陶瓷材料，與典型的不包含鐵電成分的壓電石英晶體的主要區別是：構成其主要成分的晶相都是具有鐵電性的晶粒。壓電陶瓷的壓電常數很高，一般是石英晶體的幾十倍。在濕度大的環境中壓電陶瓷傳感器的響應特性會變差，甚至失效。實際應用中，壓電陶瓷傳感器在動態稱重方面的應用比較少。

壓電石英傳感器是利用石英晶體的縱向壓電效應將重量信號轉換成電信號的裝置［5］。其量程范圍廣，頻率響應范圍能在低至接近零周，高達十千周的范圍內工作；防水、防砂，不需要維護；剛度大，固有頻率高，動態響應快；時間老化率低，無熱釋電現象，工作可靠性高，壽命長；壓電石英還幾乎不受環境溫度限制，對溫度的敏感性低；具有較好的線性。壓電石英傳感器的壓電特性非常穩定，但很弱，壓電常數小，靈敏度不高，并且壓電石英傳感器的安裝需要用直接埋入路面的方式，因而會受到路面形變的影響，在更換時需要進行路面維修。

壓電薄膜軸傳感器制作的材料為PVDF（聚偏二氟乙烯），是一種新型的聚合物壓電薄膜［6］。其優點在于制作成本低，其膜是薄的、易彎曲的塑料薄膜，其彈性和屈從性是壓電陶瓷的許多倍，并且它易加工和處理，重量輕，具有相當寬的頻率范圍，動態特性與機械性能良好，能夠在急劇變化的環境條件下工作。

通過以上壓電傳感器特性分析，本文選用了壓電薄膜軸傳感器作為動態稱重系統的傳感器。采用由美國MEAS公司生產的Roadtrax BL Traffic SensorsⅠ類WIM壓電薄膜軸傳感器，其型號為2-1005438-Y，由于壓電薄膜軸（PVDF）傳感器在動態稱重時產生的電荷量較少，并且它對電磁信號比較靈敏，所以在動態稱重中須對信號線采取良好的屏蔽措施。

1.3 PVDF傳感器的安裝

為了使壓電薄膜軸（PVDF）傳感器處于較好的工作狀態，又可以對PVDF傳感器進行有效的保護，根據PVDF傳感器的特點，本文設計了一種夾心式的傳感器封裝方法。首先把PVDF傳感器用環氧樹脂固定在一塊軟膠墊上，然后在傳感器的兩邊用與傳感器等厚度的環氧樹脂填充，使其不會有突起，再覆蓋一層軟膠墊在上面，封裝成傳感器部件，最后再將封裝好的傳感器部件固定在路面上，如圖2所示。

圖2　PVDF傳感器的封裝

當車輛行駛過傳感器時，車輛施加在傳感器上的力，可分解為橫向、縱向和垂直方向的力，但只有垂直方向的力是動態稱重所需要的，其它兩個方向的力則會對動態稱重帶來干擾和誤差。車輛在正常向前行駛時，沿傳感器的橫向力可以忽略不計，縱向力的干擾問題可通過采用粘膠固定傳感器部件的安裝辦法來解決。

1.4電荷放大器

一般壓電材料的輸出信號為電荷信號，而且壓電材料自身的電阻是有限的，因此其電荷會慢慢漏掉，需要利用電荷放大器和阻抗變換把信號放大并且轉換為容易測量的電壓信號，如圖3所示為電荷放大器等效電路圖，其中Q為當車輛作用于傳感器時PVDF傳感器輸出的電荷量，Amp是運算放大器，Cinp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，Uout為放大電路的輸出電壓。

圖3　電荷放大器等效電路

根據壓電效應，壓電材料的輸出電荷與對壓電材料的作用力成線性關系，即

其中：△Q為壓電材料的輸出電荷量，△F為作用于壓電材料的特定方向上的壓力，為比例系數。由圖3知，Cf的作用相當于改變了輸入阻抗，根據密勒定理，可將反饋電容Cf折合到輸入端，又取A為運放開環放大倍數，則其等效電容Cf'=（1+A）Cf，該電容與Cinp相并聯，在不考慮正負的情況下，有：

通常A=104～108，因此一般滿足（1+A）Cf＞Cinp，所以有：

由式（1）和（3）得：

式中反饋電容Cf為固定不變的，因此輸出電壓Uout和作用力△F成線性正比關系，從而放大電路實現了電荷信號轉換為電壓信號，并且放大信號的功能。

本系統選用了美國精量公司的LAB AMPLIFIER電荷放大器，該放大器的輸入電阻可達1GΩ，滿足傳感器與電荷放大器的阻抗比。

1.5數據采集器

數據采集器主要負責將電荷放大器轉換得到的模擬電壓信號轉換成為數字信號以便工控機進行數據處理。本系統所采用的數據采集器型號為USB5939，USB5939是一種雙通道采集卡，它的A/D轉換器類型為AD7321，其轉換精度為12位，模數轉換速率達到500 ksps，模擬輸入阻抗達到10MΩ，并且電荷放大器的輸出阻抗較小，所以該A/D轉換器可以與電荷放大器有著良好的阻抗匹配。A/D轉換器的測量精度達到0.1%，在測量精度上滿足整個系統的誤差要求。圖4為USB5939采集卡的實物圖。

圖4　USB5939實物圖

1.6地感線圈

本系統選用直徑0.75 mm的鐵氟龍高溫軟導線制作而成的線圈及伊蘭度公司生產的地感車輛檢測器。當有車輛經過埋設路面下地感應線圈時，會引起相應的電感量變化，通過檢測器進行檢測就可以知道有車輛經過，本系統鋪設有前后兩個地感線圈，通過前后兩個地感線圈的檢測器輸出信號計算出車速和車流量等相關參數。地感應線圈測量精確不受路面路況、天氣氣候等因素的影響，造價便宜，性價比高。檢測器則通過接收地感應線圈電感變化信號，當有車輛經過時，電路閉合，從而向外輸出一個開的開關量信號；當沒有車輛經過時，電路是斷開的，一直向外輸出閉的開關量信號。

1.7工控機

系統選用研華IPC-610L工控機，主板為AKMB-G41，CUP采用的是酷睿四核。研華IPC-610L用戶界面友好，具有良好的可靠性，在粉塵、高/低溫、潮濕、震動等惡劣環境中依然能工作并且具有快速診斷以及良好的可維護性。該工控機還能同時利用各種資源，并支持各種操作系統，多種語言匯編，多任務操作系統，可進行實時在線檢測與控制，快速響應動態稱重檢測狀況的變化，及時進行動態稱重數據采集和數據處理，能在復雜環境下工作，屏蔽外界干擾，保證系統的正常運行。

2　傳感器的鋪設方式與動態稱重算法

動態稱重PVDF傳感器的鋪設方式如圖5所示，其中PVDF傳感器1與公路邊沿垂直，PVDF傳感器2與公路下邊沿形成60°夾角。兩條傳感器鋪設形成一個的夾角，采用該鋪設方式可以得到車輛各種參數，并且可以進行汽車輪跡橫向位置識別。

圖5　動態稱重PVDF傳感器的鋪設

當2軸車輛經過圖5所示的PVDF傳感器時，可獲得兩個傳感器的輸出波形分別如圖6、圖7所示。

圖6　PVDF傳感器1的輸出波形

圖7　PVDF傳感器2的輸出波形

如圖6所示，t1是車輛前輪壓過PVDF傳感器1時產生的信號峰值時間，t2是車輛后輪壓過PVDF傳感器1時產生的信號峰值時間。如圖7所示，在t3和t4時的信號峰值分別是車輛前軸右輪胎和前軸左輪胎壓過PVDF傳感器2時產生的，在t5和t6時的信號峰值是分別是車輛后軸右輪胎和后軸左輪壓過PVDF傳感器2時產生的信號。由這兩個傳感器的輸出信號可以測出車重。

當汽車車輪壓上傳感器時，傳感器的電壓輸出從零上升到峰值，當車輪離開傳感器時，輸出從峰值降到零。脈沖寬度在9 ms～19 ms左右，當汽車行駛速度越快時，脈沖寬度就越窄，由于車輛軸重與傳感器輸出的電壓信號積分面積和速度的乘積之間具有較好的線性關系［7］。所以車輛軸重載荷采用面積積分法來確定，面積積分法的計算方法如下（5）所示，dt，為采集的電壓信號對時間的積分；ta為電壓信號上升開始時間；tb為電壓信號下降結束時間；車速v由地感線圈測得。

系統運行前需要先對調整系數C進行標定。對于壓電式動態稱重系統來說，傳感器固定的程度、路面的情況的不同均會影響C值。在給定W的情況下通過試驗對C進行標定，求出的大?。?/p>

C=W/（S·v）（6）

利用車輛壓過PVDF傳感器1可以分別得到前軸重與后軸重，將前后軸重相加便得到車輛總重，當車輛壓過PVDF傳感器2時可測各車輪重，將前面兩個車輪重相加便得到前軸重，同理可得后軸重，前后軸重相加便得到了車輛總重。最后取兩個傳感器所測車輛總重的均值為車輛重量。由此可獲得該車輛的重量信息，實現動態稱重。通過取兩個傳感器所測車輛總重的均值可以提高稱重精度。與此同時。前后軸距，左右輪距以及汽車輪跡橫向位置也可以通過計算得到，其計算公式如下：

取前后軸距為L1，則

左右輪距為L2，則

右輪距公路下邊緣的距離為S1，則

左輪距公路下邊緣的距離為S2，則

通過S1與S2從而得知汽車輪胎行駛在公路上的位置，從而可實現對輪跡橫向位置進行監測。

結合軸距、輪距以及車輛輪跡橫向位置參數，可以幫助識別出車型，按照車型分類標準和超重管理規定，可以有效地判別該車輛是否超載，并統計出路面不同位置上的車流量，幫助探究實現路面的安全運營和壽命評估。

式中：W為汽車軸重；C為調整系數

3　動態稱重系統的軟件設計

本系統的軟件設計主要包括：主程序設計、數據采集、數據處理、顯示程序等。軟件的設計要遵循模塊化、用戶化、開放性和網絡化、實用經濟性等原則。在本系統中，軟件設計采用了c++語言及matlab語言進行軟件編寫，c++程序設計具有開發時間短，效率高，可靠性高，所開發的程序更強壯的優點。由于c++編程的可重用性，可以在應用程序中大量采用成熟的類庫，從而縮短了開發時間。matlab則具有強大的數據處理和數據顯示功能，數據是matlab操作的主要對象，可靠的數值計算和符號計算功能、強大的繪圖功能、簡單易學的語言體系以及為數眾多的應用工具箱是matlab區別于其他科技應用軟件的顯著標志。

通過c++語言編寫AD7321的數據采集程序，并將采集到的數據傳入matlab編寫的程序中進行處理，通過小波去噪，對波形進行積分并采用上述公式求得車輛重量及車輛各參數，然后在前面板上顯示通過車輛的信息，并進行保存。

系統軟件實現的功能有：通過地感線圈的觸發來實現車輛的分離；計算車軸重量；根據波形數計算車軸軸數，求得輪距、軸距；通過地感線圈對速度信息進行計算；存儲計算數據。軟件設計流程如圖8所示。稱重軟件界面如圖9所示。

圖8　軟件流程圖

圖9　稱重軟件界面

4　動態稱重試驗

為了檢測該動態稱重系統的稱重精度，在校內進行動態稱重試驗，選取了一段車流量少的水泥道路，但由于道路長度較短，所以能達到的最高測試速度有限（≤30 km/h）.在試驗中選用電動自行車作為行駛車輛來進行動態稱重的試驗，讓電動自行車分別搭載不同重量物件來進行不同速度下的動態稱重，記錄下動態稱重的數據，然后與靜態稱重的稱重結果對比。由于電動自行車前后軸每軸只有一個車輪，由此只按式（5）對系統進行稱重試驗及車重計算，取兩個傳感器所測電動自行車重量均值為最后所得的車重。

試驗設計為兩個工況。在工況一當中，電動自行車的重量在靜態下稱量為152 kg，其中前軸重量在靜態下稱量為54 kg，后軸重量在靜態下稱重為98 kg，電動自行車行駛的速度分別為10 km/h，20 km/h，30 km/h.

工況二中，電動自行車的重量在靜態下稱量為214 kg，其中前軸重量在靜態下稱量為76 kg，后軸重量在靜態下稱重為134 kg，電動自行車行駛的速度分別為10 km/h，20 km/h，30 km/h.

兩工況稱重結果如表1所示，表中分別列出了在10 km/h，20 km/h，30 km/h三種速度下，工況一、二在電動自行車行駛時的前軸、后軸及整車重量的測量結果，同時還計算出兩工況下電動自行車在行駛時的前軸、后軸及整車重量與靜態時的前軸、后軸及整車重量的相對誤差大小。

表1　動態稱重試驗測試數據

分別選取工況一前軸，工況一后軸，工況一整車的重量以及工況二前軸，工況二后軸，工況二整車的重量對應不同速度10 km/h，20 km/h，30 km/h取得的相對于靜態重量的誤差，繪制出在不同速度下兩工況的前軸、后軸及整車重量測量的誤差分布，如圖10所示。

圖10　相對誤差分布圖

根據工況一、二的試驗數據以及相對誤差分布圖可以發現，試驗得到的動態稱重測量結果相對于靜態稱重測量的誤差在15%內，表明稱重系統滿足設計要求。

5　結束語

壓電薄膜軸（PVDF）傳感器具有車輛通過速度高，安裝與維護方便等優越性。本文基于壓電薄膜軸傳感器的動態稱重系統經過合理設計，選擇合理配套的放大器及A/D轉換器等硬件，同時設計好系統相應的軟件平臺，動態稱重系統可以得到較好的測試結果，試驗結果滿足工況要求，此方案可以較好的實現對車輛的動態稱重。在進行進一步研究及設計改進后，本系統可為今后交通部門整治車輛超載超限實現高速動態稱重提供較好的技術手段。

［1］賀曙新.車輛動態稱重技術的歷史、現狀與展望［J］.中外公路，2004，24（06）：104-108.

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［3］張建.高速公路動態稱重系統的研究［D］.西安：長安大學，2011.

［4］孫秀雅.基于壓電薄膜軸傳感器的動態稱重系統的研發［D］.合肥：合肥工業大學，2014，3.

［5］薛巖波.水泥壓電傳感器信號分析處理系統的研究與開發［D］.濟南：濟南大學，2010，5.

［6］Taek M.Kwon.Development of a Weigh-Pad-Based Portable Weigh-In-Motion System，2012，12.

［7］史航，趙永，張士雄，等.一種壓電薄膜軸動態稱重系統數據采集方法的介紹［J］.科技應用，2006，35（3）：29-33.

Dynamic Weighing System based on PVDF

YANG Jun-fu，WEI Jun，QIN Li-geng，ZHANG Meng-jun，XIE Jin-quan，LIU Chong-zhang
（The Collage of the Mechanical Engineering of Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

Aiming highway vehicle overloading problem，we designa dynamic weighing PVDF-based vehicle system. The article firstly introduces the dynamic weighing system's hardware system，then compares the three types of piezoelectric sensors'advantages and disadvantages，the installation of PVDF sensor is describedbriefly，the choice of hardware such as charge amplifier and signal collector is presented，and the design flow of the software system is analyzed.Finally，we design an experiment of dynamic weighing system，and we have verified the effectiveness of the system.

dynamic weighing system；piezoelectric sensors；hardware；software；effectiveness

TB21

A

1672-545X（2016）08-0011-06

2016-05-13

廣西科技攻關項目（桂科攻1355008-10）

楊俊夫（1992-），男，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向：測試技術與動態稱重。