便攜式車輛軸載譜動態采集系統研究

安 平，楊秋菊，劉卓雨，丁海洋，韓文揚

（1.日照公路建設有限公司，山東 日照 276800；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

通過在公路上安裝動態稱重系統準確獲取車輛荷載對公路設計、施工及管理部門都有重要的指導作用[1]。已有的動態稱重系統多需要在路面上開鑿溝槽[2-3]，在溝槽內布置傳感器，這種安裝方式存在傳感器安裝不便的問題，使用過程中如果傳感器損壞，更換過程極為繁瑣，不易實現。

1 傳感器安裝方式對比研究

1.1 壓電膜傳感器特性

壓電膜是一種新型的高分子聚合物傳感材料，具有良好的彈性和較寬的頻率范圍，適合在急劇變化的環境中工作。動態稱重系統中使用的壓電膜傳感器為條狀傳感器，車輛輪胎壓過傳感器時，產生一個與輪胎壓力成正比的電荷信號，且輸出信號周期與輪胎停留在傳感器上的時間相同，具有很好的動態響應性[4]。

1.2 傳感器安裝方式測試方法

傳感器的安裝方式對信號的產生有著重要的影響，傳統安裝方式大多采用在道路上切槽，將傳感器埋在路面以下合適的位置，然后用灌封材料填充。便攜式安裝則采用在道路表面貼的方式，這種安裝方式簡單易操作，對路面損傷小，拆卸方便。在不同的安裝方式下采用數據采集卡對車輛通過傳感器的稱重信號實時采集。

1.3 傳感器安裝方式對比分析

便攜式安裝在道路表面方式：（1）直接將傳感器用膠帶粘貼在路面上；（2）先將傳感器粘貼在鐵板上，然后將鐵板釘在路面上，壓電膜傳感器與車輛行駛方向垂直鋪設。

測試系統安裝完成之后，用兩軸車進行測試，車速保持在40 km/h，勻速通過兩個傳感器。圖1為兩種安裝方式下采集的信號。方式一信號幅值小，安裝方式對傳感器變形量有一定的衰減作用，導致信號幅值降低；方式二在車輪接觸傳感器時有短暫的高頻干擾，對比方式一，信號的幅值比較高。方式二雖然有較大的高頻干擾信號存在，但信號較為明顯，更適合信號采集與處理。

圖1 傳感器兩種安裝方式對比

方式二雖然信號明顯，但也存在高頻干擾。車輛壓過時引起鐵板振動并傳遞至傳感器，進而對輸出信號產生影響。為了減少干擾，系統在方式二的基礎上設計了另外安裝方式：方式三，在鐵板下打膠；方式四，在鐵板底部加膠布；方式五，在鐵板底部加膠布并打膠。采用方式二至方式五，在車輛行駛方向垂直隔開距離鋪設，采用同樣的兩軸車進行試驗測試，并采集稱重信號，見圖2。經過對比發現，方式三能有效減少鐵板振動，車輪接觸鐵板時沒有明顯的高頻振動，輸出信號比方式二要平滑。方式五信號也同樣沒有高頻干擾信號，但產生的稱重信號中有稍微的波動。方式四在信號產生之前也出現高頻干擾，信號同樣存在起伏波動，影響稱重精度。綜合五種安裝方式，方式三的稱重信號幅度較大且平滑沒有起伏波動。

圖2 四種安裝方式稱重信號對比

2 車輛軸載譜動態測試系統設計

2.1 硬件設計

壓電膜傳感器輸出電荷信號，首先通過電荷放大電路對信號進行放大，將電荷信號轉化為電壓信號，通過信號濾波電路對信號進行濾波處理，提高信噪比。將經過放大及濾波處理后的信號進行分析處理得到車速、車軸數量、每個車軸的軸重數據、軸距及車型分類等信息。

2.2 軸重計算方法

同一車軸不同車速下，經過傳感器時采集的稱重信號見圖3，車輛行駛速度越快，單個車軸產生的信號周期就越短，而峰值越大。因此計算經過車輛的軸重時，需要計算動態載荷產生信號的積分值和車輛行駛車速。車速可以通過傳感器安裝間距L（m）和車輛的同一車軸經過兩個傳感器的時間T（s）計算，即：V=L/T。當車軸分別經過兩個壓電膜傳感器時，會在不同時間段產生兩個相同的脈沖信號，兩個脈沖信號出現時間間隔即為時間T。為了探究信號積分值和車速與軸重之間的關系，采用安裝方式三對兩路壓電膜傳感器進行測試，將采集到的模擬量信號進行積分計算，用積分值與車速的乘積表征車輛的軸重數據。

圖3 不同車速下的稱重信號對比

選用4輛不同軸重的兩軸車輛進行測試，車速在20～40 km/h范圍內，通過計算得到車輛實際車速，試驗選用4輛車的前后軸實施加載,一側輪胎重量分別為848 kg和1 075 kg、612 kg和430 kg、635 kg和385 kg、403 kg和272 kg。圖4是積分值與車速的乘積和軸重之間的關系曲線，可知，積分值與車速的乘積和軸重之間近似線性關系，擬合出直線方程為y=53.6+x/12 249。

測量軸重與實際軸重之間的誤差分布見圖5，測量軸重按照關系式進行計算?？梢钥闯?，誤差主要集中在-10%～0之間，系統測量誤差整體呈現隨軸重增加整體呈偏小趨勢,測量結果誤差均能控制在±15%之內。由于部分試驗車輛軸重較小，測量誤差相對較大且分布范圍較廣。本系統主要關注貨車的軸重數據，此類車輛的軸重較大，采用積分值與車速的乘積計算車輛軸重將具有更好的使用效果。

圖4 積分值與車速乘積和軸重關系

圖5 測量軸重與實際軸重的誤差分布

積分值與車速相乘計算方法具有較小的測量誤差，信號積分值與車速乘積和軸重之間有著良好線性關系，因此信號積分值和車速與調整系數三者的乘積作為軸重測量值，通過標定調整系數提高測量精度。

式中：W—軸重，t;C—調整系數，v—車輛行駛車速，km/h，A—稱重信號的積分值，t。

3 現場道路分析測試

測試選用車輛為3軸車，分別在空車、半載和滿載三種情況下測試車輛各車軸的軸重數據，見表1。車輛在三種情況下以45 km/h和55 km/h的速度經過傳感器，測試系統共測試18組軸重數據。圖6為測量軸重與實際軸重的誤差曲線，可見，測試的18組軸重數據誤差范圍均在±15%，測試結果符合國際標準[5]，能夠滿足動態稱重的精度要求。

表1 不同載重下單軸標定軸重

圖6 不同車速下軸重測量誤差曲線

4 結語

基于壓電膜傳感器提出了一種便攜式車輛軸載譜動態采集方案，對傳感器快速安裝方式進行了研究，提出了多種方式，通過安裝測試及采集信號分析對比，確定了在鐵板下打膠更能有效獲得稱重信號，提出了積分值乘以車速的軸重計算方法。通過實際道路現場安裝測試，得到了測量軸重與實際軸重的誤差在合理的范圍之內，驗證了計算方法的有效性，能夠滿足實際道路測量的要求。