基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用研究

李繼亮

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210017)

1 壓電薄傳感器動(dòng)態(tài)稱重

隨著傳感器技術(shù)、信號傳輸與存儲(chǔ)技術(shù)以及數(shù)據(jù)分析的快速發(fā)展，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)日益成熟，該系統(tǒng)可以及時(shí)采集結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁損傷，為橋梁維護(hù)提供技術(shù)依據(jù)，輔助橋梁日常交通管理，從而確保橋梁運(yùn)營安全[1-2]。

車輛軸載數(shù)據(jù)監(jiān)測是中小橋梁結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評價(jià)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，也是評估超載的關(guān)鍵，超載嚴(yán)重會(huì)造成橋梁嚴(yán)重?fù)p傷[3]。建立一套能夠在中小橋梁上布設(shè)，全天候監(jiān)測的、價(jià)格低廉的、精度較高的實(shí)時(shí)軸載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行全天候軸載數(shù)據(jù)采集，對橋梁的建設(shè)、輔助養(yǎng)護(hù)和管理具有重要意義。壓電聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(壓電薄膜)，在收到拉伸或者彎曲的強(qiáng)制變形時(shí)，薄膜上下電極表面之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(電荷或電壓)，電信號的大小和變形程度成比例。對壓電薄膜縱向施加一個(gè)很小的力時(shí)，橫向上會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力。因此，壓電薄膜對動(dòng)態(tài)應(yīng)力非常敏感，28μm厚的PVDF的靈敏度典型值為10～15mV/微應(yīng)變。因此適用于大車流量，高速車載的動(dòng)態(tài)稱重[4]。此外，PVDF 壓電薄膜傳感器具有體積小，響應(yīng)快，安裝維護(hù)方便，成本低廉的獨(dú)特優(yōu)勢，是近年來興起的廣受歡迎的一種車輛動(dòng)態(tài)秤重技術(shù)。能夠?qū)崿F(xiàn)在間斷交通的情況下大量車流的準(zhǔn)確稱重，大幅提高車輛稱重的效率。本系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用具有巨大的工程應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)組成

基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、傳輸子系統(tǒng)、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。系統(tǒng)以壓電薄膜傳感器作為采集終端，結(jié)合信號波形特性創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集模型，獲取高速行駛車輛的軸重、軸數(shù)、軸距、車速、車輛總重等其他交通信息[5]，通過傳輸子系統(tǒng)將前端采集數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)車輛軸載與超限數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)。

2.1 前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

稱重傳感器采用目前應(yīng)用于高速動(dòng)態(tài)稱重的壓電薄膜傳感器，壓電薄膜材料是一種經(jīng)過強(qiáng)電場極化后將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的材料，其外觀如圖1所示。車輛經(jīng)過壓電薄膜傳感器時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)與施加到傳感器上的壓力成正比的模擬信號，傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的電子脈沖。稱重的檢測原理就是對傳感器受力產(chǎn)生的信號積分。為采集車速信息，通常在每條車道上安裝兩條傳感器(一般相距3m，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整)，傳感器之間距離已知，用距離除以兩個(gè)傳感器信號的時(shí)間周期，即可得到車速[6]。

圖1 壓電薄膜式稱重傳感器

前端數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由太陽能電源模塊、處理器模塊、信號調(diào)理等模塊組成，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集車輛通過傳感器時(shí)的軸重、車輛總重與車速等信息。采集終端硬件架構(gòu)如圖2所示。太陽能電源模塊能夠滿足10d以上的系統(tǒng)供電，布設(shè)地點(diǎn)可以不受供電條件限制。

圖2 采集終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要解決前端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行牡耐ㄐ欧绞剑枰x擇高效、可靠的通信線路，傳輸子系統(tǒng)采用GPRS傳輸模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到后臺(tái)數(shù)據(jù)中心。傳輸模塊的設(shè)計(jì)需要對采集終端通信數(shù)據(jù)量進(jìn)行分析，按照傳輸需求設(shè)計(jì)[7]。傳輸子系統(tǒng)中可以通過配置參數(shù)配置定時(shí)采集發(fā)送，也可通過觸發(fā)某種條件發(fā)送。

2.3 后臺(tái)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

后臺(tái)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測、軸載數(shù)據(jù)查詢、超限數(shù)據(jù)查詢、軸載數(shù)據(jù)分析、超限數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理六大模塊。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)與分析[8]。用戶可對前端設(shè)備采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并可按照安裝位置、車型、時(shí)段等方面進(jìn)行車輛軸載與超限數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，還能對前端設(shè)備電池電量與路面溫度進(jìn)行監(jiān)控[9-10]。后臺(tái)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)界面如圖3所示。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

在內(nèi)場驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，選擇在S249宿遷至新沂段葉莊收費(fèi)站辦公區(qū)以北150m處安裝公路軸載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)布設(shè)成功后，選擇標(biāo)準(zhǔn)車輛對系統(tǒng)自行標(biāo)定，標(biāo)定流程如下：

(1)選車：選擇標(biāo)定車輛，要求載貨均勻，車況良好。

(2)稱重：標(biāo)定車在地磅上靜態(tài)稱重，記錄重量值作為參考。

(3)標(biāo)定：標(biāo)定車以不同速度(30～70km/h)勻速駛過斷面，每個(gè)速度下行駛3遍，系統(tǒng)調(diào)至標(biāo)定工作狀態(tài)，采集每次行車的動(dòng)態(tài)重量。

(4)計(jì)算：記錄下各次采集值，并與基準(zhǔn)重量值比較，擬合得出靈敏度系數(shù)，保存至系統(tǒng)軟件。

(5)校驗(yàn)：標(biāo)定車以不同速度(30～70km/h)駛過斷面，每個(gè)速度下行駛1遍，將系統(tǒng)輸出值與基準(zhǔn)值比較，以驗(yàn)證標(biāo)定效果。

圖3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測頁面

(6)應(yīng)用：若標(biāo)定后系統(tǒng)誤差在合理范圍內(nèi)，則接受此次標(biāo)定系數(shù)，系統(tǒng)切換至正常采集模式，即可應(yīng)用新標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行車輛軸載信息采集和上傳。

稱重所得的標(biāo)準(zhǔn)軸重為：2.01t，4.98t，5.01t，10.03t，15.01t，19.98t，24.95t，29.94t。采用以上軸重車輛校驗(yàn)壓電薄膜傳感器精度。將每個(gè)速度下的均值繪制散點(diǎn)圖如圖4(a),并進(jìn)一步計(jì)算相對軸重誤差值，作箱型圖如圖4(b)。

圖4 軸重標(biāo)定結(jié)果

由圖4可知，采用壓電薄膜傳感器實(shí)測所得的軸重?cái)?shù)據(jù)和校驗(yàn)車輛的標(biāo)準(zhǔn)軸重非常接近，最大誤差不超過±3%，且相對誤差整體上隨車速增加具有遞增趨勢，這是由于較高車速下，車輛對地面沖擊效應(yīng)更為顯著，對測試結(jié)果存在不良影響。但70km/h速度以下的整體精度仍大于96%，滿足工程應(yīng)用要求。

此外，通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)，對壓電薄膜傳感器軸載系統(tǒng)的其他技術(shù)參數(shù)也進(jìn)行了詳細(xì)的評估，取得本系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

工作模式:支持單車數(shù)據(jù)上傳、單車波形上傳、定時(shí)打包上傳、手動(dòng)采集車輛信息等4種工作模式。

軸載測量范圍: 0～30t/軸；軸載測量精度:≥93%。

速度測量范圍: 5～200km/h；速度測量誤差:±1km/h。

軸間距測量范圍: 0～20m；軸間距測量精度: >98%。

車長測量范圍: 0～25m；車長測量精度: >95%。

車流量計(jì)數(shù): >98%；車型分類:機(jī)動(dòng)車車型一級分類；跨道識別率:≥90%。

傳感器一致性誤差:≤10%；傳感器溫度漂移靈敏性:<0.2%。

系統(tǒng)穩(wěn)定工作的環(huán)境參數(shù)：工作溫度為-20℃～+80℃，工作濕度為0～90%，

工作時(shí)間：7×24h；無障礙運(yùn)行時(shí)間(MTBF)：≥20000h；使用壽命： 5年以上。

試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)車輛受到路面溫度和行車速度的影響，后期將以一年為采集周期，通過進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)車型的數(shù)據(jù)測試修正采集模型。通過公路軸載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在現(xiàn)場長期運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證從數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收、存儲(chǔ)到分析五大過程。

4 總結(jié)與展望

重點(diǎn)介紹了壓電薄膜傳感器在公路軸載數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用，包括基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)組成，各模塊功能；進(jìn)一步展示了后臺(tái)監(jiān)測系統(tǒng)，最后給出了系統(tǒng)驗(yàn)證的步驟和系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)。基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)造價(jià)低廉，開發(fā)安裝方便，值得類似項(xiàng)目借鑒應(yīng)用。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測量精度，可采用斜率閾值法對采集的波形進(jìn)行零點(diǎn)參考值確定，并利用速度與曲線面積求得軸重重量，并開發(fā)信號采集電路。同時(shí)需要分析壓電薄膜軸重測量精度受溫度和速度的影響程度，建立軸重?cái)?shù)據(jù)與溫度和速度之間的誤差模型，研究軸重?cái)?shù)據(jù)與兩者之間的補(bǔ)償方法。綜合來看，本稱重系統(tǒng)原理明確，安裝方便，后臺(tái)系統(tǒng)完善，同時(shí)精度較高，可以很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)稱重的目的。