高速公路上，一般是怎样对正在行驶的车辆进行侧重的呢？目前对车辆的载重监测有静态称重和动态称重两种方法。静态称重虽然精度高, 但其规模较大, 引人注目, 往往使许多超载车辆易于逃避, 同时静态称重还容易造成交通不畅, 难以发挥高速公路的优越性, 因此常采用动态称重。
车辆动态称重的主要方式有两种:整车计量和轴计量。应用整车计量方式, 需要比较大的秤台, 这大大增加了工程造价和难度, 所以这种方式使用得越来越少。目前较为流行的动态汽车称重系统是轴重称量, 既分别测出车辆的各个轴的轴重, 再由测试系统计算出整车重量。
当汽车以一定的速度通过称重台面时, 不仅轮胎对台面的作用时间很短, 而且作用在台面上的力除真实轴重外, 还有许多因素产生的干扰力, 如车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动等, 这给动态汽车称重系统实现高精度测量造成很大困难
现代称重传感器采用一种新的传感器布局方法, 来得到更接近真实轴重以求得动态车辆的重量。这种方法即是应用多个压电传感器, 尝试新的布局方法, 来得到动态称重信号的波形, 使测量精度得到改善, 来达到较为理想的目的。
第一动态称重信号的模型归纳
动态称重信号受到多个因素的影响, 重量信号中有很多噪声存在, 其模型可以用下式来表示
式中: w静态载荷, n是噪声的数量, Ai是不同噪声的振幅, fi是各个噪声的振动频率, ji是各个噪声的初始相位值。从上式来看, 噪声的种类有多种, 其幅值、振动频率, 初始相位均不一样, 在各个噪声中, 又分为高频和低频, 高频噪声可以用一些滤波算法进行滤除。对于低频噪声, 主要是由于车身的振动造成[6], 把它看成一个动态载荷。研究对象可以简化为下述表达式
这个表达式是静态载荷与动态载荷的叠加。A0、f0、j0分别是动态载荷的振幅, 振动频率以及初始相位值。我们的多传感器布局就是基于此式来进行。
第二 时序步进法测量汽车轴重信号
动态轴重信号的频率大体在2~15Hz[6]之间, 当车辆的行驶速度达到一定时, 该方式不能完整的测量一个振动周期的信号, 而由于传感器台面过宽, 且传感器的材质与路面不同, 当汽车行驶上传感器台面和离开传感器台面的瞬间, 会出现阶跃响应 现象[8]。
在车的行驶方向上, 连续不等间距的布置几个传感器, 达到尽量获得真实轴重的目的。在布置的方法上, 我们选择应用时序非线性步进法来进行传感器的布置。
第三 压电传感器的工作原理
对压电材料施加机械力时, 引起它们内部正负电荷中心相对位移, 产生极化, 从而导致介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷。在一定应力范围内, 机械力与电荷呈线性可逆关系, 这种现象就是压电效应或正压电效应。压电电缆正是利用压电效应的原理, 当轮胎经过压电传感器时, 传感器受冲击产生电荷信号, 经过电荷放大和电压放大之后,即获得所需电压信号, 其幅度与所受压力成正比, 信号的周期和轮胎停留在传感器上的时间相同。
随着车辆通过速度的增加, 车辆通过压电传感器的时间在缩短, 信号波形变窄。信号波形和横轴所夹的面积在减小, 但和相应的速度的乘积却恒为一常数, 即该值就是与车辆载荷成正比的常数。在这段曲线下的面积A和车辆速度V相乘,即得称重结果。
, 式中C为调整系数, 由速度决定, 可利用已知重量为WR的车辆通过压电电缆试验后确定, C=WR/W。
本文采用瑞士Kistler公司的产品Linears来进行设计, 此传感器各项性能优良, 其宽度为50 mm。
第四 应用压电传感器的个数确定
在第一点中, 研究模型有4个变量, 要恢复这个模型, 传感器组需要4个传感器进行合理的布置。因为测量误差的原因, 在布局合理的情况下, 有2个或者更多传感器的测量结果可能会非常相近。为了防备此类情况的发生, 多一个或者2个传感器, 以增大传感器组的融合程度。现代称重传感器拟选取5个传感器来进行设计, 希望能以较少的传感器进行比较理想的布置。因此现代豪方称重传感器销售基地着重推出了全新的国际上最新的称重传感器品种以及款式，任你挑选！
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