集成化应变称重系统研究与应用

路新一

(太原理工大学物理学院,山西长治 046000)

集成化应变称重系统研究与应用

路新一

(太原理工大学物理学院,山西长治 046000)

根据震动的瞬时非线性特点,提出采用振动信号的本征模函数对实测信号进行特征频带识别。根据压力弹性传感器分布,确定应变片的的分布区和具体位置,组成差动全桥电路,提高了偏载精度。对提取后的信号进行计算后能得到准确的轴重值。

动态称重 信号处理 集成化称重板 频率响应

因货运卡车超载而导致公路路面严重损坏的报道经常见诸报端,在国内存在矿产资源的地方在某些国道主干线以及主要承载大宗货物运输的公路上,车辆超载运输对路桥基础、交通安全设施造成了极大的危害。50%的特大交通事故与超载有直接关系,70%的道路安全事故是由于车辆超载引发的。针对日益严重的公路车辆超载状况,交通部2000年以2号令形式颁布了《超限运输车辆行驶公路管理规定》,对超载现象进行治理。

目前获取车辆重量信号的常用动态称重传感器主要有:压电薄膜式、电容式和弯曲盘式。本项目旨在研制一种通过车轮将重量传递给称重装置,高精度动态称重。可置于任意路面,操作简单、便于稽查、随时测量。集成化应变称重系统是动态称重系统的核心部分,其中动态响应、偏载精度特性直接决定整个动态称重系统的工作性能与测量精度。

该集成化动态称重仪的设计要求有:(1)轮胎作用在称重仪上时,应变片测量区的所有应变总和误差控制在允许的1%内。(2)能通过测量分析动态车轮作用力,估算出车辆的车速、质量等。(3)有一定的超载冗余度。

1 集成化动态称重仪设计

图1

图2

集成化称重仪的工作原理,是通过传感器弹性变形将载荷检测出来,再通过数据采集卡采集信号,将采集后的信号送至处理器TMS320处理,最后显示车辆的静态载荷。该称重系统采取双通道数据采集。称重板传感器也是弹性元件,对传感器应变产生的电压信号进行采集,材料的选择对测量精度有着重要的影响,同时要对称重仪的高度作要求,以减少高度引起的静态质量误差。

设计系统如图1所示。其中核心处理器TMS320,采用新的C54X+CPU,拥有40位算术逻辑运算单元,其17*17位并行乘法器与40位专用加法器相连,非常适合数据吞吐量大的动态称重系统。芯片上集成有一个12位ADS,具有16通道复用输入接口,最快转换周期位60ns。其串口支持16级接受和发送FIF0,有一个16位波特率选择寄存器,灵活性极大。AD/DA转换选择转换速度快、精度高的数模转换芯片AD7714。

图3

图4

图5

图6

图7

表1

电阻应变式称重传感器是基于这样一个原理:弹性体在外力作用下产生弹性形变,使黏贴在它表面的电阻应变片也随之产生形变,电阻应变片形变后,它的阻值将发生变化,再经相应的测量电路把这一电阻变化转化为电信号,从而完成将外力转化为电信号的过程。

实际集成化成中班的几何模型如图2所示,在底板的开槽处黏贴应变片并且通过合理的组桥就可以形成集成化动态称重系统。

在称重板的开槽区域采用集中贴片,两应变片串联作为差动全桥的1个桥臂,4个桥臂组成差动全桥电路,如图3。

此方案可明显提高贴片的准确率,并能有效降低偏载影响程度。采用这种组桥方式可提高集成化称重板的线性应变,不必保证受拉应变与受压应变变化相同,灵敏度比单臂变化量提高4倍,且消除了温度效应。在设计中为了使负荷得到平衡和很好的缓冲,在集成化称重板刚性支承处装有弹性缓冲装置,弹性支撑点分别与相应的应变区组成相应的独立电桥,这样可以起到补偿电路的作用,从而进一步降低偏载的影响程度。

2 信号处理

EMD是1998年提出的基于经验的模态分解方法。该方法认为,任何信号都是由不同的固有模式函数IMF的合成,因此可以将信号中的各阶IMF分解出来。把复杂信号函数分解为有限的内禀模态函数之和,每一阶IMF是随信号本身变化而变化的,而残余量反映了信号的偏移量或稳态值。

每一阶段的IFM有如下方法筛选到:

(1)对于要分解的信号y(t),找出y(t)上所有的极值点,用线条将所有的局部极值连接起来形成包络曲线,确保所有的点在上下包络曲线之间。定义上下包络曲线的均值为x(t)。y(t)与 x(t)的差定义为z(t)。如果h(t)满足以下两个条件:①在任一点处上下包络曲线的的均值为零;②极值点的个数与穿越零点的次数相等。如果结果不满足上述条件,则重新进行筛选,直到选出符合条件的z(t)。

(2)假定得到满足要求的z(t),设定第一阶段的IMF分量为g(t)。然后将y(t)与g(t)的差h(t)作为新的信号重新作上述处理,得到第二阶段的IMF分量。

根据这个思路将EMD用于轴重信号处理,滤除信号中的动态部分,而求出与真实轴重信号吻合的稳态部分。

根据EMD方法原理,首先要确定采样信号中轴重信号的范围,原始采样信号范围如图4所示。信号从零上升到第一个极大值点到最后一个极大值点回到到零点反映了载荷从接触称重仪到进入称重仪,最后脱离称重仪的过程。由于筛选采样过程中的有效信号为载荷有效通过动态称重仪时触发的信号,故对采集信号进行截取,得到有要的处理信号,如图5所示。

采用EMD方法对被处理信号进行分解,有MATLAB中编写M函数,如图6所示。以车速为4.95km/h为例进行EMD分解。待过程平稳提取剩余分量h(t),如图7所示。

5组实测数据,每组32万采样点数,均以上述信号为例,分析结果如表1所示,表中显示在车速5～8km/h范围内,误差为3%。

3 结语

本课题开发了用于公路车辆超载检测的智能集成化车辆行驶称重仪,本称重仪是由称重传感器、支撑、称台三部分组成的集成化称重系统,本系统的数据采集、处理部分是由稳压系统、集成化称重板、A/D采集系统、放大系统组成。每辆车可实时采集包括单轴重、轴数、轴间距、总轴距、车长、车速等主要交通数据,是目前测量精度较高的系统之一。

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