基于压电石英传感器的动态称重系统的设计

周正飞，鲁雄文，谭永营

（1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064；2.装甲兵工程学院，北京 100072）

基于压电石英传感器的动态称重系统的设计

周正飞1，鲁雄文1，谭永营2

（1.长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064；2.装甲兵工程学院，北京 100072）

国内公路运输的超重现象十分严重，车辆的超载运输对交通安全，运输市场，路桥基础设施等造成极大危害；车辆动态称重技术作为一种有效的车辆超载管理手段，取得了较好的效果。本文设计了一种基于压电石英称重传感器的动态称重系统，通过传感器采集信号，巴特沃斯滤波器低通滤波，确定激振频率和截止频率，测量车辆轴数，通过计算得出轴重，进而得到整车重量。试验结果表明，本系统具有测量精度高、耗时短、效率高等优点；有一定的实际应用价值。

动态称重；数据采集；信号处理；硬件设计；软件设计

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-66-03

引言

随着我国交通运输业的不断发展，货运部门为提高运输效率和经济效益，改装货车车身，后桥和轮胎大幅度提高装载能力[1]。这不仅诱发了大量的安全事故，严重破坏了路桥基础设施，并产生了更加严重的噪声，振动，空气污染等环境问题。传统的静态称重系统已不能满足高速公路行驶车辆的称重；因此，速度快、准确度高、成本低的车辆动态称重系统对公路交通部门加强公路运输的管理，实施超限处理，保障行车安全，降低公路的养护成本等方面有着显著的社会效益和经济效益。

1、压电石英传感器动态称重系统的硬件设计

1.1 动态称重系统的基本组成和工作流程

本系统采用的是轴计重的动态称重方式；即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算出整车的重量。系统主要由称重传感器、信号采集系统（包括数据中心处理器、信号处理器）、轮轴识别器、红外光栅车辆分离器、地感线圈、车辆检测器等组成[2]。当车辆经过秤台时，传感器信号输入到数据处理中心，对车辆重量数据进行处理，计算出每个轴的重量和总重，当车辆驶出称重区时，地感线圈与红外光栅按顺序发出信号，表示一辆车称重工作结束。信号处理器根据轮轴识别传感器的信号判断出每轴的轮胎数、轴型及车型，从而得到轴型及规定的标准值，与实测值比较得到超限结果。地感线圈信号为车辆称量的收尾信号，保证车辆连续进入称重区时，准确的区分每辆车的检测数据。地感线圈与红外光栅完成正常行驶与倒车的检测，确保数据的准确性，并对车辆以外的物体和人通过时进行判断，避免出错。当红外车辆分离器与地感车辆检测器有一个发生故障时，系统仍能正常工作。其工作流程如图1所示：

1.2 动态称重系统的数据采集系统

汽车是一个多自由度的复杂动力系统，由于路面的不平度、车辆自身、轮胎的弹性，发动机的振动以及驾驶员操作的不稳定等都会影响数据采集的准确性。因此，在称量的过程中，选择适当的传感器和设计合理的数据采集系统可以有效提高动态称重系统的精度。

在数据采集过程中，采样周期△T或采样频率f的正确选择直接影响系统的性能和成本；本系统中采样频率f的计算公式为[3]：

式中：v—车辆行驶速度，km/ h；

t—轮胎与传感器的接触时间，s；

m—最低采样点数，个；

L—轮胎印迹的长度，m；

f—采样频率，Hz。

如图2为本系统的测量链；其中石英传感器的长度在0.75m到1m之间，一般4个传感器组合在一起覆盖一个车道，两个传感器并联在一起作为一个通道，位于电荷放大器之前。此连接可以实现对左右轮单独的测量；当是双胎时，石英传感器的输出信号是两个轮胎载荷的和。处理系统为电子控制箱，控制地感线圈，称重传感器等；实现传感器，地感线圈，轮胎识别器数据的采集和处理。

2、压电石英传感器动态称重系统的软件设计

2.1 数据处理算法设计

数据处理是动态称重系统中数据误差消除的关键，车辆通过称重传感器的过程中不仅有真实车重还有许多干扰信号。因此，找出真实的汽车重量信号，设计合理的数据处理算法才能对称重系统进行处理。由压电石英传感器特性可知，传感器采集到的信号峰值不能作为轴重数据，传感器只能被轮胎部分覆盖；车辆的轴重与采集到的信号的面积关系为：

（1）确定阈值在点t1、t2（t1、t2为开始记录前轴波形的时间）进行触发，阈值一般为波峰值的0.5%-1%。在实际实验测量时由于测出的波峰值是不准确的，所以需要根据经验值进行确定。

（2）计算传感器输出曲线以下部分从开始点到结束点的面积。

（3）校准常数C由已知重量的汽车测试得到。并且在随后汽车重量的估计中作为一个常数使用。

（4）对于温度的影响，速度的影响或者老化的问题不需要补偿的算法（因为对于线状传感器除了速度以外的其他影响因素在计算W的过程中都是不需要的）[4]。

数据处理算法设计的流程框图如图3所示；针对压电石英称重传感器采集信号的特点，需要首先选出采集信号的上半周，用巴特沃思低通滤波器滤掉高频干扰信号，再对前后轴的信号波形进行积分，得到前后轴的重量，最终得到整车的质量[5]。其中截止频率是由试验路面的等级，路面的不平度，以及汽车的行驶速度确定出的激振频率f；

由公式（3）可以得出巴特沃斯低通滤波器的截止频率f0满足f0>2×f。

2.2 试验过程

本实验采用奇石乐公司生产的石英动态称重传感器，传感器的宽度记为Ls。两排石英传感器与行驶方向垂直，采用2×2m的地感线圈，石英传感器与地感线圈的距离取为0.3m；同一车道传感器之间的距离为4m，为保证测出速度误差尽量小，传感器平行度小于4mm。合理设置各个仪器的参数，试验车辆以10km/h、20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h的速度通过称重系统，石英传感器采集到的信号经过电荷放大器，A/D转换器存入计算机。记录试验场路面的类型，结合车速确定出激振频率，试验做完后，断开测量电路，把仪器设备放归原处，试验车辆开回原来的停放地。如出现故障及时维修。

2.3 系统显示界面的设计

本系统采用MATLAB中的图形用户界面（GUI）实现显示界面的设计，其具有操作简便，可视性好，对界面的操作可通过触摸式按钮实现；具有较强的人机交互功能。

由上述试验过程测得的数据，如图4显示的是试验车辆以20km/h的速度通过称重台的试验结果；界面包括原始信号，输入信号，滤波，找出z与阈值1的交点，找出z与阈值2的交点，执行结果显示共六个按钮。由于输入信号中包含了众多的干扰信号，需要用巴特沃斯低通滤波器进行滤波，得到“滤波后”的信号波形。滤波后的信号波形与输入信号相比，幅值会有所下降。利用MATLAB程序找出信号波形前后轴的波峰值，分别乘以0.5%得到前轴对应的阈值1和后轴对应的阈值2[6]。又因为找到“滤波后”的波形z与阈值的交点后直接用MATLAB画出的图像不能很好的显示出两者的交点，将图像放大，直至能明显的显示出两者的交点。这样，就得到了z与两个阈值的交点图（“z与阈值1的交点”、“z与阈值2的交点”）。

3、结论

基于压电石英传感器的动态称重系统通过传感器采集称重信号，巴特沃斯低通滤波器滤波，得到车辆的截止频率，采用轴计重的方式得到整车的质量。系统包括数据采集系统，信号处理系统，电子控制器和显示操作界面；系统的设计对于解决车辆超载，对公路建设与管理有着重要的意义。本系统通过试验验证具有称重精度高，测量速度快，时间短等优点，测试过程中，系统运行稳定，数据通信可靠，达到了预期目标。

[1]凌杰.公路动态称重系统的设计理论研究[D].陕西:长安大学博士学位论文,2001.

[2]商长富.汽车动态称重系统数据处理的算法研究[D].吉林：吉林大学硕士学位论文,2007.

[3]王玲.车辆动态称重系统数据采集和处理的研究[D].辽宁：东北大学硕士学位论文.2008.

[4]李莲，翟丽霞.动态轨道衡称量系统误差分析及数据处理的研究[J].仪器仪表学报，2011，32（12）：271-272.

[5]C.Helg and L.Pfohl, Signal processing requirements for WIM LINEAS TYPE 9195.Kistler Instrument AG,2000.

[6]刘九卿.压电石英传感器及其在动态公路车辆称重系统中的应用[C].称重科技暨第六届称重技术研讨会论文集，2007.

Design of Dynamic Weighing System Based on Piezoelectric Quartz Sensor

Zhou Zhengfei1, Lu Xiongwen1, Tan Yongying2
（1.Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064；2.Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072）

Overweight phenomenon of domestic road transport is very serious, overloaded transport vehicles for traffic safety and transportation markets, roads, bridges and other infrastructure, causing great harm; vehicle dynamic weighing technology as an effective management tool overloaded vehicles, and achieved good results . This paper presents a weighing sensor based on piezoelectric quartz dynamic weighing system, through the sensor collecting signals, Butterworth filter low-pass filter to determine the excitation frequency and the cut-off frequency, measuring vehicle axes calculated by the axis weight, and then get the vehicle weight. The experimental results show that the system has high accuracy, short time-consuming and high efficiency; there are certain practical value.

Dynamic weighing；Data acquisition；Signal processing；Hardware design；Software design

U463.6

A

1671-7988(2015)04-66-03

周正飞，硕士研究生，就读于长安大学汽车学院，研究方向车辆NVH技术。