便携式车辆轴载谱动态采集系统研究
2020-08-05杨秋菊刘卓雨丁海洋韩文扬
安 平,杨秋菊,刘卓雨,丁海洋,韩文扬
(1.日照公路建设有限公司,山东 日照 276800;2.山东省交通科学研究院,山东 济南 250031)
引言
通过在公路上安装动态称重系统准确获取车辆荷载对公路设计、施工及管理部门都有重要的指导作用[1]。已有的动态称重系统多需要在路面上开凿沟槽[2-3],在沟槽内布置传感器,这种安装方式存在传感器安装不便的问题,使用过程中如果传感器损坏,更换过程极为繁琐,不易实现。
1 传感器安装方式对比研究
1.1 压电膜传感器特性
压电膜是一种新型的高分子聚合物传感材料,具有良好的弹性和较宽的频率范围,适合在急剧变化的环境中工作。动态称重系统中使用的压电膜传感器为条状传感器,车辆轮胎压过传感器时,产生一个与轮胎压力成正比的电荷信号,且输出信号周期与轮胎停留在传感器上的时间相同,具有很好的动态响应性[4]。
1.2 传感器安装方式测试方法
传感器的安装方式对信号的产生有着重要的影响,传统安装方式大多采用在道路上切槽,将传感器埋在路面以下合适的位置,然后用灌封材料填充。便携式安装则采用在道路表面贴的方式,这种安装方式简单易操作,对路面损伤小,拆卸方便。在不同的安装方式下采用数据采集卡对车辆通过传感器的称重信号实时采集。
1.3 传感器安装方式对比分析
便携式安装在道路表面方式:(1)直接将传感器用胶带粘贴在路面上;(2)先将传感器粘贴在铁板上,然后将铁板钉在路面上,压电膜传感器与车辆行驶方向垂直铺设。
测试系统安装完成之后,用两轴车进行测试,车速保持在40 km/h,匀速通过两个传感器。图1为两种安装方式下采集的信号。方式一信号幅值小,安装方式对传感器变形量有一定的衰减作用,导致信号幅值降低;方式二在车轮接触传感器时有短暂的高频干扰,对比方式一,信号的幅值比较高。方式二虽然有较大的高频干扰信号存在,但信号较为明显,更适合信号采集与处理。
图1 传感器两种安装方式对比
方式二虽然信号明显,但也存在高频干扰。车辆压过时引起铁板振动并传递至传感器,进而对输出信号产生影响。为了减少干扰,系统在方式二的基础上设计了另外安装方式:方式三,在铁板下打胶;方式四,在铁板底部加胶布;方式五,在铁板底部加胶布并打胶。采用方式二至方式五,在车辆行驶方向垂直隔开距离铺设,采用同样的两轴车进行试验测试,并采集称重信号,见图2。经过对比发现,方式三能有效减少铁板振动,车轮接触铁板时没有明显的高频振动,输出信号比方式二要平滑。方式五信号也同样没有高频干扰信号,但产生的称重信号中有稍微的波动。方式四在信号产生之前也出现高频干扰,信号同样存在起伏波动,影响称重精度。综合五种安装方式,方式三的称重信号幅度较大且平滑没有起伏波动。
图2 四种安装方式称重信号对比
2 车辆轴载谱动态测试系统设计
2.1 硬件设计
压电膜传感器输出电荷信号,首先通过电荷放大电路对信号进行放大,将电荷信号转化为电压信号,通过信号滤波电路对信号进行滤波处理,提高信噪比。将经过放大及滤波处理后的信号进行分析处理得到车速、车轴数量、每个车轴的轴重数据、轴距及车型分类等信息。
2.2 轴重计算方法
同一车轴不同车速下,经过传感器时采集的称重信号见图3,车辆行驶速度越快,单个车轴产生的信号周期就越短,而峰值越大。因此计算经过车辆的轴重时,需要计算动态载荷产生信号的积分值和车辆行驶车速。车速可以通过传感器安装间距L(m)和车辆的同一车轴经过两个传感器的时间T(s)计算,即:V=L/T。当车轴分别经过两个压电膜传感器时,会在不同时间段产生两个相同的脉冲信号,两个脉冲信号出现时间间隔即为时间T。为了探究信号积分值和车速与轴重之间的关系,采用安装方式三对两路压电膜传感器进行测试,将采集到的模拟量信号进行积分计算,用积分值与车速的乘积表征车辆的轴重数据。
图3 不同车速下的称重信号对比
选用4辆不同轴重的两轴车辆进行测试,车速在20~40 km/h范围内,通过计算得到车辆实际车速,试验选用4辆车的前后轴实施加载,一侧轮胎重量分别为848 kg和1 075 kg、612 kg和430 kg、635 kg和385 kg、403 kg和272 kg。图4是积分值与车速的乘积和轴重之间的关系曲线,可知,积分值与车速的乘积和轴重之间近似线性关系,拟合出直线方程为y=53.6+x/12 249。
测量轴重与实际轴重之间的误差分布见图5,测量轴重按照关系式进行计算。可以看出,误差主要集中在-10%~0之间,系统测量误差整体呈现随轴重增加整体呈偏小趋势,测量结果误差均能控制在±15%之内。由于部分试验车辆轴重较小,测量误差相对较大且分布范围较广。本系统主要关注货车的轴重数据,此类车辆的轴重较大,采用积分值与车速的乘积计算车辆轴重将具有更好的使用效果。
图4 积分值与车速乘积和轴重关系
图5 测量轴重与实际轴重的误差分布
积分值与车速相乘计算方法具有较小的测量误差,信号积分值与车速乘积和轴重之间有着良好线性关系,因此信号积分值和车速与调整系数三者的乘积作为轴重测量值,通过标定调整系数提高测量精度。
式中:W—轴重,t;C—调整系数,v—车辆行驶车速,km/h,A—称重信号的积分值,t。
3 现场道路分析测试
测试选用车辆为3轴车,分别在空车、半载和满载三种情况下测试车辆各车轴的轴重数据,见表1。车辆在三种情况下以45 km/h和55 km/h的速度经过传感器,测试系统共测试18组轴重数据。图6为测量轴重与实际轴重的误差曲线,可见,测试的18组轴重数据误差范围均在±15%,测试结果符合国际标准[5],能够满足动态称重的精度要求。
表1 不同载重下单轴标定轴重
图6 不同车速下轴重测量误差曲线
4 结语
基于压电膜传感器提出了一种便携式车辆轴载谱动态采集方案,对传感器快速安装方式进行了研究,提出了多种方式,通过安装测试及采集信号分析对比,确定了在铁板下打胶更能有效获得称重信号,提出了积分值乘以车速的轴重计算方法。通过实际道路现场安装测试,得到了测量轴重与实际轴重的误差在合理的范围之内,验证了计算方法的有效性,能够满足实际道路测量的要求。