CN102288269B - 一种称重应力装置、车辆动态称重系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种称重应力装置、车辆动态称重系统及方法，该称重应力装置包括：条形弹性体，用于承载驶过的车轮；形变传感器，与条形弹性体相连接，用于监测条形弹性体受力后的轴载信号；导线，与形变传感器相连接，用于输出轴载信号；条形弹性体沿车轮行驶方向的宽度范围为5毫米到100毫米。用于解决大面积秤台和弯板给车辆动态称重造成的称重通过速度慢、安装及维护成本高等问题，并且为不同的车辆行驶速度范围提供符合称重精度要求的称重解决方案。

Description

一种称重应力装置、车辆动态称重系统及方法

技术领域

本发明关于车辆称重技术，特别是用于高速公路等道路上的车辆动态称重技术，具体的讲是一种称重应力装置、车辆动态称重系统及方法。

背景技术

目前动态称重系统广泛应用于高速公路、矿山以及港口等载货车辆的称重系统中，为交通管理、超限超载治理以及进出口监管起到了重要的作用。

目前的车辆动态称重系统主要以应变式传感器为称重平台，主要形式为称台和弯板，存在的主要问题包括：

(一)动态称重速度范围小，车辆只能以低于30km/h的速度通过称重系统，而且为满足测量精度要求，要求称重平台必须有很大的有效称重区域，因此难以满足业主日益增长的使用需求，尤其不能满足现在ETC不停车收费系统对动态车辆称重系统的技术要求；

(二)为满足用户对称重精度的要求，需要秤台和弯板有很大的有效称重面积，从而造成称台和弯板外形尺寸巨大，导致对安装工艺要求很高，施工量大，工期长，对路面破坏严重，而且后期维护不便，需要定期清理维护；

(三)由于称台和弯板为面接触式传感器，当车辆通过时，传感器要承受整个轴重，冲击力较大，导致传感器寿命下降，易损坏。

发明内容

本发明实施例提供了一种称重应力装置、车辆动态称重系统及方法，用于解决大面积秤台和弯板给车辆动态称重造成的称重通过速度慢、安装及维护成本高等问题，并且为不同的车辆行驶速度范围提供符合称重精度要求的称重解决方案。

本发明的目的之一是，提供一种称重应力装置，该称重应力装置包括：条形弹性体，用于承载驶过的车轮；形变传感器，与条形弹性体相连接，用于监测条形弹性体受力后的轴载信号；导线，与形变传感器相连接，用于输出轴载信号；条形弹性体沿车轮行驶方向的宽度范围为5毫米到100毫米。

本发明的目的之一是，提供一种车辆动态称重系统，该系统包括：至少三个称重应力装置，每个称重应力装置包括：条形弹性体，用于承载驶过的车轮；形变传感器，与条形弹性体相连接，用于监测条形弹性体受力后的轴载信号；导线，与形变传感器相连接，用于输出轴载信号；条形弹性体沿车轮行驶方向的宽度范围为5毫米到100毫米；称重车道，用于设置称重应力装置，并且至少三个称重应力装置沿称重车道交错、间距设置；称重数据采集装置，与导线相连接，采集轴载信号；称重数据控制装置，用于接收轴载信号，并根据轴载信号生成被测车辆的轴重数据。

本发明的目的之一是，提供一种车辆动态称重方法，该方法包括：将至少三个具有形变传感器的、宽度范围为5毫米到100毫米的条形弹性体沿称重车道交错、间距地设置；采集形变传感器检测到的轴载信号；根据轴载信号及轴载信号的时序，计算得到对应轴的行驶状态，包括行驶方向、轴速、加速度，由此生成对应轴的动态称重数据、轴间距和轴型信息；根据轴速从至少三个条形弹性体中选取间距适当的两个条形弹性体所对应的轴载信号作为有效点轴载信号；根据选取的有效点轴载信号，计算生成称重车辆的有效轴重数据。

本发明的有益效果在于，通过宽度范围为5毫米到100毫米的条形弹性体作为称重台，大大减小了有效称重面积，降低了安装和维护的成本。同时利用轴速和交错、间距设置的条形弹性体之间的间距，获得车辆通过称重平台过程中轮胎在不同点对地的压力，从而能够使被称重车辆以各种速度进行动态称重，解决了不同的车辆行驶速度范围的符合称重精度要求的称重问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例称重应力装置的外形示意图；

图2为本发明实施例的具有支撑柱的称重应力装置的A-A剖面图；

图3a为本发明实施例的具有凹槽的称重应力装置的A-A剖面图；

图3b为图3a的B-B剖面图；

图4为本发明实施例车辆动态称重系统的结构示意图；

图5为本发明实施例具有10个称重应力装置的车辆动态称重系统的结构示意图；

图6为本发明实施例车辆动态称重系统的称重数据控制装置的结构框图；

图7为本发明实施例车辆动态称重方法流程图；

图8为本发明实施例车辆动态称重系统的采样图；

图9、图10为本发明实施例车辆动态称重系统的测量误差图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，为本实施例的称重应力装置的外形图，该称重应力装置至少包括一条形弹性体100，用于承载驶过的车轮。形金属弹性应力板100可以是矩形。称重应力装置还包括：形变传感器，与条形弹性体相连接，用于监测条形弹性体受力后的轴载信号；导线，与形变传感器相连接，用于输出轴载信号。条形弹性体100沿车轮行驶方向的宽度范围为5毫米到100毫米。

如图2所示，称重应力装置的一个优选方案是：条形弹性体100的底面设置有3个金属弹性应力支撑柱，每个金属弹性应力支撑柱上设置一个一个电阻应力片(1011′，1012′，1013′)。当称重车辆的车轴压过条形弹性体100时，条形弹性体100和3个金属弹性应力支撑柱承受应力，电阻应力片(1011′，1012′，1013′)分别检测到对应的轴载信号，并将轴载信号通过导线1014′输出。条形弹性体100的宽度范围为5毫米到100毫米。

如图3a所示，称重应力装置的一个优选方案是：条形弹性体100的底面开有3个凹槽(凹槽的个数可根据条形弹性体100的长度选择)，每个凹槽中至少设置一个电阻应力片(1011，1012，1013)。如图3b所示，条形弹性体100的横截面为梯形，条形弹性体100设置在一个梯形槽内。安装电阻应力片1011的凹槽设置在条形弹性体100的底面，即梯形长边的一侧。当称重车辆的车轴压过条形弹性体100时，条形弹性体100承受应力，电阻应力片(1011，1012，1013)分别检测到对应的轴载信号，并将轴载信号通过导线1014输出。条形弹性体100的宽度范围为5毫米到100毫米。

实施例2

如图4所示，本实施例的车辆动态称重系统包括：三个称重应力装置，每个所述的称重应力装置包括：条形弹性体(101，102，103)，用于承载驶过的车轮。

条形弹性体101安装有形变传感器(1011，1012，1013)，条形弹性体102安装有形变传感器(1021，1022，1023)，条形弹性体103安装有形变传感器(1031，1032，1033)。各形变传感器用于监测条形弹性体受力后的轴载信号。条形弹性体沿车轮行驶方向的宽度范围为5毫米到100毫米。

称重车道，用于设置称重应力装置，例如可将三个称重应力装置的条形弹性体(101，102，103)沿称重车道交错、间距设置。

称重数据采集装置400，通过导线与各个形变传感器相连接，采集轴载信号。称重数据控制装置500，可以是PC机，用于接收称重数据采集装置400采集的轴载信号，并根据轴载信号生成被测车辆的轴重数据。

如图6所示，称重数据控制装置500包括：数据产生单元，用于根据所力传感器所产生的轴载信号及轴载信号的时序，计算得到对应轴的行驶状态，包括行驶方向、轴速、加速度，由此生成对应轴的动态称重数据、轴间距和轴型信息；有效数据选取单元，用于根据轴速从至少三个称重应力装置中选取间距适当的两个称重应力装置所产生的轴载信号作为有效点轴载信号；数据处理单元，根据选取的有效点轴载信号，计算生成称重车辆的有效轴重数据；车辆信息生成单元，根据有效轴重数据及轴速、轴型、车型信息，组合生成称重车辆的检测信息。

在图4中车辆动态称重系统还包括：线圈200，用于对被称重车辆的到达进行检测，生成称重测量触发信号。红外光栅(301，302)，用于对被称重车辆的存在进行检测，生成收尾信号。

如图5所示，车辆动态称重系统的一优选的实施方案包括：称重应力装置(A1到A5和B1到B5)，各称重应力装置的条形弹性体以一定间距交错布局方式布置在称重车道上，用于车辆动态称重过程中，车辆通过各条形弹性体时称重应力装置的形变传感器产生对应的多点轴载信号，由光栅分车器和/或线圈输出采集控制信号；数据采集单元，即采集称重平台产生的轴载信号和控制信号，并将信号转换为数字量传给数据处理单元；数据处理单元，即对数据采集单元发回的各点数据进行分析和处理，由各轴次的行驶速度和车辆振动的近似关系式选出合适的点作为轴重有效点，准确得出车辆轴重、轴速、轴型，判别车行方向，组合出车辆信息；数据交互单元，即将车辆动态称重的结果进行存储，并发送给上位机，与外界进行数据交互的单元。

在图5所示的车辆动态称重系统中，可选择3到10个称重应力装置以一定间距交错布局组成。

数据采集单元，可采用数字接线盒实现数据采集，其具有多路16位以上A/D采集通道，分别接入各路称重传感器，其中每一路采集通道都有相应的信号调校单元，采样频率每路均大于3000Hz。

收尾传感装置，用于判断一辆车开始进入检测区域和离开检测区域，可采用光栅分车器和/或线圈。

数据控制器单元，可采用ARM9或者DSP中心处理单元为控制装置，控制装置具有网络接口和/或RS232接口用于数据传输，多路开关量输入输出接口用于控制信号输入，同时有液晶显示部件，控制装置分别与数据采集单元和收尾传感装置电连接，称重传感装置和数据采集单元电连接。

本发明的称重原理是：车辆驶入称重区域，车辆各轴次依次通过称重平台后，称重传感装置将各轴对地压力转化为多点轴载电信号，数据采集单元将各路传感器产生的轴载信号经过模拟调理、放大和AD转换后，将各路数字轴载信号传给数据控制器；控制装置经过分析，当接收到一定阈值的重量数据时，系统进入动态称重状态，数据控制器将轴载信号检测并记录下来，同时结合已知的条形传感器间距和时序关系，得出轴速和轴间距，从而得出经过称重平台的车辆的车型信息；数据控制器通过分析各轴次的轴速和车辆行驶状态下振动的近似关系式，选择合适的点作为有效称重数据，从而得到轴重信息；当车辆尾部通过收尾传感装置后，车辆收尾装置发出收尾信号，数据控制器生成被检测车辆的检测数据，控制液晶部件显示相关数据和状态，同时将被检测车辆所有数据信息通过数据输出口传给上位机。

多点轴载信号的获取主要依靠称重应力装置，本发明系统包括具有沿车轮行驶方向的宽度范围为5毫米到100毫米的条形弹性体的称重应力装置，10个条形弹性体以一定间距交错布局设置在称重车道中，称重车道可以是沥青路面。如图2所示，称重应力装置内部采用多点支撑结构，将多个双剪切梁应变式传感器组合成一体式传感器，当车轮经过条形弹性体时，弹性体发生形变，作为支撑点的双剪切梁也将受力形变，此时贴于双剪切梁梁肩的电阻应变片将梁体形变转换为电信号输出，从而测出传感器的受力状况。

有效称重信号的选取需要数据控制器对多点轴载信号进行详细的分析和准确处理。数据控制器包括：

数据产生模块，根据每轴经过条形弹性体产生的多点轴载信号及其时序关系，生成此轴的动态称重数据及轴速、轴间距和轴型信息。由于条形弹性体间距是固定已知的，假设两条形弹性体之间的纵向距离为S，车轴分别通过两条形弹性体的时间差可通过多点轴载信号的时序关系可得，假设时间差为T1，则可得出车轴行驶速度为V＝S/T1；车辆近似于匀速前进，则车辆相邻两轴经过同一条形弹性体的时间差可由采集到的轴载信号的时序关系可得，假设为T2，则可得出相邻两轴之间的轴距为L＝V*T2；由各轴之间的轴距可得出被测车辆的轴型和车型。

有效数据选取模块，车辆在行驶状态下对地的压力可近似用如下公式(1)表示：

公式表明车辆在行驶状态下不同时刻对地的压力，其中，A₀表示车辆静态状态下对地压力的真值，A₁表示车辆行驶状态下振动的幅值，ω与车辆行驶状态下振动周期T之间的关系为 表示车辆行驶初始相位，实际采样图形如图8所示，其中横坐标为车辆行驶位置坐标点，纵坐标为车辆行驶状态下轮胎在对应位置点对地压力转换成的内码值，图中粗黑线为经过平滑滤波后的波形图，与公式(1)所示结果相符，如果用称重传感器测量值f(t)近似替代真值A₀，假设车辆行驶状态下振动的幅值A₁为0.1×A₀，则测量误差经模拟计算如图9所示，误差范围为±10％。

依据公式(1)可知，车辆在行驶状态下对地压力成周期性变化，压力f(t)可由条形称重传感器测得，因此欲得到压力真值A₀，必须准确得到的值，或者消除此项，但在实际车辆行驶状态下，车辆振动振幅A₁、振动周期ω和初始相位都是未知数，而且这些参数随车况的不同而不同，因此要想得到的准确值非常困难，虽然可以通过拟合等方式实现，但是要想得到理想化的结果需要较大的数据量做支撑，而普通传感器的有效称重区域较小，限制了这一方法的实现，因此只能设法消除此项。

依据三角余弦定理可知，任选车辆行驶状态下的两时间点t₁和t₂，则两点对地压力之和可表示为：

经过三角变换可表示为：

因此，只要近似等于π/2的n倍(n为奇数，n＝1，3，5...)，则的值近似为0，即t₁和t₂之间的时间差为：(n为奇数，n＝1，3，5...)(4)

由此表明，只要t₁-t₂近似等于振动周期一半的奇数倍，则称重装置测得两点压力之和近似等于2倍的车辆对地压力真值：

f(t)＝2*A₀                    (5)

而当车辆驶过本发明使用的交错布置的称重传感装置时，压过任意两条称重传感装置之间的时间差可表示为：

$t=\frac{S}{V}---\left(6\right)$

其中t表示压过任意两条称重传感装置之间的时间差，S表示这两条称重传感装置沿车轮行驶方向的距离，V表示车辆行驶速度，因此只要我们选择适合间距S的称重传感装置，使得t最接近t₁-t₂，则用此两条称重传感装置采得的轴载信号作为有效点轴载信号进行有效轴重计算，得到的轴重数据最接近车辆对地压力的真值。以图5所示实施例举例说明，假设称重传感装置以沿车轮行驶方向间隔300毫米的距离均匀布置，即称重应力装置A1与A2、A2和A3、A3和A4、A4和A5之间沿车轮行驶方向的间隔都是300毫米，同样B1和B2、B2和B3、B3和B4、B4和B5之间沿车轮行驶方向的间隔都是300毫米，A1与B1之间沿车轮行驶方向的间隔是100毫米，依次类推。当车辆以36km/h的速度匀速驶过称重平台时，根据经验值此时车辆行驶的振动周期为0.2秒，即在车辆行驶相差0.1秒时间间隔(振动周期一半的奇数倍，此处选用1倍)的两位置处车辆对地的压力之和最接近真实压力的两倍。而车辆驶过称重平台相邻两个称重应力装置的时间差为0.03秒，即相邻两个称重应力装置之间的距离300毫米除以车辆行驶速度36km/h(等同于10m/s)所得，因此车辆行驶通过称重应力装置A1和A4、B1和B4的时间差为0.09秒，同样车辆行驶通过称重应力装置A2和A5、B2和B5的时间差也为0.09秒，这两个时间差最接近车辆行驶振动周期的半周期0.1秒，因此选择A1和A4传感器测量到的点轴载信号计算车辆左侧轮的压力、B1和B4传感器测量到的点轴载信号计算车辆右侧轮的压力，这样得到的车辆压力最接近真实压力，同样也可以选择A2和A5传感器测量到的点轴载信号计算车辆左侧轮的压力、B2和B5传感器测量到的点轴载信号计算车辆右侧轮的压力。假设车辆行驶状态下振动的幅值A₁为0.1×A₀，经模拟计算测量误差如图10所示，测量误差在2％以内。

数据处理模块，根据选取的有效点轴载信号数据，分别计算各点处车辆对地整体压力，求取有效点轴载重量的平均值作为有效轴重数据。

车辆信息生成模块，根据有效轴重数据及轴速、轴型、车型等信息，按照协议组合生成整车检测信息，控制液晶部件显示相关数据和状态，同时通过数据传输接口与外部通讯。

如图7所示，本实施例的车辆动态称重方法包括：将至少三个具有形变传感器的、宽度范围为5毫米到100毫米的条形弹性体沿称重车道交错、间距地设置(步骤S101)；采集所述形变传感器检测到的轴载信号(步骤S102)；根据所述的轴载信号及轴载信号的时序，生成对应轴的动态称重数据、轴速、轴间距和轴型信息(步骤S103)；根据轴速从所述的至少三个条形弹性体中选取间距适当的两个条形弹性体所对应的轴载信号作为有效点轴载信号(步骤S104)；根据选取的有效点轴载信号，计算生成称重车辆的有效轴重数据(步骤S105)。

本发明所述动态车辆称重系统，适合于多种车型和宽速度范围的动态车辆称重，尤其适合应用于车流量较大车型复杂且要求高速收费或者不停车收费的计重收费系统和超限检测系统中。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种车辆动态称重系统，其特征是，所述的系统包括：

至少三个称重应力装置，每个所述的称重应力装置包括：条形弹性体，用于承载驶过的车轮；形变传感器，与所述的条形弹性体相连接，用于监测所述条形弹性体受力后的轴载信号；导线，与所述的形变传感器相连接，用于输出所述的轴载信号；所述的条形弹性体沿车轮行驶方向的宽度范围为5毫米到100毫米；

称重车道，用于设置所述的称重应力装置，并且所述的至少三个称重应力装置沿所述的称重车道交错、间距地设置；

称重数据采集装置，与所述的导线相连接，采集所述的轴载信号；

称重数据控制装置，用于接收所述的轴载信号，并根据所述的轴载信号生成所述被测车辆的轴重数据，所述的称重数据控制装置包括：

数据产生单元，用于根据所述形变传感器所产生的轴载信号及轴载信号的时序，计算得到对应轴的行驶状态信息，所述的行驶状态信息包括行驶方向、轴速、加速度，由所述的行驶状态信息生成对应轴的动态称重数据、轴间距和轴型信息；

有效数据选取单元，用于根据轴速从所述的至少三个称重应力装置中选取间距适当的两个称重应力装置所产生的轴载信号作为有效点轴载信号；

数据处理单元，根据选取的有效点轴载信号，计算生成称重车辆的有效轴重数据；

车辆信息生成单元，根据所述的有效轴重数据及轴速、轴型、车型信息，组合生成称重车辆的检测信息。

2.根据权利要求1所述的车辆动态称重系统，其特征是，所述的系统还包括：

线圈，用于对所述被称重车辆的到达进行检测，生成称重测量触发信号；

红外光栅，用于对所述被称重车辆的存在进行检测，生成收尾信号。

3.根据权利要求2所述的车辆动态称重系统，其特征是，所述的条形弹性体的底面设置有多个金属弹性应力支撑柱，每个所述的金属弹性应力支撑柱上至少设置一个所述的形变传感器；

所述的形变传感器为电阻应力片。

4.根据权利要求1所述的车辆动态称重系统，其特征是，所述的条形弹性体的底面开有多个凹槽，每个所述的凹槽中至少设置一个所述的形变传感器；

所述的形变传感器为电阻应力片。

5.一种车辆动态称重方法，其特征是，所述的方法包括：

将至少三个具有形变传感器的、宽度范围为5毫米到100毫米的条形弹性体沿称重车道交错、间距地设置；

采集所述形变传感器检测到的轴载信号；

根据所述的轴载信号及轴载信号的时序，计算得到对应轴的行驶状态信息，所述的行驶状态信息包括行驶方向、轴速、加速度，由所述的行驶状态信息生成对应轴的动态称重数据、轴间距和轴型信息；

根据轴速从所述的至少三个条形弹性体中选取间距适当的两个条形弹性体所对应的轴载信号作为有效点轴载信号；

根据选取的有效点轴载信号，计算生成称重车辆的有效轴重数据。