CN1025889C - 车辆在运动中称重的方法和装置 - Google Patents

Abstract

运动车辆的称重装置和方法，其设置的称台呈现高刚度以获得较高的固有频率响应。这些平台与仪器配合，将测力计输出的信号以适于识别与车辆重量有关的振幅数据的采样率进行数字化。选择采样率以便分离和监测与车辆重量直接相关的系统峰值振幅输出。本发明基于这样一个认识；当车辆开过刚性称台的动态期间，把卡车质量从对卡车重量敏感的称台中分离出来，而固有频带宽没有显著的损失。通过使用高速处理机便可实现实时重量检测。

Description

承担维护和发展各种国有基础设施的政府部门关注高速公路路面的磨损。通常，已经知道在高速公路的损坏因素与重型工业车辆的车轴负载之间存在密切关系。这样，开发能够有效测定车辆重量及其它数据的系统是极为重要的。例如，一个由国家研究委员会的运输研究部门主办的研究表明，政府每年在重型车辆的数据收集计划方面的花费超过2500万美元。

通常，法规执行人员或车辆重量检测专家所用的小型便携式轮称已实现了载重车的称重。更完善和更安全的称重方法使人联想到固定称重站，固定称重站设在主要高速公路的边上并使卡车通过上、下坡道。在称重过程中，由于卡车停下来不动，因此这种称重是静止的。目前，使用便携式称能存储的数据很少，而在固定称重站由于称重过程是静止的，对路面磨损的研究来说限制了数据的来源。在后一种情况下，满载的卡车将避免在装有这种称的高速公路的路段上行驶，此外，在交通高峰期卡车在进入称重站的坡道排队等候，使高速公路的状况不安全。

由于重型卡车静止称重系统在数据收集方面所固有的缺陷，研究人员已找到了车辆在运动中测定交通负荷值的技术，其精度是令人满意的。运动称重系统（WIM）如果能有效地工作，有希望使通用称缩小而避免由于司机意识到称的位置所产生的问题;并减少每辆车的 称重成本，而且普遍改善数据的数量和质量及提高统计结果精度。

到目前为止，就车速而言，无论在精度还是在性能方面，WIM设备已受到了限制。在所设想的设计WIM称装置方面，研究人员所面临的问题是这种称需十分耐用，经受得起大量重型卡车以高于70英里/时的速度在其上通过所造成的动载。为适应这种动载，开发了高质量和高强度的称重桥结构。可惜的是，动载试验已经证明这种称重桥由于这种坚固的结构致使其固有频率在30Hz的范围内，其值太低以致无法精确、迅速确定WIM负载。在后一情况下，可以看出，轮胎以55英里/时的WIM速度作用在30英寸的称台上的滞留时间大约为25-30毫秒。因此，对于这样设想的系统，称的灵敏度太低，以致不能产生实用的称量信号。这样的物理因素是公知的，研究人员已面临的前景是用很复杂的关系算出运动中称重的标准和不定因素给工作带来的误差。

本发明涉及一个给运动中的车辆称重的方法和装置，它可达到必要的称量精度而基本上不受车辆速度的影响。这件非常吸引人的工作是以利用俄亥俄州哥伦布市东边州际Ⅰ-270号公路上对实际称量装置的调查活动着手的。这台实验称量装置是作为研究工具而设计的，其目的是为了给研究人员在数据的选择和产生方面提供宽的范围。例如，这台称包含有多个，彼此隔开的称重平台或称重桥以便沿着每一条车轮轨道提供两个称重工具。这些称重平台依次由无阻尼的悬挂架构成，重量轻而强度高，用予压方式稳定在高速公路上。这些平台的固有频率高或其频带特性宽。为了最大限度采集数据，把基于平台反力系统的负载传感器的输出信号以高抽检率或修正率数字化或即对每一个称重平台以每秒3000次的修正频率进行修正。

在平台上结合予置静载荷进行初步冲击试验表示出在静载荷为零时具有理想的高固有频率特性。然而，由于实验连续提供增加静载质量的载荷，结果是予期所加的质量降低了平台的共振频率。这一结果基本符合结构质量与共振频率之间已知的关系，固有频率与称结构的质量平方根成反比变化。因此，由于汽车所具有的质量驶过地称，同一原理是适用的，予期考虑到共振频率的降低使测量重量值极为复杂化是合乎逻辑的。

由于试验从试验卡车驶过试验称重系统的运动着手，结果数据表明称重平台的共振频率显著高于予料的频率。对数据进一步计算表明了用高抽检率测量的峰值振幅和静态卡车重量特性之间的直接关系。这个意外的结果对车辆速度的变化也是有效的，并对于在静标定载荷和总的动载荷下称或WIM称重装置的输出发现了一个普遍有效的关系。

另一方面，本发明提供了一种当车辆沿一给定道路运动并通过车辆接触一个表面使其被可动地支撑时求出车辆重量值的方法。本方法包括如下步骤：

提供一个具有称重平台的称，在平台表面上标出最小固有振动频率，并按照车辆运动中的称重关系把这个称置于承受车轮的位置。

提供随称一起操作的测试仪器，它具有随施加给称重平台上的力而变化的振幅输出信号。

通过把一已知重量加到称重平台上来标定这个称，此外，使上述的输出信号和得到的标准值一致。

得到随车轮驶过称重平台的运动而响应的输出信号。

以得到的输出信号确定重量当量值。

根据重量当量值与标定数据之间的相互关系得出车辆的重量值。

把上述的重量值输出到读数器。

本发明的另一特点是提供测定沿给定道路行驶车辆的重量的装置，这辆车通过车轮接触一个表面使其被可移动地支撑着，这个装置包括一个具有沿给定道路按某一方位设置在该支撑平面上的称重平台称，以按称重关系承受车轮，该平台呈现出很小的固有频率以有效地传递车辆通过车轮所施加的全部动力。提供了检测仪器，它和称重平台一起操作并具有随动力而变化的振幅的输出信号。还提供了一个控制装置，它包括存储对称重平台施加一已知标定重量所得到标定数据的存储器。这个控制器对表示平台上车轮情况的输出信号是敏感的，以得到动力的重量当量值，由于标定值所得到的重量当量值之间的相互关系该控制器对得到车辆重量值也是敏感的。

本发明的又一个特点是提供一个测定车辆在运动中重量的方法，该车辆被充气轮胎可活动地支撑在沿给定道路的一个表面上，该方法包括如下步骤：

提供一个具有称重平台的称，在其表面上标出最小的固有频率，并按照车辆在运动期间的称重关系把这个称置于承受车轮的位置。

提供随称一起操作的测试仪器，它具有随施加给称重平台上要称重的力而变化的输出信号。

得到和车轮在称重平台上运动相对应的输出信号。

把输出信号按所选定的抽样率转换成数字值以便有效地得到和车轮施加给称重平台上的重量相关的数字值。

得到所选定的数字值;并且

通过应用标定系数把所选定的数字值转换成重量值。

本发明的其它目的有些是显而易见的，有些将在下文说明。

因此本发明包括方法和装置，它们具有结构，元件的组合，各部件的配置和步骤;它们作为例子在下文将详细说明。为了充分理解本发明的本质和目的，应参考下文结合附图的详细说明。

图1是一个试验称装置的示意图;

图2是一个用于图1所示装置的一对台式称的俯视图，并剖开一部分以显示内部结构;

图3是沿图2中3-3平面剖开所得到的局部剖视图;

图4是沿图2中4-4平面剖开所得到的局部剖视图;

图5是测量仪器和与图1所示装置有关联的控制器的方框示意图;

图5A是用于载荷传感的应变仪结构的电子示意图，该应变仪与图5中所示的仪器同时使用;

图6是以局部放大的形式表示图1所示装置控制部分中信号处理部件的电子示意图;

图7A和图7B按标记方式组合提供了本发明控制部件的电子示意图;

图8是总程序中某些方面的流程图，本发明控制系统的数字信号处理功能是靠此完成的;

图9是与图8所示程序连接的调入程序的流程图;

图10是显示本发明所用的一个无载荷称台进行冲击试验的曲线图;

图11是显示本发明所用的带有1000磅/秒载荷称台的冲击响应共振输出的曲线图;

图12是显示本发明所用的带有4000磅/秒载荷称台的冲击 响应共振输出的曲线图;

图13是显示本发明所用的带有8000磅/秒载荷称台的冲击响应共振输出的曲线图;

图14是显示本发明所用的还有16000磅/秒载荷称台的冲击响应共振输出的曲线图;

图15是显示本发明所用的带有20000磅/秒载荷称台的冲击响应共振输出的曲线图;

图16A和图16B结合表示本发明的控制系统对应于驶过称台的试验卡车的一个车轮所产生的输出信号的曲线;

图17A和图17B结合表示本发明称重装置对应于驶过称台的试验卡车的另一个车轮所产生的输出曲线;

图18表示的是描绘驶过本发明装置的称台的试验卡车的三个车轮通过时输出曲线的曲线图;

图19表示的是当一个水泥运输车驶过称台时，从本发明的装置中得出的输出曲线图;

图20表示的是当带有反铲的拖拉机和建筑拖车驶过称台时，本发明的装置所输出的曲线图;

图21表示的是当一辆18轮牵引拖车驶过时，本发明装置中的一个称台输出的曲线图;

图22是对应于一辆空载试验卡车通过本发明的装置时标定偏差点的图表，此资料来自总重量分析;而且

图23是对应于一辆空载载重试验卡车通过本发明的装置时标定偏差点的图表，此资料来自总重量分析。

本试验称量装置在图1的示意图中总体用10表示，数据是靠该 试验称装置得到的，并导致产生本发明。包括装置10的组件被安装在象Ⅰ-270道路一样的复线高速公路的一条线路上。在接近试验装置的区域铺设比通常更平滑的高速混凝土路面，以避免当车辆接近时跳动产生的振动力。在图中道路用12表示，而交通流向用箭头14表示。当卡车接近装置10时，首先遇到一个环形探测器16，环形探测器16的尺寸基本上横跨12英尺宽的道路12，并随着能够探测在其位置上出现车辆的范围而变化。环形探测器的输出用18表示，然后通到环形探测放大器20上，环形探测放大器20在表示控制系统的方框22内。在完成试验程序期间，实际上把控制系统22安放在路边的具有适当环境控制的附件内和类似的部件内，并且由用箭头24表示的输入电源线供给交流电。在道路12的路面上接着安装两个相间的直线压电速度探测器26和28。探测器26距离环形探测器16的出口边为24英寸，距离探测器28为36英寸。这些控制测器依据在它们上边通过的车轮给出输出信号，这些分别用线30和32表示的输出和用线34表示的放大器20的输出一起送到一个用方框36表示的信号调节网路。网路36按通常方式工作以对保持到此的输入信号进行初级放大和滤波。压电装置26和28不仅提供了“有”和“没有”的信息，而且根据车轮对装置26和28撞击之间的时间间隔给出速度和轮距的信息。

进入试验区域10的车轮接着遇到第一对用38和40表示的称重平台，把它们称之为“称1”。这些平台38和40的上表面安装得使其与高速公路12的路面平接。为了给这些称重平台38和40一个宽频带的固有频率或共振频率，它们按照所需要的刚度高、重量轻的设计规范建造，而保持适当的刚性是为了使它们经受得住高速公 路的严酷状况。为了对通过这些平台的车辆的负压效应和类似的效率进行调节，它们被予置的载荷大约为4000磅。通常，用于每个平台的仪器包括四个组成载荷元件的承载梁，其中的每一个都用按传统方式组成应变仪的桥来装备。

与平台38和40相距17英尺是两个同样的附加平台42和44，其作用是提供下一个称，在图中用“称2”表示。称重平台42和44的构造与38和40相同，并且如上所述它们的上表面安装的与道路12的相应平面大致平齐。注意由平台42和44组成的称2的入口距离称1的平台38和40的出口端是17英尺。关于加热元件的温度用一个安置在坑中的加热器（未画出）保持在予定的范围内，称1和称2都安装在这个坑中，而且对这样的环境的保护装置的控制用线46和48表示，线46和48接到在控制系统22内的坑加热器控制功能部件上，该功能部件用方框50表示。

在称1称2上每个平台内的承载元件或承载梁中的应变仪提供用线52、54、56和58表示的输出信号，它们直接送到控制系统22内的信号处理网路36。这些信号在网路36中被适当放大和滤波，然后这个网路装置的各种输出直接送到总体用方框62表示的计算机中，如箭头60所示。关于这点，箭头60表示了穿过用方框64表示的电源，并直接送到一个用小方框66表示的模拟一数字换算电路。电源组件64为调节网路36提供电力输入，如箭头68所示。

在用方框62表示的计算机装置中，模拟一数字换算功能在微处理机控制下高效率地完成。关于这点，该装置提供一个有效的适时修正或每秒采样12000次，即对称1和称2上的四个平台每个每秒采样3000次。这种高采样率的实现足够精确选取来自称1和称2 的平台输出信号的峰值或有效幅值提供了适应性。转换网路66作为计算机内的一个转换器，选用的计算机与国家商用机械公司销售的AT型计算机兼容。该计算机62还包括一个由小方框70溥表示的数字信号处理（DSP）转换器或网路。网路70连续接收来自转换网路66的数字信息，如线72所示。可供使用的处理器70如亚利桑那州土逊市的博-布劳恩公司销售的2PB32-HS型。该装置是适用于装置62所用类型的PC型计算机中的工具的实际尺寸的处理转换器。DSP装置包含一个AT&T    WE    DSP32移点DSP处理器、64K的本机存储器和缓冲高速串联的I/O出入口。该装置具有每秒钟进行大于2500万次移点运行的能力，因此有能力对所产生的信号进行适时数字滤波。数据可被和计算机62并联母线或高速串联母线输入或输出该装置。可以用普通方式与计算机62联系，如通过具有健盘的光学阅读器和人机对话装置。对于远距离操作象装置10这样典型的设备，提供远距离联系是方便的。关于这点，这种联系用指向调制解调器的双箭头74表示;调制解调器用方框76表示，它与用箭头78表示的普通电话线相连。

参看图2-4，展示了称1和称2的称重平台的相对轻且刚度高的设计的总结构。在图2中用平面图的形式以同一数字标号表示出称1的一对平台38和40。该称由一个安装在高速公路结构中的基础构成，该基础由端槽钢84和85及边槽钢86和87排成的矩形组成。这些槽钢被嵌入在高速公路的混凝土结构中，通过向外，向下伸出的铰钉提供适当的固定，铰钉用88标记。这对平台38和40的基础结构沿着由箭头90表示的道路迎着交通运动方向取向。平台38和40是这样构成的，以使得它处在由槽钢84-87所限定的坑中， 每个平台大致相等并对称，包括一个刚性支撑箱结构上的顶板，该支撑箱由平板和角件构成。关于这点，称重平台38的顶板用92表示并且平台40相应的顶板用94表示。顶板92上有用96和98表示的活动盖，同时顶板94有相同的结构。在图2中，在同一顶板上与盖100对边相应的盖被切开以显出一个开口102。图3和图4表示支撑各自平台94和92的钢性箱的局部结构。关于这点，在图3中可看出一个端板104和角件106，同时在图4中可见一个角件108。

称重平台38和40被构成得使四个角中的每一个都被承载元件支撑，承载元件可由承载梁构成。每个横向承载梁连结成一个装配成棒或块的承载元件，与平台38相连的四个块在图2中用虚线112-115表示。相应地，与平台40相连，装配成棒的承载元件用虚线116-119表示。见图4，每个装配成棒112-119相应的承载元件的结构，仅结合棒112加以说明。图中，承载梁122用螺栓124与装配棒112连接。梁122的另一端紧贴着接触一个承载销连接块126，连接块固定在从槽钢87上伸出的侧底板上。应变仪安装在承载元件112上，而该仪器的输出直接由电缆130送到信号调节网路36（图1）。称重平台38和40各自通过使用两个挠性夹板来予加载荷。一般地说，这些挠性件将提供一个大约1400磅的予载荷，且这种配置保证了平台在高速公路交通的严酷环境下的安全。图2和图3表示了一个这样的挠性夹板的结构，关于这点，一个弯曲支杆132由螺栓134和一个挠性固定块136连接。一个夹板138安装在螺栓134和支杆132的顶部之间，如图所示。图中可另外看出支杆132稍微向上垂直弯曲和平台40装 配。这个安装位置是由挠性安装棒140提供，安装棒140与构件106配合并由一垂直支柄142支撑。螺栓144和有螺纹孔的垫板146结合起着连接支撑支杆132的作用。平台38和40在各自的相对边上有两个如图3所示的结构。

见图5，用框图表明了控制系统的主要部分。在图中，对于一个称的一个平台所用的应变仪承载元件组总体上用150表示。元件组150包括应变桥组件152-155，每个组件都具有正负极激振器（EX）和信号（SIG）终端。激振器终端连到一个直流负载电源上，这里用电池158表示。这种连接给并联耦合提供了一个电源158，正如基准电压线160所示，基准电压线160延伸到应变仪152的激振端，并通过线162接到应变仪153的相应端。同一电源通过线164和166输入到应变仪154和155的正激振端。应变仪承载元件组150的地线用线168和馈线170-172表示。通常，电源158保持向应变仪承载元件组150输入10伏电压。

应变仪的正极信号输出（SIG）通过线174-176集中直接用线175接到一个微分放大器176的输入端。相应地，负极的信号输出通常通过线178-180连接并用线179直接送到微分放大器的另一输入端。通常，输出信号的相对电平较低，如满标为10毫伏。

看一下图5A，应变仪152-155的典型结构总体用182表示。应变仪的每个单元连接成桥形，并且以电阻R₁-R₄表示。例如，相对安置的电阻R₁和R₂响应拉应力，同时电阻R₃和R₄是为了响应感应压应力。通过可变电阻R₅和直流电源连接，同时，这个电源的负极通过可变电阻R₆接到激振端。用线184和186 表示的信号端提供一总的输出。

再看图5，放大装置176用于发出一个放大信号，例如在线188上产生一个满标为2V的输出信号。所示线188通到一个用方框190表示的模拟滤波器。滤波器190是单增益低通滤过类型的（2极），适于通过我们所感兴趣的最高频率成分。为了即时应用，所选取的频率范围也只是大致接近现有称重平台的固有共振频率。例如，可选定一个125Hz的值，它远远低于此系统中模拟数字转换器的3000Hz的变换率。滤波器190的输出用线192表示。

对于用10表示的四平台称装置，四个基本相同的电路和信号处理电路一起被应用。因此，对这些构件，三个另外的电路以相同的数字符号表示，对第一个电路用上述方法表示但标以字母脚标。关于这点，上述用线175和179表示的应变仪总输出，对初始电路则用175a和179a表示。所示的线通向用方框176a表示的载荷信号放大器上，它对应于微分放大器176。方框176a的输出用线188a表示，和线188共同携带着满标为2伏的输出。线188a通向一个125Hz两级低通滤波器，其输出用线192a表示。

另两个电路以相同方式用脚标“b”和“c”表示。

然后，这四个电路通向总体用62表示的控制器。具体地说，这四个电路用线192和192a-192c通向一个放大器200，为了转换成数的形式，它们可通过放大器200被选择。关于这点，所示放大器200通过线204受微处理控制器202的控制。这样，在微处理控制器202的控制下，使放大器200按给定次序选择这些电路并把用线206表示的输出送到模拟数字转换器208，该转换器用表示高和低的有效位数的二进制来完成16位数的转换。根 据承载部件所供给的基准电压值，转换器208完成了转换，它用线210和以前所述的线160来表示。由这样一个电路，最终产生一个数值转换的比率计量的形式。转换器208的输出通过8毕特总线212送到控制装置202。相应地，以微处理控制器202引出8毕特总线对模拟数字转换器208进行控制，如214所示。

模拟数字转换器208每秒钟进行大约12000次适时修正或数值采样。这样，对于四个每秒钟可获得3000次采样的平台，送到系统中的数据基本上能被及时处理。然而卡车车轮在给定平台上的滞留时间随车速变化，通常，因为在一毫秒内可产生或数字化的三个采样，对于单个车轮通过时可获得60个采样。对由转换器208完成的采样或修正率的选择是设计选择的课题，它基于以直接的设备和方法中发展的知识。它特别要求采样率充分有效地抽出峰值振幅信息。依照传统的尼奎斯特（Nyquist）采样理论，采样率至少应是称重平台固有频率的两倍。

由在前面用72表示的六线串联输出给出结果数字化的数据，并接到在前面用70表示的数字信号处理装置用计算进行重新识别。该数字信号处理装置（DSP）和一个高速记忆器配合运行完成数字滤波和对提供的数据进行分析所需要的逻辑运算。具体地说，该分析是为了对表示所求重量值有关的数值或振幅值进行分离或识别。如前面所指出的，DSP计算装置70适于配合一台P.C级计算机，而其相互作用在图5中用这种计算机的总系统表示，如218所示。

参见图6，表示了可对图5中用符号176表示的信号处理完成微分放大的部件。关于这点，由于与各平台相连的电路这种部件都是相同的，这里只详细介绍电路176。其余的电路用前面描述的方框 176a-176c来表示。放大器176接收承载元件组150的信号输出（SIG）和与激振相关的检测（SENSE），这里用方框230和标示“平台38”来表示。以同样的方式，方框232标记来自平台40的承载元件的混合输出;方框234表示来自平台42的承载元件的输出;而方框236表示来自平台44的信号输出张监控的激振检测。见方框230，如前所述从（SIG）通过线175和179给出了两个输出信号。因为这些线具有相当的长度，考虑到将它们安装在特殊环境中，为防止放电管型闪电和散乱信号，装有防护器238和239，其中的一边用线240接地。线175通过电阻R₁和运算放大器的非倒相输入端连接，同时线179通过线244和电阻R₂接到放大器242的另一输入端。提供了一个如7652型的运算放大器，放大器242的输出由线246通过电阻R₃和反馈线247连接到在其倒向输入上的线244，这样有效地表示出从平台38到方框230的信号输出实际有效接地线的结构。电感器248和249被分别置于线175和244上以防止射频干挠。由通过存在电容C₁-C₃来稳定的交流变换器构成放大器242，且其输出丝246通到运算放大器252的倒向输入端。放大器252的另一个输入来自带有承载元件公用信号或激振监控信号的线254。所示信号也通过线256和电阻R₄接到线175上，而此级的输出通过线258、线260和电阻R₅也接到线175上。这样由放大器242给出一个正输出使放大器252得到一个负增益，以便给放大器242的正极端提供一定量的负反馈。这是对要求通过电阻R₃到同一放大器负极端的补充。线258进一步通过二极管D₁接到含有电容C₇的地线264上。此外，线258通过二极管D₂与 +10V相连。一个所示的放电管闪电保护器266被连接在输出线与地线之间。通过电阻R₆最终输出给出了一个表示平台38的载荷频率特性的2伏满标信号。

正如上面所述，输入到承载元件的应变仪的数据也被监测。关于这点，所示监测线270和272分别通过电阻R₁₀和R₁₁连接到方框230的正极和负极激振感应线上。如上所述，这些线被各自的放电管274和275保护，以防止闪电或类似的杂乱信号的影响。线270和272通到一个总体用276表示的激振监测网路。其余三个称台40，42和44的相应激振端线也以相同方式连接。因此，这些感应线分别通过由方框232引出的线278和279，通过由方框234引出的线280和281及由方框236引出的线282和283与监测端相连。这样共同连接，这些线270和272通过各自电阻R₁₂和R₁₃及各自的射频干扰（RFI）块状电感器286和287连到运算放大器290的倒向和非倒向输入端。放大器290入口处的线272通过电阻R₁₄和地线接到提供基准电压（REF）的线292上，线292由放电管294保护。放大器290在线296上的输出表示承载元件的共同信号（LCG）并通过二极管D₃接到含有电容10的线298上，并与地相连。此外，线296通过二极管D₄与+10V相连而LCG输出把网路176和176a-176c的负增益放大器中的每一个都连接在一起。关于这点，注意，要求和输出线296连接的线254连到放大器252的非倒向输入端并通过线256和电阻R₄连在输入线175上。另外三个电路176a-176c中的每一个也以同样方式连接。这样，给出了建立在电路中的比率测量的一个初级输入。在线258上所给出放大器1 76的输出以及在线258a-258c上给出放大器176a-176c相应的输出，接着被送到信号处理部件的单增益和滤波装置。见图7A，前面用方框190表示过的后一装置以及另外三个用方框190a-190c表示的电路，这里总体用同一数字表示，后三个电路和190所示的相同。关于后一点，由平台38引出的初级电路中带有2伏满标信号的线258通过电阻R₁₅连接到运算放大器306的倒向输入端。放大器306的另一输入是来自通过电阻R₁₆接到296上的承载元件的公共（LCG）信号。这样，放大器306在线308上的输出传输着导致后一级上进行数值转换的比率测量的布局。所示输出线308通过线310和电阻R₁₇接到输入线258上，并通过线312和电阻R₁₈接在放大器306输入端上的线296。输入到放大器306的VCC和VEE来自模拟地线314和各自的电容C₁₃和C₁₄。其它三个电路190a-190c的单增益和滤波器中的每一个都相同，以及对产生激振监测电路276的另外放大器而言，地线314采用同样的方式，其中两个直接在图上画出了。现在来看与模拟地线314有关的输出线308，接着通到一个125Hz的总体用316表示的低通滤波器上，它由运算放大器318，电容C₁₅和C₁₆及电阻R₁₉和R₂₀的网路组成。该两级滤波器在线192上给出一个滤过波和基准的输出，它通向一个多路转换器208的输入端，就象在图5中以相同数字表示的那样，用同样方式，在各自的线192a-192c上给出单增益和滤波器190a-190c的输出，接着，它们通到多路转换器200的输入端。

来自承载元件的基准信号的比率测量处理是在微分增益放大器和滤波器324中再次进行。关于这点，该图表示基准线292通过电 阻R₂₁接到运算放大器326上，同时相应地在线296上的承载元件的公共信号通过线328和电阻R₂₂与放大器326的非倒向输入端相连。放大器326通过连接于模拟地线314的电容C₁₇和C₁₈与电源相连，并在线330上给出一个输出，该输出与包含电阻R₂₄的反馈线332相连，反馈线332接到线292上的倒向输入端。以相同的方式，含有电阻R₂₃的线334接在线328上的放大器326的非倒向输入端。线330接到一个总体用338表示的1Hz滤波器上，它由运算放大器340，及配合使用的包括电容C₁₉，C₂₀和电阻R₂₅和R₂₆的网路组成。这样过滤过的基准信号在基准线342上产生。为了稳定的目的，所示电容C₂₁和C₂₂连接在线324与模拟地线314上的适当导线之间。线342通到再次以数字208（图7B）表示的模拟数字转换器（A/D）的VREF输入端。

另外，看图7B，转换器208可以用例如晶体半导体有限公司生产的C55016型。这种装置在结合图5的讨论中展现出高转换率特性。从一个4MHz的振荡器350（图7A）向装置208提供一个时钟脉冲输入，振荡器350的输出由线352通到装置208的时钟脉冲输入端。同样地，模拟地线314的输入端通过线354，356和358与转换器208连接。图7B中方框360表示一个提供止负极性元件的电源。尤其该电源通过线362给转换器208提供数字地线输入（DGND）。

由多路转换器208选择的输出信号在线364上被送到一个在图7A中总体用366表示的单增益缓冲器上，它包含一个LF356型运算放大器368，并由多元线358通过线370和372供给电力，缓冲器366在线374上具有反馈回路接到非倒向输入 端，由此可通过包含电阻R₃₁的线376接收来自部件358的信号。缓冲器366在线378上的输出通到转换器208的模拟输入端（AIN）。

多路转换器200，以及控制系统的转换器350和联合串行数据输出线是由上述用202表示的微处理机控制并具有相同的识别记数法。装置202可以用如英特尔公司（Intel Corporation）生产的80C31型。微处理机202含有一个128毕特内存RAM功能，它充分考虑到了装置208的控制转换的任务及用于现有系统的所需要数据的传送和接收。该装置的16个地址出口Aoo-A₁₅与用作控制转换器208操作的出口P₁₀-P₁₇一起用引线组380表示，以及就以前结合图1方框70所描述过的数字信号处理器（DSP）而论，支配数据的传送和接收。此外，用于装置202的人机对话控制和引线组384连接，而引线组384本身与总线支路386连接。一个12MHz振荡电路由用338表示的晶体基振荡网路提供给装置202，给出了一个用390表示的用于触发和类似目的的复位电路，具有一个通到微处理机202RST端的输出，用线392表示。总线支路382也通过引线组394延到8毕特地址寄存器396的输入端，而寄存器396的输出又延到一个EPROM记忆装置400的Ao-A₇地址输入端。寄存器396可以用如74HC373型，其作用是构成地址记忆装置400中所用的16毕特地址中的低8毕特。后一装置可以应用英特尔公司生产的具有32K×8结构形式的27C256型。所示记忆器400的Do-D₇端通过引线组402与总支路484连接，然后再接到支路282。此外，在输出启动并使A₁₄端通过双引线组410连接到总线支路404的同时，总路支 线406通过引线组408连接到记忆器400的A8-A13端。

所示总线支路382也被连接到以引线组412表示的转换器208的数据端Do-D₇，同时由总线支路382引出的引线组414表示某些控制输入到装置208上。对多路转换器200（图7A）所选择的控制从总线支路404通过双引线416维护到其A和B端。

为了实现和用方框70表示的数字信号处理机联系，逻辑接口用虚线框418表示，联系箭头是72。其中所示部件包括普通串联输入一输出结构，并该电路418在微处理机202的控制下工作，尤其是通过一个四毕特寄存器420的控制下工作，寄存器420可以采用74HC175型。装置420的数据输入和存储端由总线支路382通过引线组422控制，而其控制输出用引线组424表示。数据用这台装置，特别是可沿以双向方式工作的线426被串行输送。此外，数据被同步，而且一个相应的同步时钟脉冲输出通过线428提供给电路408。数据的串行输出也通过线430给出。

由装置10产生的，描述车辆状态，车辆速度和形状的辅助数据被表示在图7B中，由方框436产生并进行适当的信号处理。来自信号处理装置的最终信号输出用箭头438表示，并被送到用方框440表示的车辆检测输入电路。电路440与微处理机202的联系用总线支路442表示。

在此指出，由转换器208实现的非常快的采样功能所产生的数据以很高的速度被数字信号处理器70处理，这台数字信号处理器配合一台用方框444表示的高速记忆器。与记忆器444和普通用途计算机的联系用总线符号448表示，计算机用方框446表示。在此 指出，由计算机446控制的全部输出被包括在前面用方框76所表示的调制解调器的联系途径输送。

参见图8，表示了一个DSP装置70的总的工作概括和限定流程图。在图中，不研究涉及如轴距，车辆速度等计算有关的程序元件。所示程序在结点A₁和线460进入，随后它接收来自模拟数字转换器208的转换信号。这一接收基本上在大约20微秒内立刻完成。然后，结果数据用线464和方框466表示提供给数字滤波。这样的滤波被DSP70完成，并从模拟状态考虑，它相当于一个90Hz8极点滤波器。根据数据和状态分析选择滤波器，以减少或限制表示在称重平台上以其固有频率或在冲击下的振动频率的减幅振荡的信号。滤波后，如线468和方框470所示，该程序称之为一个监测峰值车轮重量的子程序，并且这个子程序和基于重量转换的校准一起完成。然后如线742所示，程序又返回结点A1和线460。

比较容易得出来自振幅类型采样或转换的车轮重量，并且包括一个予定标准的步骤。该步骤包括当给定平台是空的时候设备的输出信号的读数和给出所存储的误差值。一个已知重量，如1000IbS被加在平台上。为确定标准重量，多种步骤可同时进行，找出的可接收的方法是在称重平台上放置一个静载荷。用在称重平台上的标准重量，从仪器中得到一个新的读数，并且可除去以前得到的误差。给出间隔系数，它示由当时读数值所较准的重量值的间隔，如上所指出的，减少了误差值。然后把结果间隔系数储存起来。为了替换力学重量，DSP减去了误差值，并用间隔系数放大结果，以按所选定的磅或其它计量单位接收读数。

参见图9，峰值车轮重量监测程序用方框图的形式表示。实际上， 这个程序监测在称台上的车轮并进一步测出它正在达到或已经达到的峰值重量。在试验数据分析后得出的峰值重量值之间发现了一个直接关系，可能发现来自即时称重过程中的其它等效的有效重量当量值。这样的峰值和可以得到的其它有效重量测定值通过现有系统的高采样率和转换率得出。实际上，选择足够高的转换率以达到识别与汽车驶过称重平台重量有关的数值。

所示即时程序从线480开始运行到用方框482表示的判断器，实际上在此产生车轮是否在称重平台上的判断，而这是靠放置一个予置的，表现这样状况的最低限度重量值来实现，如1000IbS。为了确定车轮是否正在离去或已经离去，将选择一个上限值，也连同产生一个与上限值隔开或低于上限值的下限制。为了避免在确定车轮是否在或离开平台中的过渡振荡形式，在测定中施加一滞后的形式。相应地，在检测重量大于上限的场合，例如1000IbS，程序继续进行，如线484和方框486所示，这是一个判断器，用于判断数字滤波器的输出对于即时称重平台检测是否大于任何予置峰值的读数，正象结合图8中方框466所描述的。

用方框486表示的判断器产生肯定判定的情况下，这时如线488和方框490所示，对于即时检测的峰值读数等于被测定的滤波器的输出。然后如线492和结点494所示，程序返回，而且实际上根据任何下一个随后的读数是否大于上述峰值完成一个判断，随后完成一次定时修正。另一方面，如果确定已经达到峰值读数，这时，以后的数据将产生车轮离开平台的判断。相应地，回到用方框446表示的判断器，在判定滤波器输出不大于峰值读数但大于上限或1000IbS的情况下，这时如线496和498所示，程序返回。

在由方框482确定滤波器输出的值不大于上限或1000IbS的情况下，这时如线500所示，程序朝向方框502所示判断器，其中，根据滤波器输出或即时重量值是否大于较低限，如500IbS，做出判断。在该值低到下限以下时，如线504，506，498和492所示，程序返回，如结点494所示，完成了车轮正在离开所用称重平台的指定或偿试性判定过程。

在方框502判定为输出小于下限的情况，这时如线508所示，程序朝向方框510所示的判断器。该判断器判定峰值读数是否为零。在结果是否的情况，即将到来的状态是，读数低于下限并如线512和方框514所示，在即时平台上的车轮重量，其标示为轮“N”，是峰值读数并且这些值被储存。另一方面，方框510作出肯定的答复，这时如线516，506，498和492所示，程序返回，则判断出没有车轮到达称台。

接着，作为重量峰值读数的存储器用方框514表示，程序过程如线518所示，车轮标号从N变为N+1，并且为了下一个将要到达的车轮，峰值读数处于零。这时程序如线506，498和492所示，程序返回。

由于称装置10的最初赋值是在这里所示的本发明的装置的赋值之前，用一系列不施加静力载荷的冲击方法和对称台逐渐增加静重的冲击方法对称台进行试验。图10表示了称台在未加载荷状态下测定的固有频率或共振频率。这些试验是在不同于道路条件的工厂环境中进行的。称台输出的模拟信号处理用上述方式完成而且按2000Hz采样率给出模拟数字转换。把数据收集在DSP装置70中，但在其中不进行数字滤波。然后所收集的数据送到补偿计算机对包括在图10 -15中所示的曲线的产生进行分析。参见图10，对称台一锤的冲击由曲线段522所表示，同时试验中的称台的固有或共振频率用曲线段524表示，在10毫秒的间隔内大约是100Hz。在平台上增加质量或重量是所需要的，这样加载的总体集合的共振或固有频率将依照上文所述的固有频率和质量之间的关系下降是予料之中的。

参见图11，表明了称台在施加1000IbS的固定载荷或静载荷的冲击试验中其频率特性。曲线图表示出，曲线528表示对100Hz数字滤波器的输入;曲线526表示该滤波器的输出。曲线说明在22毫秒间隔内，产生了一个45Hz的频率，而且这个信息与上述试验的质量和频率所予料的关系是一致的。

见图12，滤波器输入曲线532和输出曲线530表示把4000IbS静载荷加到称台上并用大锤猛击称台所引起冲击状态下所绘制出的曲线中的谐振部分。如所希望的那样，曲线530和532表明是30Hz的共振频率，代表了固有频率的衰减。

见图13，滤波器输入曲线536和输出曲线534表示在称台上加上8000IbS静载或固定载荷并用普通锤击进行类似冲击试验的结果。这些曲线表明这样提供静载荷的平台的固有频率衰减到所希望的26Hz水平。

参见图14，曲线540和538表示对试验称重平台进行伴随有12000IbS静载或固定载荷的冲击试验，上述滤波器输入和全部输出信号或信号值的曲线图。如上所述，用普通锤击产生冲击，并如普通理论所希望的那样，称和静止重量组合的固有频率降低到21Hz。

见图15，滤波器输入曲线544和输出曲线542表示使用上 述方法但采用在试验所用的平台上伴随有20000IbS静载或固定静荷进行的冲击试验的结果。该曲线说明正象所希望的那样，和更大的质量结合导致了频率相应的衰减，这里大约为20Hz。

由上述在工厂环境中对称台施加静载荷的试验的计算及由图10至图15所示的一系列数据，研究人员认为，在得到通过平台的卡车的准确重量（WIM）之后的现场试验期间计算所接收的数据将会遇到很大的困难。具体地说，研究人员认为，需要对运动进行一些形式的标准化，它要求研究出基于软件的相关理论。

对称台进行静载试验后，对装置10进行实际试验。为了进行动力或对运动中的车辆进行试验，应用一台俄亥俄威雅克公司（Wayac    Company    of    Ohio）所有的试验卡车，该试验卡车以普通形式构成，具有带两个导向轮的前轴和两个后轴。在导向轴与第一后轴间的间距是174英寸，而两个后轴之间的间距是52英寸。试验卡车带着20000IbS的试验重量。为提供初始重量数据，卡车各个车轮以停车或静止状态置于装置10称台上，以多次记录予加的静载。关于上述初始重量数据和随后的在运动中测重试验，如上所述，在DSP装置70中没进行数字滤波。在125Hz滤波器190上模拟滤波后，输出信号被转换器转换成数字化并被DSP70收集。这时，这样的数据以3.8秒的时间间隔被收集在计算机446的随机存取记忆器（RAM）中，然后记录在计算机磁盘上。然后由磁盘所记载的数据输入补偿VAX计算机（由数字设备公司生产（Digital    Equipment    Corp）〕以分析包括补偿数字滤波，尤其是在90Hz和产生的曲线表示在下面的图中。在该补偿计算机中本发明的峰值振幅状况识别和相应处理过程的发展在图8和图9中说明了。试验卡车以不同速度从装 置10上通过，对于卡车以27英里/时的速度驶过平台的运动，称重系统输出的数据表示在图16A和16B中，所示的是所指明的操纵轴上一个车轮的情况。在现场装置10的A/D转换器208的转换率增加到每秒3000次。为把数字信号送到补偿数字滤波器的输入端，该系统的输出的重量在图16A和16B中分别以曲线548A和548B表示。相应地，补偿滤波器的输出出信号在图16A和16B中分别以曲线546A和546B表示。当卡车转向轴车轮上到称台上时，称的特性曲线在图16A中用大约16毫秒的过渡时间表示。这些表示出平台对车轮的反作用很敏感。这是在上述静质量试验中所不希望有的情况。图16B所示的是图16A曲线的延续，除了表明卡车车轮离开称台时非常快的下降时间外，也表明了每一条曲线在550的范围内称台以大约100Hz共振，这是卸载时的共振频率值。该曲线表明了一个令人完全失望的结果，该结果指出了值的注意的称的频率特性。试验卡车所具有的质量在车辆在称台上通过时实际上被消除了。通常无法对这一作用进行合理的解释，然而可以观察到在卡车的充气轮胎，以及任何有的悬挂，在运动或动力状态下，都可出现基本保持称的固有共振频率而没有卡车本身重量干扰的这种分离作用。称台已经转移了几乎所有由车辆通过其车轮所施加的动力而没有作用在称上的质量。注意曲线546和548相对于平坦的峰而言似乎显得是个稍微园形的峰，这无论如何可能是所希望的。

见图17A-17B，对于结合图16A-16B中所述的同一卡车，曲线554A-554B表示对补偿数字滤波器的输入曲线552A-552B表示来自90Hz低通数字滤波频率的数字滤波器的输出，然而，所取数据是取自上到称台上的最后的车轮或两个后 车轮中的第二个车轮。如前所述，在图17A中，曲线表示由于车轮驶入使平台产生了一个很快或很陡的时间特性，继之的是当车轮平台上滞留期间曲线在顶部呈波动形式。图17B表示一个相应的曲线急速或突然下降时间，随之是很象称的共振频率的波动曲线。对于在图16A-16B和17A-17B及其它图中所示的试验，对最终数据的研究产生了在曲线峰值与实际卡车重量之间存在着上述的相互关系。

上述试验卡车驶过装置10，图18表示的是称台的输出。卡车所载的重量是20000IbS。在转向轴上的车轮给出了一个明显限定的如图所示的补偿滤波器输入曲线558和输出曲线560。此后不久，两个后轮中最先遇到平台的一个后轮和由此的输出清楚地分为用曲线562表示的补偿数字滤波器输入信号及用曲线564表示的补偿数字滤波器的输出信号。紧密相连的安装车轮的最后一根轴给出如曲线566所示的补偿数字滤波器输入信号及如曲线568所示补偿数字滤波器输出信号。

装置10对不同构造形式、速度和用途的卡车的高灵敏度由下面的图表示。如上所述，这些曲线是由执行所述数字低通滤波的补偿VAX计算机给出的。在图19中，曲线570表示四轴水泥卡车以61英里/时的速度从装置10上通过时，一个称台所对应的输出。从图中可看出四根轴的识别峰值振幅的区分是清楚的。图20表示一个称台的输出，其中曲线572准确地区分开以52英里/时的速度在平台上通过的拖拉机及带有反铲的工业拖车的四根轴。

图21表示一个对应于装置10的称台的输出曲线574，它是对应于以57英里/时的速度和多种运动的18轮拖拉机-拖车型卡 车通过称台时的曲线。容易辨别车辆的五根轴，而且容易看出对应的峰值振幅。

此外装置10的测定来自最初的成果和发现。具体地说，购买两辆属于托利多天称公司（Toledo    Scale    Conporation）的密斯闯部（Masstron    Division）试验车。这些卡车由一个普通的五轴、十八轴半牵引拖车的卡车构成，具有一根转向轴和两个双后轴，一个在牵引车的后部而另一个在所连接的拖车的后部。一辆卡车在试验中保持无载荷状态，其从转向轴到第一根牵引车后轴的间距为19′5″，牵引车两后轴间的间距为4′4″;拖车两后轴间的间距为4′1″。第二辆卡车在试验中保持有载荷状态，其从转向轴到第一根牵引车后轴的间距为19′7″;牵引车两后轴间的间距为4′4″，从第二根牵引后轴到第一根拖车后轴的间距为37′5″及拖车两后轴间的间距为4′11″。依照某种ASTM装置，一辆卡车的静力称量用车轮称量器完成，该称量器从俄亥俄的国家道路巡视站获得。十个这样的称用称量试验卡车在指定的无载荷及加载的基数。这一结果用普通60基座长卡称对卡车称重。在试验中所用的两辆卡车中的每一辆以35，45，55和65英里/时的速度在称台系统10上通过三次。如上所述，重量数据据由补偿计算机收集并分析。参见图22，装置10的WIM测量的结果与静态所测的重量比较，以偏离静态重量偏差的形式标出。图22的数据是对在静态称量状态下重44513IbS的无载荷卡车所测的总重量。这些结果基本表明，由于车辆在称量装置上通过的速度的变化，基本上没有影响或偏差。这些结果是很好的，不超出通常被认为是可接受的误差。

参见图23，表示了具有67230IbS的总载荷重量的第二 辆试验卡车以同样方式进行试验的结果。如上所述，在用装置10进行WIM测量期间来自总重量检测值的结果表明卡车速度对重量结果没有明显的偏差和影响，并且这样的重量结果是好的，不超出通常予计的误差，这样的误差对于这样的称量过程而言是必不可少的。补偿计算机对试验数据帮助进行分析表明，该称台的固有共振频率最好大于大约70Hz。选择这样的共振频率值适于装置在较高的车速下，如65英里/时，获得足够的响应性。

由于用上述的装置和方法做出某些变化没脱离本发明所包括的范围，因此声明所有包括在所述及的或显示在附图中的说明的内容将被理解为实施例而没有限制作用。

Claims (14)

1、一种当车辆沿给定道路运动时测定车辆重量的方法，该车辆被车轮可活动地支撑在一表面上，包括的步骤为：

给定一个秤，它具有在所述表面上称重的平台，在车辆运动期间能够按称重关系承载一个所述车轮；

提供与所述秤一起使用的仪器，其输出信号的幅值随所述称重平台上所受的力变化而输出信号；

随所述车轮驶过所述称重平台上的运动得出所述输出信号；

由所述得出的输出信号确定一个重量当量值；以及

根据所述重量当量值与一个标定值之间的关系获得所述车辆的重量；

其特征在于：

所述称重平台呈现一个选定的最小固有共振频率，且所述确定一个重量当量值的步骤包括将所述输出信号以至少是所述称重平台固有共振频率两倍的采样率转换为数字值以便测出所述重量当量值这样一步。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括标定所述秤的步骤，该步骤是通过在所述称重平台上静态放置一个标定的重量，并使所述数字值与其相关，以得出一个标定值。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取一个作为所述重量当量值的大致呈尖峰的振幅值。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述称重平台的固有共振频率被选择为大于约70Hz。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采样率被选择为每秒约3000次采样修正。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述仪器设有一个滤波器级，用以滤除所述输出信号中高于所述固有共振频率的约90%的各个频率。

7、用于测定沿给定道路行驶的车辆重量的装置，该车辆由车轮可运动地支撑在一个表面上，包括

一台具有称重平台的秤，该平台沿所述道路按某一方向安装在所述表面上，以便按称重关系承载所述车轮;

随所述称重平台一起工作的仪器，该仪器输出信号的振幅随所述车轮施加的运动力而变化;以及

响应所述平台上车轮情况的所述输出信号以便得到所述运动力的重量当量值的控制装置;

其特征在于，

所述平台被做成呈现有最小固有频率，使之能有效地传送所述车轮施加在其上的实际上全部的运动力，并且包括一种转换装置，用于将所述输出信号以至少是所述平台最小频率两倍的采样率转换为数字值，以便测出所述重量当量值。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述称重平台在无载荷时的固有频率被选择为大于约70Hz。

9、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制装置对所述输出信号的一个大致呈尖峰的振幅值是敏感的，以便得到所述运动力的重量当量值。

10、如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述采样率约为3000Hz。

11、如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括一种对所述输出信号敏感的第一滤波器件，用以阻止所述输出信号中具有与所述平台固有频率相应的频率成分。

12、如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括一个数字低通滤波器，用于限制数字值为表示重量数据的被滤除的数值，以便得到所述的重量当量值。

13、如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述得到的重量当量值作为所述被滤除的数值的峰值。

14、如权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括一个存储器，用于保留响应施加在所述平台上的已知静态标定重量而获得的一个标定数据。

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