CN103267610A

CN103267610A - 基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统

Info

Publication number: CN103267610A
Application number: CN2013101654253A
Authority: CN
Inventors: 赵新通; 卢晓东; 常龙
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-08
Also published as: CN103267610B

Abstract

基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统。现有的轮荷测量装置，其内部弹性体结构设计时不把降低切向力耦合作为目标，只能在水平状态下使用。 本发明方法包括：轮荷测量装置（ 1 ），轮荷测量装置为合金板的背面具有平行于支承（ 2 ）的四条矩形槽（ 3 ），矩形槽内粘贴一组应变片（ 4 ），轮荷测量装置通过屏蔽线连接数据采集装置（ 5 ），数据采集装置包括单片机（ 6 ），单片机连接数码管（ 7 ）、串行通讯接口（ 8 ）和光电耦合器（ 9 ），九通道电压信号切换装置（ 10 ）、信号放大器（ 11 ）、信号滤波器（ 12 ）、 A/D 转换器（ 13 ）以及所述的光电耦合器依次连接。 本发明用于车辆轮荷测量。

Description

基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统

技术领域：

本发明涉及一种基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统。具体涉及一种利用电阻应变式称重传感器和上位机的屏蔽连接组成的车辆轮荷测量装置及其测量方法。

背景技术：

目前车辆轮荷测量技术一直停留在初级阶段，其测量装置和测量方法都很不成熟，测量过程中有采用人工计数的方式也有极少数通过连接上位机进行数据采集的，上位机编程方式仍旧使用传统的VB、VC并且设备简陋，与上位机间进行数据通道的切换不灵敏，又因为在现场测量过程中电磁干扰、倾翻台液压缸工作时的震动、电子元件的热噪声、电源噪声等产生的高频噪声对信号抗干扰能力差的简陋测量设备来说，严重影响了测量系统的数据采集精度。现有的轮荷测量装置，其内部弹性体结构设计时不把降低切向力耦合作为目标，只能在水平状态下使用，不允许在倾斜状态下测量，多维力/力矩传感器能够测量多个方向的力/力矩，但由于结构、量程、造价等原因很难用于轮荷测量，同时对于质心高度的测量，以往做法是使车体前后倾斜，对于大型车辆而言，由于车体长度较长，液压缸的行程将非常长，不利于整个测量平台的稳定。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其组成包括：轮荷测量装置，所述的轮荷测量装置为合金板的背面具有平行于支承的四条矩形槽，所述的矩形槽内粘贴一组应变片，所述的应变片通过屏蔽线连接数据采集装置，所述的数据采集装置包括单片机，所述的单片机连接数码管、串行通讯接口和光电耦合器，九通道电压信号切换装置、信号放大器、信号滤波器、A/D转换器以及所述的光电耦合器依次连接。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的单片机安装于主板上，所述的主板上还具有数字电路供电器、电桥与模拟供电器、信号滤波器供电器、外部电源接口、调零电阻、输入信号接口、去耦电容和控制按钮。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的九通道电压信号切换装置采用3个双4选一的多路模拟选择开关CD4052。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的信号放大器采用ADI的差分输入仪用AD620集成运算放大器。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的信号滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过二阶低通滤波节级联的方式构成4阶，拓扑结构为Sallen Key，截止频率为1Hz，单位增益的信号滤波器，通过滤波原理推导除该滤波器的传递函数为：A_u(S)=1559/(S4+16.42S3+134.8S2+648.2S-1559)。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的A/D转换器采用高分辨率和低频应用场合的24位Δ-Σ型LTC2400A/D转换器，在A/D转换电路中采用TI的LM336-2.5电压基准器件，其与三极管一样的封装式TO-92，利用其具有体积小、焊接方便的特点，并且通过简单的电子配置就可以提供精确的、稳定的2.5V基准电压。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的光电耦合器采用高速光电耦合器6N137，将所述的A/D转换器的输出与所述的单片机进行隔离。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的数据采集装置连接的外部直流电源为数字电路供电器、电桥与模拟供电器、信号滤波器供电器供电。

所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的调零电阻作为并联电位器法进行电桥调零。

有益效果：

1.本发明在合金板的背面加工出四条同规格的矩形槽，起到定向弱化局部刚度和强化变形的目的，采用电阻应变式称重传感器作为的好处是制作方便，并对称粘贴在矩形槽的内部是每个应变片所在截面对中性轴的惯性矩也相等，使得数据采集简单且准确。

2.本发明在矩形槽内沿宽度方向等间距、对称的粘贴应变片，则应变片所在横截面可以看作是n条平行排列的弯曲梁，由于每个矩形槽的尺寸都一致，所以每个应变片粘贴表面到中性轴的距离都相等，每个应变片所在截面对中性轴的惯性矩也相等，这样有利于数值计算过程。

3.本发明采用屏蔽线将轮荷测量装置和数据采集装置连接，并设置了二阶低通有缘RC信号滤波器、光电耦合器作为信号滤波的装置、去耦电容的多重抗干扰装置，可以有效的除去现场测量环境伴有的声、光、电、磁、振动以及化学腐蚀、高温、高压的干扰，使得有用信号能够有效平稳地传输，使整个电路远离噪声的干扰保证数据的准确采集。

4.本发明采用侧向倾斜的方法，在质量反应法的基础上加以改进针对以往使车体前后倾斜来测量大型车辆时，由于车体长度较长，液压缸的行程将非常长，不利于整个测量平台的稳定的弊端，能够有效的减小液压缸行程，而且由于每个车轮都没有悬空，就避免了质量重新分配后有车轴分担过多车体载荷而有压溃的危险，其中应用到的电阻应变式称重测量，具有精度高、测量范围广、响应快、使用寿命长和性能稳定的使用特点，在车体倾斜时，车轮下的轮荷测量装置将受到垂直于测量平面的法向力和平行于测量平面的切向力作用，测量结果是法向力与切向力共同作用的结果，两者之间存在耦合这种借鉴一体化轮重秤的结构设计理念以及多维力/力矩传感器的应变测量及标定技术，实现了切向力的解耦，使其能够在水平和倾斜状态下测量车轮载荷，从而实现汽车，尤其是多轴重型车辆的质心位置测量，具有提高汽车的稳定性、安全性，降低汽车交通事故中的人员伤亡的重要意义。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明轮荷测量装置的背面结构示意图。

附图3是本发明数据采集装置的结构框图。

附图4是本发明对九通道输出信号调零效果对比图。

附图5是本发明AD620集成运算放大器共模抑制比（CMRR）与信号的频率关系曲线。

附图6是本发明AD620集成运算放大器增益（GAIN）与信号的频率关系曲线。

附图7是本发明采用AD620集成运算放大器的电路原理图。

附图8是本发明采用24位Δ-Σ型LTC2400A/D转换器的结构图。

附图9是本发明采用24位Δ-Σ型LTC2400A/D转换器的电路原理图。

附图10是本发明数码管动态显示电路原理图。

附图11是本发明串行通讯接口原理图。

附图12是本发明高速光电耦合器6N137的电路原理图。

附图13是本发明去耦电容示意图。

附图14是本发明采用的二阶低通滤波电路图。

附图15是本发明隔离稳压电源模块的典型温度曲线。

附图16是本发明隔离稳压电源模块的输入电压与效率曲线图。

附图17是本发明并联电位器法电路图。

附图18是本发明并联电位器等效电路图。

附图19是本发明CD4052工作逻辑图。

附图20是本发明CD4052的使用真值表。

具体实施方式：

实施例1：

基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其组成包括：轮荷测量装置1，所述的轮荷测量装置为合金板的背面具有平行于支承2的四条矩形槽3，所述的矩形槽内粘贴一组应变片4，所述的轮荷测量装置通过屏蔽线连接数据采集装置5，所述的数据采集装置包括单片机6，所述的单片机连接数码管7、串行通讯接口8和光电耦合器9，九通道电压信号生成装置10、信号放大器11、信号滤波器12、A/D转换器13以及所述的光电耦合器依次连接，所述的数据采集装置连接上位机14。

并提出倾翻台进行质心测量的方法，在倾翻台上平面安装6组所述的轮荷测量装置，间距根据轮距和轴距调整，由于该方法是在质量反应法基础上改进的，则车辆的质心计算方法是相同的，计算方法如下：在水平状态下，测量车辆的轴距，、轮距、轮高，6组轮荷测量装置分别测量各轮荷值、、、、、，则前轴重量、中轴重量、后轴重量、右轴轮荷、整车重量分别为

(1)

根据车身力矩平衡可以计算出车辆质心的、、三个方向的坐标、、分别为

(2)

(3)

(4)

式中：为车辆倾翻的角度；为车辆倾翻后的右侧轮荷变化值。

实施例2：

实施例1所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的单片机安装于主板15上，所述的主板上还具有数字电路供电器16、电桥与模拟供电器17、信号滤波器供电器18、外部电源接口19、调零电阻20、输入信号接口21、去耦电容22和控制按钮23。

实施例3

实施例1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的九通道电压信号切换装置采用3个双4选一的多路模拟选择开关CD4052。

实施例4：

实施例1或2或3所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的信号放大器采用ADI的差分输入仪用AD620集成运算放大器。

实施例5：

实施例1或2或3或4所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的信号滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过二阶低通滤波节级联的方式构成4阶，拓扑结构为Sallen Key，截止频率为1Hz，单位增益的信号滤波器，通过滤波原理推导除该滤波器的传递函数为：A_u(S)=1559/(S4+16.42S3+134.8S2+648.2S-1559)。

实施例6：

实施例1或2或3或4或5所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的A/D转换器采用高分辨率和低频应用场合的24位Δ-Σ型LTC2400A/D转换器，在A/D转换电路中采用TI的LM336-2.5电压基准器件，其与三极管一样的封装式TO-92，利用其具有体积小、焊接方便的特点，并且通过简单的电子配置就可以提供精确的、稳定的2.5V基准电压。

实施例7：

实施例1或2或3或4或5或6所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的光电耦合器采用高速光电耦合器6N137，将所述的A/D转换器的输出与所述的单片机进行隔离。

实施例8：

实施例1或2或3或4或5或6或7所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的数据采集装置连接的外部直流电源为数字电路供电器、电桥与模拟供电器、信号滤波器供电器供电。

实施例9：

实施例1或2或3或4或5或6或7或8所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，所述的调零电阻作为并联电位器法进行电桥调零。

实施例10 ：

所述的轮荷测量装置中，9个通道的输出信号都不为0，而且各通道的输出信号彼此之间也有一定的差异性，各通道初始零点的输出丨A丨≈（2~5）mv，附图4所示，针对九个通道信号的的零点输出电压分别进行了单通道调零后的效果对比图，调零电路方案对轮荷测量装置各通道零位的调整是可行的，在一定程度上提高了轮荷测量系统的测量精度。

所述的轮荷测量装置输出的差模电压信号为0~5.1

，为了便于数据的传输与处理，应对这个范围的差模输出信号进行放大处理，另外，电桥的输出具有较大的共模噪声，共模噪声的存在将影响电测系统的测量精度，所以进行信号放大的同时也应考虑对共模噪声的抑制，基于信号的以上特性需求，放大器的选择应主要考虑高增益，高共模抑制比，低噪声的，所述的信号放大器采用ADI的差分输入仪用AD620集成运算放大器，附图5、6所示，从AD620典型共模抑制比（CMRR）、增益（GAIN）与信号的频率关系曲线可以看出，AD620在抑制噪声、漂移，提供准确增益方面都有优异的特性，AD620能提供精确的增益，其增益设定可由下式得到： G=49.4KΩ/Rg+1;

附图7所示，AD620集成运算放大器只需通过外接一个电阻就可以精确放大所需倍数，本电路外接499Ω电阻R2，将应变电桥输出的信号精确放大G=100倍；

所述的轮荷测量装置采集的是静态电压信号，周期性信号将会对测量装置的测量精度有影响，因此周期性出现的信号将被视为信号的噪声，应对这部分噪声进行抑制，所述的信号滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过二阶低通滤波节级联的方式构成4阶，拓扑结构为Sallen Key，截止频率为1Hz，单位增益的信号滤波器，通过滤波原理推导除该滤波器的传递函数为：A_u(S)=1559/(S4+16.42S3+134.8S2+648.2S-1559)；

在所述的轮荷测量装置中，需要把模拟信号输入转换成计算机可以识别的数字信号，所述的A/D转换器能够把连续的模拟信号转换成数字信号，所述的轮荷测量装置输出的信号经过所述的信号放大器、信号滤波器的初步信号处理之后，电压范围在（0~510）mv，所述的A/D转换器采用高分辨率和低频应用场合的24位Δ-Σ型LTC2400A/D转换器，在A/D转换电路中采用TI的LM336-2.5电压基准器件，其与三极管一样的封装式TO-92，利用其具有体积小、焊接方便的特点，并且通过简单的电子配置就可以提供精确的、稳定的2.5V基准电压；

所述的光电耦合器采用高速光电耦合器6N137，将所述的A/D转换器的输出与单片机进行隔离。

实施例11：

实施例10所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，本发明采用一个±10v的外部直流电源通过所述的外部电源接口为所述的+5V数字电路供电器、+5V电桥与模拟供电器、±5V信号滤波器供电器供电；原因是传统的稳压芯片压降太小，会使芯片过热而无法正常使用，又由于外界的电源噪声将直接影响测量装置统的测量精度，以及在工程实际操作过程中，现场测试环境的复杂性，需要测量装置的电源方案应具有良好的高低温特性，基于以上的性能要求，本发明供电方案采用对于外界电源噪声具有良好抑制作用的隔离稳压电源模块，隔离型稳压电源模块的特点：

(1) 如附图15，输出电压稳定、输出纹波噪声低；

(2) 具有2:1的宽输入电压范围；

(3) 体积较同类产品更小，可靠性更高；

(4) 如附图16，工作温度范围为-40～+85℃；

实验表明，应用隔离型稳压电源模块作为电测量系统的供电方案可以对外界电源噪声完全隔离，工作稳定，高低温特性良好，能满足工业级产品技术要求。

所述的屏蔽线一边焊到所述的应变片上，另一边通过伺服插头连接所述的数据采集装置的输入信号接口。

附图12所示：在电路原理图中靠近单片机电源管脚处连接0.1uF的去耦电容，而且连线应尽可能短，在每个电源输入端跨接了一个100uF的电解电容，对电源的高频噪声进行隔离，所述的去耦电容在电路中起到两个作用，一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的开关噪声，附图13所示：

(1) 对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线(VCC)和地线(GND)间直接接入去耦电容，去耦电容取值一般为0.01~0.1uf，频率越高，去耦电容值越小；

(2) 在电源输入端跨接一个10～100uF 的电解电容器，如果印制电路装置的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。

实施例3：

实施例1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，在进行PCB布线时，应用布线隔离技术来增强轮荷测量装置以及数据采集装置的抗干扰能力，在进行PCB布线的时候主要考虑：

(1) 走线方式、电源与地线的处理、数字电路与模拟电路的共地处理，将微弱信号电路与易产生噪声的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和电源线路分开走线，而且相互间保持一定距离，有必要的话应用地线把它们隔开；

(2) 装置内部数字地和模拟地分开，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等），数字地与模拟地有一点应用0欧姆电阻进行短接；

(3) 走线间距越大，离地面越近，走线越短，则噪声影响越小；

所述的调零电阻作为并联电位器法进行电桥调零，在并联电位器法中，根据电阻星形联接与三角形联接的等效变换原理，并联电位器法可以等效成附图18的电路图，应用电阻星形联接与三角形联接的等效变换原理可得：

(1)

(2)

(3)

式中：、为分压系数。

由附图18可以看出不参与调零工作，只是消耗一定的电能。全桥的桥压为，内阻为（因为非常小，所以），由于电桥的零点输出是四个应变片共同作用的结果，若已知电桥初始零点输出电压为则：

(4)

(5)

式中：为电桥的供电电压；为电桥内阻；为电桥初始零点输出电压。

由以上两式可以得出结论：由确定调零范围，最大值由式（5）确定，式（4）可求出最大。而在实际操作中发现，决定调零的线性，越大，调零线性（均匀性）越好。

所述的轮荷测量装置具有九个通道的信号输出，为了降低成本、简化设计，本发明采用多路模拟开关进行分时选通来自多个输入通道中的某一路通道，这样在信号放大及滤波等的信号调理装置处、信号转换的模数转换装置处和单片机的微处理器等处各只需要一套，本发明采用3个双4选一的多路模拟选择开关CD4052，CD4052是一个差分4通道数字控制模拟开关，有A、B两个二进制控制输入端和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流，二位二进制输入信号选通4对通道中的一通道，可连接该输入至输出，经通道选择后的输出端接入放大器的信号输入端进行信号的调理，而没有被选择的某路信号将不能输出到放大器进行信号调理；

如附图19所示，当使能端INH为低电平时，通过控制A、B脚电位变化使公共端子为13脚和3脚分别与对应脚位接通，使信号选通；当使能端INH为高电平时，无论A、B脚电位如何变化，13、3脚都不与其他脚位相通，这样通过单片机控制A端口、B端口以及使能端INH的二进制数制，选通相应的通道，附图20所示为CD4052的使用真值表，实现了单片机控制多路模拟开关 CD4052 对轮荷测量装置的9个通道进行切换选择。

Claims

1.一种基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其组成包括：轮荷测量装置，其特征是：所述的轮荷测量装置为合金板的背面具有平行于支承的四条矩形槽，所述的矩形槽内粘贴一组应变片，所述的应变片通过屏蔽线连接数据采集装置，所述的数据采集装置包括单片机，所述的单片机连接数码管、串行通讯接口和光电耦合器，九通道电压信号切换装置、信号放大器、信号滤波器、A/D转换器以及所述的光电耦合器依次连接。

2.根据权利要求1所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的单片机安装于主板上，所述的主板上还具有数字电路供电器、电桥与模拟供电器、信号滤波器供电器、外部电源接口、调零电阻、输入信号接口、去耦电容和控制按钮。

3.根据权利要求1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的九通道电压信号切换装置采用3个双4选一的多路模拟选择开关CD4052。

4.根据权利要求1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的信号放大器采用ADI的差分输入仪用AD620集成运算放大器。

5.根据权利要求1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的信号滤波器采用巴特沃斯滤波器，通过二阶低通滤波节级联的方式构成4阶，拓扑结构为Sallen Key，截止频率为1Hz，单位增益的信号滤波器，通过滤波原理推导除该滤波器的传递函数为：A_u(S)=1559/(S4+16.42S3+134.8S2+648.2S-1559)。

6.根据权利要求1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的A/D转换器采用高分辨率和低频应用场合的24位Δ-Σ型LTC2400A/D转换器，在A/D转换电路中采用TI的LM336-2.5电压基准器件，其与三极管一样的封装式TO-92，利用其具有体积小、焊接方便的特点，并且通过简单的电子配置就可以提供精确的、稳定的2.5V基准电压。

7.根据权利要求1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的光电耦合器采用高速光电耦合器6N137，将所述的A/D转换器的输出与所述的单片机进行隔离。

8.根据权利要求1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的数据采集装置连接

的外部直流电源为数字电路供电器、电桥与模拟供电器、信号滤波器供电器供电。

9.根据权利要求1或2所述的基于侧倾法的车辆质心轮荷测量系统，其特征是：所述的调零电阻作为并联电位器法进行电桥调零。