CN104266734A - 一种微波称重传感器及车辆的动态称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波称重传感器及车辆的动态称重方法，通过扫频微波信号经过探针传送给铺设在监测区域内的谐振腔，谐振腔在车辆经过时发生形变，形变使得输出的谐振频率与输入的谐振频率不同，发生改变，由已知重量的车辆标定频率变化与车辆重量之间的函数关系，检测到行进车辆对微波称重传感器产生的频率变化，根据函数关系即可得到对应的车辆重量。解决了现有称重传感器的测量精度不高，适用性局限导致的称重结果不准确的技术问题。解决了现有动态称重方法对车辆过衡速度的限制以及过衡设备只能对静态或低速通过车辆进行负荷检测的局限性的技术问题。

Description

一种微波称重传感器及车辆的动态称重方法

技术领域

本发明属于动态称重领域，涉及一种称重传感器，具体涉及一种微波动态称重传感器及车辆的动态称重方法。

背景技术

随着公路运输行业和商业贸易的不断发展扩大，物流运输量日益激增，车辆超限超载、交通事故、道路养护、基础设施安全及环境污染等一系列问题随之而来。因此，迅速有效地遏制超载超限运输已成为目前全国交通运输管理工作中的重中之重。随着超载问题的日益突出，国际上交通管理部门对所运输车辆的负荷载重管理要求越来越高，不仅要求计量准确而且要求操作流程简单、高效、迅速，由此引出的对于能够满足称重精度、提高通行效率、适用于动态交通预警的动态称重技术越来越受到重视。

目前在动态称重领域采用的负载称重技术还相对较为传统，多数为静态称重方式，并且适用范围有限，主要在特定的工程车辆上得到应用，同时需要设置专用场地或称重站，测量效率低。且由于静态称重规模大，引人注目，超载车辆往往以绕道的方式躲避称重检查，或采用“跳秤”的方式来干扰正常的测量结果。虽然静态称重方法精度较高，但这种检测方式已明显不适应公路交通运输量日益膨胀的现状，造成管理繁杂，人员劳动强度高，车辆流速慢，易造成公路阻塞，影响了公路交通安全、保畅工作的顺利进行。由于车辆在动态运行过程中的载荷量受到多种因素的影响，如：车辆的速度及加速度、车辆轮胎、路面情况与粗糙度、车辆类型等，所以车辆在动态下实现称重较为困难。如何在上述因素影响下提取有效的信息，从而得到车辆在整个行驶过程中各种状态下采集信号的区别与关联，以及得到适用的数据模型，本领域科研人员长期致力于这些问题的解决。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的一个目的在于提供一种微波称重传感器，解决现有称重传感器的测量精度不高，适用性局限导致的称重结果不准确的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种车辆的动态称重方法，解决了现有动态称重方法对车辆过衡速度的限制以及过衡设备只能对静态或低速通过车辆进行负荷检测的局限性的技术问题。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种微波称重传感器，包括两部分，一部分是一个封闭的圆柱形腔谐振腔，另一部分是用于激励谐振腔中电磁场的探针，作为磁偶极子激励的探针沿谐振腔的径向放置，探针伸入谐振腔的腔体但不穿过谐振腔从而激励谐振腔内的电磁场；探针用于输入一个扫频微波信号，谐振腔受力挤压变形，能够改变谐振腔中扫频微波信号的频率，根据谐振腔受力挤压变形前后的频率差与谐振腔受力大小的对应关系实现微波称重。

本发明还具有如下技术特征：

所述的谐振腔直径为1cm～2cm，谐振腔长度满足至少一个待测车道的宽度，优选1.5m～2m。

所述的谐振腔采用铍铜作为腔壁材料。

所述的探针采用内径为1.52mm、外径为3.5mm的同轴线作为探针。

所述的扫频微波信号的频率范围为6GHz～11GHz。

一种基于如上所述的微波称重传感器的车辆的动态称重方法，快速扫频系统为探针提供一个扫频微波信号，快速扫频系统与CPU的输出端相连，信号输出系统中的环形器采集谐振腔中的频率，信号输出系统(1-4)与CPU的输入端相连，所述的CPU上还连接有前置地感线圈和后置地感线圈，用于确定车辆驶入监测区域和驶出监测区域；所述的CPU上还连接有车辆分离器和轮胎识别器，车辆分离器用于分离车辆，轮胎识别器用于确定分离开的车辆的类型，具体方法按照以下步骤进行：

步骤一，在整个动态称重的监测区域，首先在路面上铺设前置地感线圈用来检测车辆是否进入检测区域，紧接车辆通过铺设的车辆分离器，将车辆分离开；分离开的车辆通过铺设在路面上的轮胎识别器，轮胎识别器采集车辆的轮胎信息，确定车辆类型；微波称重传感器以内嵌形式埋于路面内水平放置，沿着车辆行进方向铺设微波称重传感器，微波称重传感器动态检测车辆重量；微波称重传感器安装于监测区域的路面时，谐振腔x轴方向与车辆行进方向相同，谐振腔y轴方向与路面垂直，谐振腔z轴方向与车辆行驶方向垂直；最后在路面上铺设后置地感线圈用来检测车辆是否驶出检测区域；

步骤二，CPU控制快速扫频系统产生扫频微波信号，经过探针传送给铺设在监测区域内的谐振腔，谐振腔在车辆经过时发生形变，形变使得输出的谐振频率与输入的谐振频率不同，发生改变，输出的谐振频率通过信号输出系统的环形器传输给功率监测器，经放大器放大，放大后的信号传送至CPU，通过对比车辆经过微波称重传感器的输入谐振频率信号和输出谐振频率信号的变化，由已知重量的车辆标定频率变化与车辆重量之间的函数关系，检测到行进车辆对微波称重传感器产生的频率变化，根据函数关系即可得到对应的车辆重量。

所示的微波称重传感器为三个，之间的间隔为16.5m。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明将微波传感技术用于动态称重领域这一设计思想，提出了一种对车辆过衡速度无须限制的动态称重系统设计方案；克服了以往过衡设备只能对静态或低速通过车辆进行负荷检测的局限性；利用微波信号作为测量参数，并采用低次主模激励谐振腔，在获得高测量精度的同时，最大程度地简化了传感器的结构和尺寸，以适应实际安装环境，同时有效降低了传感器成本，利于应用推广；所设计谐振腔选用强度与灵敏度兼具的金属材料，坚固耐用，保证了传感器在恶劣环境中的较长使用寿命；同时传感器基于电磁原理，工作性能稳定，易校准；此外封闭腔体设计可有效屏蔽测量环境中的电子噪声，使传感器具有良好的抗噪、抗电磁干扰性能，这一特点对于环境嘈杂、车辆引擎噪声频谱较宽的交通检测领域等应用尤为重要。

本发明提供一种基于微波传感技术的车辆动态称重方法，该微波传感技术的车辆动态称重系统(附图1为系统图)包括微波称重传感器、车辆分离器、轮胎识别器、地感线圈和控制柜。称重传感器主要完成车轴的称重、速度检测、轴型判断等工作；车辆分离器用来进行车辆的分离及提供开始、结束等信号；轮胎识别器主要用来检测通过车辆每轴的轮胎数；地感线圈主要用来完成测速、倒车等检测，并与红外分离器一起对非车辆以外的物体或人通过时的判断，减少出错；控制柜处理动态称重传感器和线圈送来的信息，经过分析和处理得到车辆的负荷信息。本发明方法可用于检测静态及动态压力，精确度高，抗电磁干扰能力强，成本低，适合于强度较高的道路交通使用环境，维护成本低，适用于多种道路监测保护以及其它基础设施的监测、维护。

附图说明

图1和图2是谐振腔和探针结构示意图，图1是立体图，图2是z轴方向视图。

图3是快速扫描系统和信号输出系统示意图。

图4是输入微波称重传感器探针的的扫频微波信号。

图5是传感器铺设相对位置示意图。

图6是传感器连接关系示意图。

图7是动态称重系统的工作流程图。

图8是车重与谐振频率之间的关系曲线。

图9是谐振频率与回波损耗的关系曲线，即动态传感器在不同负载条件下，S11值与谐振频率间的相互关系。

图10是谐振频率与谐振腔中Q值线性关系图。

图11是微扰尺寸、z方向长度与频移关系曲线。

图12是微波称重传感器金属管的一致性测试结果。

图13是微波称重传感器金属管不同位置一致性测试的误差曲线。

图中各个标号的含义为：1-微波称重传感器，2-前置地感线圈，3-后置地感线圈，4-CPU，5-车辆分离器，6-轮胎识别器；(1-1)-谐振腔，(1-2)-探针，(1-3)-快速扫频系统，(1-4)-信号输出系统。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

需要说明的是，如图1所示，本发明中谐振腔1-1的x轴表示谐振腔1-1的径向一个方向，y轴表示谐振腔1-1的径向方向与x轴垂直的方向，z轴表示谐振腔1-1轴向的方向，其中探针1-2的方向为y轴的方向。

需要说明的是，本发明所述的快速扫频系统1-3为本领域中能产生如图4所示的扫频微波信号的系统，具体如图3所示，所述的信号输出系统1-4包括安装在谐振腔1-1上的环形器，环形器依次与功率检测器和放大器相连。

本发明的微波称重传感器是基于模型谐振腔电磁场微扰理论制造的。其结构图如附图1所示，它由两部分组成，一部分是两端利用金属板短路的圆柱腔，另一部分是用于激励谐振腔中电磁场的探针。探针沿y轴方向放置，传感器实际安装于路面时，圆柱腔沿z轴方向水平放置，横向埋于路面内，谐振腔1-1直径2a为1cm～2cm，a为半径；谐振腔1-1长度d满足至少一个待测车道的宽度，优选1.5m～2m。当待测车辆驶过时，埋于路面内的传感器方向将与车辆行驶方向相垂直。当车辆经过该传感器时，车辆重量将使得圆柱谐振腔结构产生形变，从而引起腔体谐振频率根据不同负载而产生的线性变化。

测量精度：本发明微波称重传感器的结构采用微波信号进行测量，意味着其测量精度可高达微波信号频率分辨率的精度标准。与其它各类测量参数信号相比，频率信号可具有极高的分辨率。因此，该发明提出的微波压力传感器相对于其它基于检测电阻变化的传感器(例如弯板式或秤台式测压传感器)在测量精度上具有较大的优势。

测量准确性：根据谐振腔基本理论，谐振腔在其谐振频率上的测量精度与谐振腔的品质因数Q_c值相关，Q_c值越高，腔体谐振时的测量越准确。本申请所设计的微波动态称重传感器工作于其谐振频率，为达到较高的测量准确性，应尽量选取较高的Q_c，而Q_c值随着谐振频率的增大而增大，Q_c值与谐振频率的线性关系如图10所示，因此，谐振频率越高，可以得到越高的Q_c值，从而测量的结果会越精确。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例给出了一种微波称重传感器，包括两部分，一部分是两端利用金属板短路的圆柱形腔谐振腔1-1，即封闭的圆柱形腔谐振腔1-1，另一部分是用于激励谐振腔1-1中电磁场的探针1-2，作为磁偶极子激励的探针1-2沿谐振腔1-1的径向放置，探针1-2伸入谐振腔1-1的腔体但不穿过谐振腔1-1从而激励谐振腔1-1内的电磁场；探针1-2用于输入一个扫频微波信号，谐振腔1-1受力挤压变形，能够改变谐振腔1-1中扫频微波信号的频率，根据谐振腔1-1受力挤压变形前后的频率差与谐振腔1-1受力大小的对应关系实现微波称重。

谐振腔1-1采用铍铜作为腔壁材料。铍铜为主要合金元素的铜合金，又称为铍青铜，它是铜合金中性能最好的高级有弹性材料，有很高的强度、弹性、硬度、疲劳强度，弹性滞后小、耐蚀、耐磨、耐寒、高导电、无磁性、冲击不产生火花等一系列优良的物理、化学和力学性能。铍铜管越细，相同情况下的形变越小，精度则越高。微波称重传感器的一般称重精度能控制在5％以内，高速称重的精度在5％～7％，在客户可接受范围内。

谐振腔1-1选择谐振主模TE₁₁₁作为工作模式，TE₁₁₁模式是圆柱谐振腔1-1的基模。

探针1-2采用内径为1.52mm、外径为3.5mm的同轴线作为探针。

不论输入什么类型的电磁波，只要能够在空腔中形成稳定振荡，都会以模式的形式存在。本申请中所提到的由扫频系统生成的周期扫频微波信号输入到谐振腔形成激励。本实施例中所述的微波是频率在6～11GHZ，形状就是我们图4中所示的周期扫频微波信号，其中周期扫频微波信号的产生是经过扫频系统得到的。

图3中的晶振产生的是一定频率的方波信号，经过扫频系统的电路形成图4中的扫频微波信号，但是频率不会改变。所以说初始信号是方波，输入微波传感器的是周期扫频微波信号。

实施例2：

本实施例的动态称重过程中还增加一些其他传感器，将其组成一个车辆动态称重系统来对监测区域内的车辆进行动态称重。

一种基于上所述的微波称重传感器的车辆的动态称重方法，快速扫频系统1-3为探针1-2提供一个扫频微波信号，快速扫频系统1-3与CPU 4的输出端相连，信号输出系统1-4中的环形器采集谐振腔1-1中的频率，信号输出系统1-4与CPU 4的输入端相连，所述的CPU 4上还连接有前置地感线圈2和后置地感线圈3，用于确定车辆驶入监测区域和驶出监测区域；所述的CPU 4上还连接有车辆分离器5和轮胎识别器6，车辆分离器5用于分离车辆，轮胎识别器6用于确定分离开的车辆的类型，具体方法按照以下步骤进行：

步骤一，称重路面为三层结构：从上到下第一层是水泥混凝土路面约为350mm，第二层为热沥青粘合断路层约为100mm，第三层为石灰路基约为250mm。为了实现传感器对行驶过程中的动态车辆进行负荷检测，传感器以内嵌形式埋于路面内水平放置，，在整个动态称重系统的区域，首先在路面上铺设前置地感线圈用来检测车辆是否进入检测区域，紧接车辆通过铺设的车辆分离器，将车辆分离开；分离开的车辆通过铺设的轮胎识别器，轮胎识别器采集车辆的轮胎信息，确定车辆类型；紧接着车辆通过步水平铺设的三个微波称重传感器，微波称重传感器采集到的数据通过集线器将模拟线号传送至AD模块，转化后的数字信息送至控制柜中的CPU；最后车辆通过后置地感线圈，从而完成地感线圈对车辆行驶轨迹的检测。以上采集到的信息通过串行总线传送至控制柜中的CPU，CPU再进行相应的数据处理，从而得到精确的称重信息。

微波称重传感器安装于监测区域的路面时，微波称重传感器水平放置，谐振腔x轴方向与车辆行进方向相同，谐振腔y轴方向与路面垂直，谐振腔z轴方向与车辆行驶方向垂直，沿着车辆行进方向水平放置三根微波称重传感器，因为根据公路相关规定，允许行使的半挂的车身的最大长度为16.5m，三根微波称重传感器之间均以16.5m隔开，可以在车辆高速、低速通过以及静止时对其速度进行自动识别。

步骤二，CPU控制快速扫频系统产生扫频微波信号，经过探针传送给铺设在监测区域内的谐振腔，谐振腔在车辆经过时发生形变，形变使得输出的谐振频率与输入的谐振频率不同，发生改变，输出的谐振频率通过信号输出系统的环形器传输给功率监测器，经放大器放大，放大后的信号传送至CPU，通过对比车辆经过微波称重传感器的输入谐振频率信号和输出谐振频率信号的变化，由已知重量的车辆标定频率变化与车辆重量之间的函数关系，检测到行进车辆对微波称重传感器产生的频率变化，根据函数关系即可得到对应的车辆重量。

仿真实施例：

本申请的技术方案前期研究工作中，利用本申请研发的基于微波谐振腔原理方法的仿真算法对所设计动态称重传感器进行了仿真实验。具体的仿真实验过程步骤：

仿真实验采用美国Ansoft公司开发的HFSS电磁仿真软件，该软件采用有限元法。其性能分析和后处理功能可用于分析谐振频率及品质因数，本发明中微波谐振腔是微波称重传感器的重要组成，而微波谐振腔的主要参数有两个：谐振频率或谐振波长和品质因数。因此我们采用HFSS电磁仿真软件来做相关的电磁仿真。

具体的仿真过程如下：

(1)HFSS设计环境概述。

对圆柱谐振腔进行建模，采用有限导体边界，设置最小求解频率为6GHz，本征模求解，无需外界激励，从而得到谐振频率、品质因数Q_c和场分布图。

(2)结果分析。

观察谐振频率及品质因数Q_c。由于仿真的条件限制，这里的仿真实验中采用半径的微小变化来模拟谐振腔的体积变化。通过大量的结果分析可知随着体积的减小谐振频率会增大的结论，体积变化与谐振频率变化量之间存在对应关系。

本实施例中使用所设计的动态称重传感器为1～2cm直径和1.5～2m长的圆柱形腔体结构。

所得到的仿真结果显示，谐振频移和体积变化(或重量变化)存在着单调相关性。实验结果如图8显示，实线为实际测量的结果，虚线是其拟合曲线，可以发现腔体所受压力与谐振频率值呈线性关系，重量越大，谐振频率越大，与试验得到的结论微扰越大，谐振频率越大一致。

为了确定谐振腔的谐振频率，需要测量S11参数值(S11为谐振腔的信号反射参数)。图9中所显示的是动态传感器在不同负载条件下，S11值与谐振频率间的相互关系。

图11是该传感器在不同压力形变下所测得的谐振频率图。可以看出在谐振腔在同一压力形变的微扰尺寸情况下，随着谐振腔长度的变化谐振频率基本稳定不变。而不同的压力形变微扰尺寸对频率偏移的影响非常明显，微扰尺寸越大，频移越大。该特性证明传感器可稳定工作于其谐振频率，从而达到测量精确的目的。

以上的研究工作充分表明本项目中所提出的这种基于微波谐振腔扰动原理的压力传感器设计思路合理可行，仿真结果与实测结果有较好的吻合，验证了将这种微波压力传感器应用于动态称重系统的可行性和有效性。

由大量的仿真结果可以知道，随着微波谐振腔尺寸的变化腔体的谐振频率发生变化。大量实验验证得到：当腔体体积微变时，两种基模TM010和TE111谐振频率呈线性变化，从而可以由谐振频率对应得到体积变化的量，由实验得到的数学模型式Ⅰ可以得到对应的压力，从而可以得出车重。大量实验得到的数学模型如式Ⅰ所示，其中F代表测量车辆的车重，K是Δf＝0(即谐振频率变化量为零)时对应的车重，α是实验测量得到的F和Δf拟合出来直线的斜率，因为各种类型车辆的对应关系不一样，其中K和α多种不同的组合。图12是在实验室测量下得到微波称重传感器所用金属管的一致性检测结果，可以看出不同位置的测试都符合线性；图13是管子不同位置的一致性测试的误差范围，可以看出误差在±3％范围内，能很好的满足测量需要的线性和一致性。

F＝K+αΔf   (式Ⅰ)

其中：Δf表示频率变化量。

采用三类的车辆为例进行测量，分别是微型轿车、中级轿车和微型客车。测量结果如下表1，从表1可以看出测量结果对应式Ⅰ的拟合曲线的参数；磅秤称重结果与标准重量相比较，其误差为±3％，而本发明的微波称重传感器称重结果误差为±4％。可知，采用微波称重传感器的动态称重结果误差较小，与静态的磅秤称重结果基本持平，称重结果满足称重精度要求。

Claims (8)

1.一种微波称重传感器，其特征在于：包括两部分，一部分是一个封闭的的圆柱形腔谐振腔(1-1)，另一部分是用于激励谐振腔(1-1)中电磁场的探针(1-2)，作为磁偶极子激励的探针(1-2)沿谐振腔(1-1)的径向放置，探针(1-2)伸入谐振腔(1-1)的腔体但不穿过谐振腔(1-1)从而激励谐振腔(1-1)内的电磁场；探针(1-2)用于输入一个扫频微波信号，谐振腔(1-1)受力挤压变形，能够改变谐振腔(1-1)中扫频微波信号的频率，根据谐振腔(1-1)受力挤压变形前后的频率差与谐振腔(1-1)受力大小的对应关系实现微波称重。

2.如权利要求1所述的微波称重传感器，其特征在于：所述的谐振腔(1-1)直径为1cm～2cm，谐振腔(1-1)长度满足至少一个待测车道的宽度。

3.如权利要求2所述的微波称重传感器，其特征在于：所述的谐振腔(1-1)长度为1.5m～2m。

4.如权利要求1所述的微波称重传感器，其特征在于：所述的谐振腔(1-1)采用铍铜作为腔壁材料。

5.如权利要求1所述的微波称重传感器，其特征在于：所述的探针(1-2)采用内径为1.52mm、外径为3.5mm的同轴线作为探针。

6.如权利要求1所述的微波称重传感器，其特征在于：所述的扫频微波信号的频率范围为6GHz～11GHz。

7.一种基于如权利要求1所述的微波称重传感器的车辆的动态称重方法，其特征在于：快速扫频系统(1‐3)为探针(1‐2)提供一个扫频微波信号，快速扫频系统(1‐3)与CPU(4)的输出端相连，信号输出系统(1‐4)中的环形器采集谐振腔(1‐1)中的频率，信号输出系统(1‐4)与CPU(4)的输入端相连，所述的CPU(4)上还连接有前置地感线圈(2)和后置地感线圈(3)，用于确定车辆驶入监测区域和驶出监测区域；所述的CPU(4)上还连接有车辆分离器(5)和轮胎识别器(6)，车辆分离器(5)用于分离车辆，轮胎识别器(6)用于确定分离开的车辆的类型，具体方法按照以下步骤进行：

步骤一，在整个动态称重的监测区域，首先在路面上铺设前置地感线圈(2)用来检测车辆是否进入检测区域，紧接车辆通过铺设的车辆分离器(5)，将车辆分离开；分离开的车辆通过铺设在路面上的轮胎识别器(6)，轮胎识别器(6)采集车辆的轮胎信息，确定车辆类型；微波称重传感器(1)以内嵌形式埋于路面内水平放置，沿着车辆行进方向铺设微波称重传感器(1)，微波称重传感器(1)动态检测车辆重量；微波称重传感器(1)安装于监测区域的路面时，谐振腔(1‐1)x轴方向与车辆行进方向相同，谐振腔(1‐1)y轴方向与路面垂直，谐振腔(1‐1)z轴方向与车辆行驶方向垂直；最后在路面上铺设后置地感线圈(3)用来检测车辆是否驶出检测区域；

步骤二，CPU(4)控制快速扫频系统(1‐3)产生扫频微波信号，经过探针(1‐2)传送给铺设在监测区域内的谐振腔(1‐2)，谐振腔(1‐2)在车辆经过时发生形变，形变使得输出的谐振频率与输入的谐振频率不同，发生改变，输出的谐振频率通过信号输出系统(1‐4)的环形器传输给功率监测器，经放大器放大，放大后的信号传送至CPU(4)，通过对比车辆经过微波称重传感器(1)的输入谐振频率信号和输出谐振频率信号的变化，由已知重量的车辆标定频率变化与车辆重量之间的函数关系，检测到行进车辆对微波称重传感器(1)产生的频率变化，根据函数关系即可得到对应的车辆重量。

8.如权利要求7所述的动态称重方法，其特征在于：所述的微波称重传感器(1)为三个，之间的间隔为16.5m。