CN110631672A - 一种谐振式车辆动态称重系统及方法 - Google Patents

一种谐振式车辆动态称重系统及方法 Download PDF

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叶竹之
桑利
李新
黄福芝
白鸥
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Abstract

本发明公开了一种谐振式车辆动态称重系统及方法，涉及车辆称重系统领域。包括若干个称量单元和上机位；其中，一个称量单元包括一个受力敏感元件和一个信号处理电路；所述称量单元设置于称重路段地表之下，所述上机位设于称重路段路旁控制房内，且称重单元与上机位通过CAN总线连接。本发明解决了电阻应变式系统和电荷放大式系统所存在的自身缺陷，实现了车辆在更广的速度区间内进行重量测量的目的，并且提高了测量精度，增强了系统抗干扰能力。

Description

一种谐振式车辆动态称重系统及方法
技术领域
本发明涉及车辆称重系统领域，特别涉及一种谐振式车辆动态称重系统及方法。
背景技术
现在的公路管理越来越向快速化和自动化方向发展，这就要求车辆的称重系统必须具备快速的在车辆运动中准确可靠测车辆重量的能力，并且决定了动态称重系统在交通轴载调查、治理超限超载运输和计重收费系统中不可替代的作用。
传统的车辆称重系统包括电阻应变式系统和电荷放大式系统。
其中，电阻应变式系统应用最为广泛，主要是在工厂、仓库等地方作静态称重之用。电荷放大式系统通过采集应变片两端电压的方式进行计算。然而，电荷放大式系统的反应速度太慢，精度较低，无法实现高速的称量，并且其感应的应变片的寿命很短，寿命只有三个月，并且其受温度影响较大。
电荷放大式系统是一种通过测量部分轮载从而累加车辆总重的系统，它通过石英晶体的压电效应，采集晶体在受到动态压力作用下产生的电荷，经过放大，转换为电压信号进行计算。电荷放大式系统处理的是模拟信号，易受到外界因素的干扰，而且无法进行车辆在极低速状态下的重量测量。
故而本专利文献提供了一种谐振式车辆动态称重系统及方法。
发明内容
本发明的目的在于：提供了一种谐振式车辆动态称重系统及方法，解决了电阻应变式系统和电荷放大式系统所存在的自身缺陷，实现了车辆在更广的速度区间内进行重量测量的目的，并且提高了测量精度，增强了系统抗干扰能力。
本发明采用的技术方案如下：
一种谐振式车辆动态称重系统，包括若干个称量单元和上机位；
其中，一个称量单元包括一个受力敏感元件和一个信号处理电路；
所述称量单元在称重路段上垂直于车辆行进方向连续紧密的排布，所述上机位设于称重路段路旁控制房内，且称重单元与上机位通过CAN总线连接。
其中，所述称量单元的数量为28个。
本发明受力敏感元件和信号处理电路安装在一起埋于地下，一个敏感元件和一个信号处理电路为一组，称为一个称量单元。最优选为单条车道排布28个称量单元；另外，上位机安装在路旁控制房内，各个称量单元和上位机之间通过CAN总线连接。
一种谐振式车辆动态称重方法：
S1：在称重路段上垂直于车辆行进方向连续紧密的排布n个受力敏感元件，并将受力敏感元件的电极接入信号处理电路的自激振荡电路中；
S2：当车辆通过称重路段时，以时间T为周期，N次测量每个受力敏感元件发生的谐振频率；
S3：根据步骤S2中测量N次的每个受力敏感元件发生的谐振频率进行换算，得到n个受力敏感元件N次测量的压力，共n×N组压力数据；
S4：对步骤S4中n×N组压力数据进行求和得到车辆总重。
进一步地，所述S2中的T周期为，设受力敏感元件的受力面在车辆行进方向上的长度为L0，车辆通过受力敏感元件的速度为v，则车辆通过敏感元件的时间为
Figure BDA0002227989310000024
其中，N×L0的长度超过车身总长度。
设受力敏感元件所受到的压力为Fxij，设将受力敏感元件的电极接入信号处理电路的自激振荡电路中，受力敏感元件受力状态下会发生的谐振频率为fxij，设未对受力敏感元件施加压力时的谐振频率为f0i；设受力敏感元件的力频系数为Ai。
当车辆通过称重单元时，由于n个受力敏感元件是垂直于车辆行进方向连续紧密的互相平行排布的，故而车辆会压在其中几个受力敏感元件上，而剩余的受力敏感元件未承受压力，这就使得n个受力敏感元件所承受的压力的总和，为该车辆在一个周期上的总重量。
另外，若受力敏感元件在车辆行进方向上的长度过长，则会增加硬件成本。故而本发明以时间T为周期，N次测量每个受力敏感元件发生的谐振频率，只需要满足N×L0的长度超过车身总长度，则可等效为N个长度为L0的敏感元件连续紧密地排布在称重区域，将这N次计算的车辆重量进行累加，并将n个测量单元的测量结果进行累加，即可得到车辆的总重量为：
Figure BDA0002227989310000021
当n＝1、N＝1时，有：
Figure BDA0002227989310000022
进一步地，于信号处理电路中设标准频率fs，时间T内对fx和fs同时计数，计数值分别为Nx和Ns，
则：
Figure BDA0002227989310000023
则车辆总重量为：
Figure BDA0002227989310000031
其中，标准频率fs大于fx10倍及以上。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明一种谐振式车辆动态称重系统，利用石英晶体的谐振频率会随外部压力而改变的特性来进行测量，精度较高。
2.谐振式测量理论上也可以进行静态时的称重，只是本系统是通过测量部分轮载再进行累加的方式计算总重，故不能进行静态测量，但可以进行除静态外的所有法定安全限速范围内的测量，较电阻应变式系统和电荷放大式系统放宽了车速限制条件。
3.本发明一种谐振式车辆动态称重系统，处理的是数字信号，较处理模拟信号的系统具有更强的抗干扰能力。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是两条车道的称量单元和上机位的网络拓扑图；
图2是本发明皮尔斯振荡电路；
图3是本发明基准信号计数器的计数电路；
图4是本发明谐振频率值的计算电路；
图5是本发明中一个受力敏感元件的信号处理流程图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面对本发明作详细说明。
实施例1
一种谐振式车辆动态称重系统，包括若干个称量单元和上机位；
其中，一个称量单元包括一个受力敏感元件和一个信号处理电路；
所述称量单元设置于称重路段地表之下，所述上机位设于称重路段路旁控制房内，且称重单元与上机位通过CAN总线连接。
其中，所述称量单元的数量为28个。
为了实现车辆在更广的速度区间内进行重量测量，提高测量精度并且增强系统抗干扰能力，本系统主要由谐振式受力敏感元件、信号处理电路和上位机三个部分组成。受力敏感元件和信号处理电路安装在一起埋于地下，一个敏感元件和一个信号处理电路为一组，称为一个称量单元。最优选为单条车道排布28个称量单元；另外，上位机安装在路旁控制房内，各个称量单元和上位机之间通过CAN总线连接。
实施例2
本实施例为实施例1的补充说明。
本发明的受力敏感元件采用石英晶体制成。石英晶体具有优良的压电性能，在外力的作用下，会发生极化现象，在其相应的两晶面上产生束缚电荷；当外力撤去时，电介质又恢复成原来不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当对电介质沿着极化方向施加外电场时，电介质在其相应的方向上产生机械形变，这种现象称为逆压电效应。当对电介质施加交变电场时，电介质就会不断地压缩和伸长，像弹簧一样产生振动，在其相应界面上出现交变电荷，电能和机械能互相转换，使得石英晶体处于不断振荡状态。
本发明利用石英晶体的谐振频率会随外部压力而改变的特性来进行车辆称重，大大提高了测量精度。
实施例3
一种谐振式车辆动态称重方法：
S1：在称重路段上垂直于车辆行进方向连续紧密的排布n个受力敏感元件，并将受力敏感元件的电极接入信号处理电路的自激振荡电路中；
S2：当车辆通过称重路段时，以时间T为周期，N次测量每个受力敏感元件发生的谐振频率；
S3：根据步骤S2中测量N次的每个受力敏感元件发生的谐振频率进行换算，得到n个受力敏感元件N次测量的压力，共n×N组压力数据；
S4：对步骤S4中n×N组压力数据进行求和得到车辆总重。
当车辆通过称重单元时，由于n个受力敏感元件是垂直于车辆行进方向连续紧密的互相平行排布的，故而车辆会压在其中几个受力敏感元件上，而剩余的受力敏感元件未承受压力，这就使得n个受力敏感元件所承受的压力的总和，为该车辆在一个周期上的总重量。
另外，若受力敏感元件在车辆行进方向上的长度过长，则会增加硬件成本。故而本发明以时间T为周期，N次测量每个受力敏感元件发生的谐振频率，只需要满足N×L0的长度超过车身总长度，则可等效为N个长度为L0的敏感元件连续紧密地排布在称重区域，将这N次计算的车辆重量进行累加，并将n个测量单元的测量结果进行累加，即可得到车辆的总重量。
实施例4
本实施例为实施例3的补充说明。
所述S2中的T周期为，设受力敏感元件的受力面在车辆行进方向上的长度为L0，车辆通过受力敏感元件的速度为v，则车辆通过敏感元件的时间为
Figure BDA0002227989310000051
其中，N×L0的长度超过车身总长度。
实施例5
本实施例为实施例3的补充说明。
设受力敏感元件所受到的压力为Fxij，设将受力敏感元件的电极接入信号处理电路的自激振荡电路中，受力敏感元件受力状态下会发生的谐振频率为fxij，设未对受力敏感元件施加压力时的谐振频率为f0i；设受力敏感元件的力频系数为Ai。
将这N次计算的车辆重量进行累加，并将n个测量单元的测量结果进行累加，即可得到车辆的总重量为：
Figure BDA0002227989310000052
当n＝1、N＝1时，有：
Figure BDA0002227989310000053
进一步地，于信号处理电路中设标准频率fs，时间T内对fx和fs同时计数，计数值分别为Nx和Ns，
则：
Figure BDA0002227989310000054
则车辆总重量为：
Figure BDA0002227989310000055
其中，标准频率fs大于fx10倍及以上。
实施例6
如图1所示，所述一个称量单元中，信号处理电路是将受力敏感元件连接到一个皮尔斯振荡电路，所述皮尔斯振荡电路依次通过逻辑门混频器和低通滤波器后，连接到正弦波方波变换电路，然后连接到被测信号计数器，被测信号计数器输出谐振频率值。
其中，所述一个称量单元的信号处理电路中，还包括一个连接到逻辑门混频器的本地振荡信号。
其中，所述一个称量单元的信号处理电路中，还包括一个连接到基准信号计数器的本地高频振荡信号，基准信号计数器输出谐振频率值。
实施例7
如图2所示，所述皮尔斯振荡电路是，电容C18和电容C23的一端接地，另一端分别连接到一个电阻R8的两端；所述电容C18的非接地端连接到一个外部晶振P3的2号引脚，所述电容C23的非接地端连接到所述外部晶振P3的1号引脚；所述电容C18的非接地端还连接到一个六反相器集成块U5的1A号引脚，所述电容C23的非接地端通过电阻R9后连接到所述六反相器集成块U5的1Y和2A引脚；所述六反相器集成块U5的VCC引脚连接到电源，所述六反相器集成块U5的VCC号引脚另外连接电容C19后接地，所述六反相器集成块 U5的3A号、4A号、5A号、6A号引脚通过分别通过电阻后接地。
实施例8
如图3所示，所述基准信号计数器的计数电路是，电感L2的一端连接电源，所述电感 L2的另一端分别通过电容C20、电容C21和电容C22后接地，所述电感L2的非电源端连接到一个断路器U6的VCC引脚，所述断路器U6的OUT引脚通过电阻R10后连接到一个与非逻辑门电路U7的B引脚，所述与非逻辑门U7的VCC引脚连接到电源，所述与非逻辑门 U7的VCC引脚还通过电容C24后接地，所述与非逻辑门U7的Y引脚连接到一个增序计数器U8的CLKA、CLKB和RCLK引脚，所述增序计数器U8的RCOA引脚和CLKBEN引脚相连。
实施例9
如图4所示，所述谐振频率值的计算电路是，高位数据线CAN_H连接到五位拨码开关 SW1的1号引脚，所述五位拨码开关SW1的2号、3号、4号、5号引脚接地，所述五位拨码开关SW1的10号引脚通过电阻R3后连接到低位数据线CAN_L，所述五位拨码开关SW1 的6号、7号、8号、9号引脚分别连接到一个嵌入式微控制器U2.2的PA3、PA2、PA1、PA0- WKUP引脚，所述嵌入式微控制器U2.2的PA4、PA5、PA6、PA7引脚分别连接到所述增序计数器U8的GAL、GAU、GBL、GBU引脚，所述嵌入式微控制器U2.2的PA8引脚连接到所述与非逻辑门U7的A引脚，所述嵌入式微控制器U2.2的PA9引脚连接到所述增序计数器U8的CCLR引脚，所述嵌入式微控制器U2.2的PA15号引脚连接到六反相器集成块U5 的2Y引脚，所述嵌入式微控制器U2.2的PB0-PB7号引脚分别连接到所述增序计数器U8的 Y0至Y7号引脚，所述嵌入式微控制器U2.2的PD0和PD1号引脚分别通过一个电容C15和 C17后接地，且嵌入式微控制器U2.2的PD0和PD1号引脚通过一个电阻R7并联一个二脚晶振X1连接，所述嵌入式微控制器U2.2的BOOT0引脚通过一个电阻R5后接地，所述嵌入式微控制器U2.2的NRST引脚通过一个电阻R6后连接到电源，所述嵌入式微控制器U2.2 的NRST引脚还通过电容C16后接地。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种谐振式车辆动态称重系统，其特征在于：包括若干个称量单元和上机位；
其中，一个称量单元包括一个受力敏感元件和一个信号处理电路；
所述称量单元在称重路段上垂直于车辆行进方向连续紧密的排布，所述上机位设于称重路段路旁控制房内，且称重单元与上机位通过CAN总线连接。
2.根据权利要求1所述的一种谐振式车辆动态称重系统，其特征在于：所述称量单元的数量为8个。
3.一种谐振式车辆动态称重方法，其特征在于：
S1：在称重路段上垂直于车辆行进方向连续紧密的排布n个受力敏感元件，并将受力敏感元件的电极接入信号处理电路的自激振荡电路中；
S2：当车辆通过称重路段时，以时间T为周期，N次测量每个受力敏感元件发生的谐振频率；
S3：根据步骤S2中测量N次的每个受力敏感元件发生的谐振频率进行换算，得到n个受力敏感元件N次测量的压力，共n×N组压力数据；
S4：对步骤S4中n×N组压力数据进行求和得到车辆总重。
4.根据权利要求3所述的一种谐振式车辆动态称重方法，其特征在于：所述S2中的T周期为，设受力敏感元件的受力面在车辆行进方向上的长度为L0，车辆通过受力敏感元件的速度为v，则车辆通过敏感元件的时间为
Figure FDA0002227989300000011
5.根据权利要求4所述的一种谐振式车辆动态称重方法，其特征在于：N×L0的长度超过车身总长度。
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