CN1271394C - 车辆超载检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本车辆超载检测系统的压强检测装置为多个含传压棒和应变片的检测点，安置于路面。信号处理装置包括依次相连接的放大器、平均器、模数转换器及单片机。检测点与相配的放大器一一相连，应变片因轮胎所压产生的信号经放大器放大后，送入平均器，平均器对多路模拟信号相加平均，所得结果经模数转换送入单片机。单片机将此信号与预先经实验各种车辆超载时所得信号综合后而设定的超载信号值相比较，当前信号值大于设定超载信号值时送入计算机记录存储并启动报警系统和摄录像系统。本发明检测轮胎对地压强所产生的信号值，判断其是否超载，简便易行。本系统车辆行停均可检测，不影响道路通行。能自动消除温漂影响，检测准确，报警无误。

Description

车辆超载检测系统及其检测方法

(一)技术领域

本发明涉及一种车辆称重系统及其运行方法，具体为一种车辆超载检测系统及其检测方法。

(二)技术背景

目前机动车辆超载是严重问题。长途货车大部分超载，超载量甚至达到为额定载重的数倍，如5吨的车居然能装载近20吨。严重的超载不仅引发重大交通事故，而且对道路桥梁都造成破坏。数亿元成本的高速公路建成不久就惨遭超载车辆破坏，大大影响我国的交通道路顺畅。为了保护路面，解决超载问题，各道路辖区只好出动大量警力在主要路口查、罚、堵。

但现在检查车辆是否超载大多只是通过目测，观看其装载货物的体积推断，或观察车辆钢板受压情况，显然不科学不准确。若是对车辆称重，目前多是采用地磅。这种设备质量大，安装复杂，固定的检测站才能配备。而且车辆必须行驶到地磅上才能测量。目测或过磅对于行驶中的车辆特别是高速行驶的车辆均无能为力，停车查验，容易造成车辆堵塞，也会有车辆逃逸。

国外现有采用石英晶体传感器的运动中称重系统，但价格昂贵，只适合于在固定车道安装使用。

为解决机动车辆动态超载检测问题，已有专利申请提出。如中国发明专利申请02104001“汽车超载自动识别检测系统及方法”，该检测系统检测每辆车的总重量，与数据库中的此车自重比较计算，确定是否超载。此系统中要存储各种车辆的自重、核定载重量等信息，或为各种车辆建立存储此类信息的电子卡，工作量极大。确定车型、查询重量信息，再计算比较，确定是否超载的步骤也较多，实时控制有困难。

中国发明专利申请02138337“便携式汽车行驶中称重仪”提出将橡胶压力油管置于路面，油管端装有手动泵和压力传感器，经压力传感器将压力信号传输至信号处理仪。虽然该称重仪便携，也可实现对汽车载荷的实时测量和评价。但油压随温度变化较，影响压力测量的准确，特别是橡胶压力油管难以承受长时期车辆的辗压，易于发生漏油等故障，使系统失效。

故，为保护公路路面，目前急需要行驶中车辆的超载检测系统。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种车辆超载检测系统，可安装在普通路面上，对行驶或静止车辆均可实时检测是否超载。

本发明的另一目的是设计本车辆超载检测系统的检测方法，实时检测行驶或静止车辆是否超载。

本发明设计的车辆超载检测系统包括压强检测装置和信号处理装置。压强检测装置为多个含传压棒和应变片的检测点，安置于路面。应变片检测装置在车辆轮胎压在其上时根据所承受压强的大小发出电平信号。信号处理装置包括依次相连接的放大器、平均器、模数转换器及单片机、计算机。应变片检测点与数目与之相配的放大器一一相连。

本车辆超载检测系统的检测方法为：应变片因轮胎所压产生的信号送入放大器放大后，送入平均器，平均器对多路模拟信号相加平均，所得结果送入模数转换器将模拟信号转换为数字信号，再送入单片机。单片机将此信号与预先采用本压强检测装置、经实验各种车辆超载时所得信号综合后而设定的超载信号值相比较，当前信号值大于设定超载信号值时送入计算机记录存储并启动报警系统和摄录像系统。

为保护公路路面，关键在于车辆轮胎对地面的压强不能过大。机动车辆的额定载重量由其车辆结构决定，但无论大小车辆，在最大载重量时其轮胎对地面的压强不会超过一个安全值。本发明的设计即是据此，检测车辆轮胎对地面的压强所产生的信号值是否超出一定值，判断其是否超载。检测轮胎对地面的压强所产生的信号值而不是检测整车的总重量，省去了确定车辆自重及额定载重量再进行计算等复杂步骤，简便易行。应变片检测装置安装于基本平坦的路面上即可检测。多个应变片检测点横贯路面安置，车辆的轮胎只要压到其中一个应变片检测点即输出信号，无论车辆的行驶速度如何或车辆停止，均可检测。也不必要求车辆行驶到特殊车道，更不必停车检查，不影响道路上车辆的正常通过量，也不会有车辆逃脱检测。本检测系统可直接与报警系统、摄影或录像系统连接，发现超载时直接报警或立即摄下超载车辆图像存档等待处理。本车辆超载检测系统的压强检测装置和信号处理装置采用普通的应变片和放大器来进行检测和信号处理，因巧妙地运用了RC延时器以及信号差值的计算，均能自动消除温漂等误差的影响，检测准确，而且装置易于推广应用。本系统还可根据路面情况及需要调节设置超载判断标准δ，灵活机动，报警无误。

(四)附图说明

图1为本行驶中车辆超载检测系统主要电路框图；

图2为本车辆超载检测系统压强检测装置整体结构示意图；

图3为本车辆超载检测系统压强检测装置A型某个检测点的剖面图；

图4为本车辆超载检测系统压强检测装置B型某个检测点的剖面图；

图5为本车辆超载检测系统压强检测装置某个检测点4个应变片组成的电桥电路图；

图6为本车辆超载检测系统单片机处理程序框图；

图7为本车辆超载检测系统的可变多路输入信号平均器电路示意图。

(五)具体实施方式

本发明设计的车辆超载检测系统包括压强检测装置和信号处理装置，其电路框图如图1所示。压强检测装置与信号处理装置相连接。压强检测装置为多个含传压棒和应变片的检测点。信号处理装置包括依次相连接的放大器、平均器、模数转换器及单片机，计算机。应变片检测点与数目与之相配的放大器一一相连。

如图2～4所示，压强检测装置包括方管1、传压棒2和应变片3。应变片3为一般应变电阻元件。刚性方管1截面为边长8～12厘米的矩形框，其上表面有多个直径为0.8～1.2厘米的孔。传压棒2为直径0.8～1.2厘米的刚性棒，传压棒2的直径略小于方管1表面孔的直径。实施例中方管1为钢制方管，传压棒2为钢棒。传压棒2底端与方管1内面固接，顶端从方管1上表面孔伸出，顶端表面与方管1上表面相平齐。1或2个应变片3固定于传压棒2侧面，3或2个应变片3固定于方管1内底面，4个应变片3连接为电桥。A型检测装置如图3所示，传压棒2为L形，水平段尾端与方管1侧面相固接，垂直段的顶端从方管1上表面孔中伸出，顶端表面与方管1上表面相平齐。2个应变片3固定于传压棒2水平段上下两相对面上，2个应变片3固定于方管1内底面。B型检测装置如图4所示，传压棒2为直棒，垂直插入方管1表面的孔内，底端与方管1内底面固接，顶端表面与方管1上表面相平齐。1个应变片3固定于传压棒2侧面，3个应变片3固定于方管1内底面。

如图5所示，4个应变片3连接为电桥，电桥的某两端加电压U₀，另两端为输出端，输出Ui，与放大器连接。当电桥中某个应变片电阻值发生变化时，即其输出Ui发生变化。当有温度等引起电阻值变化时，因4个应变片3同时缓慢变化，不会影响电桥输出，即固定于方管1内面的应变片起到温度补偿作用。上述Ui送入信号处理装置，据此判断压强值。

1个传压棒2和4个应变片3组成一个检测点。方管1上有多个、设为M个检测点。检测点之间的间距为5～20厘米，方管横贯车道埋入路面，其上表面与路面平齐。载重车辆经过时至少有一个轮胎会压到至少一个检测点。

如图1所示，压强检测装置与信号处理装置相连接。信号处理装置包括依次相连接的放大器、平均器、模数转换器及单片机。M个检测点应变片电桥输出端与M个放大器一一相连，M个放大器分别与M档的电子开关A相连接。

本系统的平均器为可变多路输入模拟信号平均器，其电路结构示意图如图7所示，包括电子开关A5、模拟加法器6和电子开关B7，还包括电阻13和电容14构成的RC延时电路、单稳触发器12、数字加法器11、数字译码器10、反相器9。M个应变片电桥分别与M个放大器4连接，放大器4与电子开关A5连接，再与模拟加法器6连接。模拟加法器6的输出端与电子开关B7连接。放大器4的输出端同时经电阻13电容14构成的RC延时器连接单稳触发器12，单稳触发器12的反相输出端和电子开关A5的使能端连接，单稳触发器12的正相输出端与数字加法器11的输入端连接，数字加法器11的输出端接入数字译码器10的输入端，数字译码器10的输出端经反相器9与电子开关B7的使能端连接。电子开关B7输出端有M个相同的串联电阻8，平均器输出端从第一个电阻8的一端引出。当其有i路导通时，模拟加法器6信号相加值经i个电阻8平均后为平均器输出。该输出经模数转换器，再接入单片机输入端。

因有温度等外界因素的影响，应变片3电桥的四个电阻很难完全平衡，完全没有输出。为判断检测点输出信号的真伪，在各个放大器4后接入电阻13、电容14构成的RC延时器，再接单稳触发器12。当M个检测点的应变片3电桥输出M个信号，M个放大器4工作。若有i个检测点被轮胎所压，那么i个放大器4的输出就会有跃变，单稳触发器12只有当跃变足够大时才会翻转。也就是说即使温漂很大，因温度的变化是逐渐的，非跃变，RC的时间常数足够小时，温漂产生的信号无法使单稳触发器12翻转。避免了单纯由温漂产生的信号进入模拟加法器6。模拟加法器6不会将虚假信号加入因压强产生的信号。而因轮胎压强产生的跃变信号Vi使单稳触发器12翻转。RC延时器的时间常数可调节。

设有m个信号通过单稳触发器12，即m路单稳触发器12有输出V₁～V_m，电子开关A5有m路使能端得到信号，电子开关A5有m档接通至模拟加法器6，模拟加法器6将m个信号相加得 $V_m=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Vi}.$ m个单稳触发器12的输出同时送入数字加法器11，数字加法器11将m个信号相加得 $m=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}i,$ 并通过数字译码器10使电子开关B7的第m路导通，在第m路输出模拟加法器6所得m个信号模拟值之和V_m因电子开关B7输出端有串联的M个相等的电阻8，当电子开关B7的第m路导通时，V_m被m个电阻分压，平均器输出端的输出V_P＝V_m/m。此模拟信号经模数转换器，转换为数字信号，送入单片机处理。

本汽车超载检测系统的检测方法如下：

本系统的压强检测装置横贯车道埋下后，经过该车道的车辆，其中一个轮胎或处于同一直线上的数个轮胎必会压到M个检测点中的某个或某几个。若是正三轮车，其前轮单个压在检测点上，若一般四轮车，前后两对轮先后压到检测点，而大型载重车同一轴上可能有四个轮胎同时压到检测点。设受压的检测点为i个，这i个检测点在车辆轮胎压在其上时根据所承受压强的大小发出i个电平信号U_i。U_i与检测点承受压强成正比。

当有m个应变片电桥产生的信号U_i送入m个放大器，m个模拟信号放大后的V_i送入平均器。平均器对m个模拟信号相加平均，所得结果V_p送入模数转换器将模拟信号转换为数字信号P_j，再送入单片机。单片机根据计算结果与超载判断标准比较此时压在应变片上的轮胎是否超载。

超载判断标准δ为采用本压强检测装置、预先实验测定各种车型车辆超载1.2至5倍时其轮胎对地面的压强所产生的信号值，平均取中间值，设定为超载信号值。δ存入单片机，根据路面情况及需要，单片机编程时可对其进行调整设置，当前检测到的轮胎对地面压强产生的信号值大于或等于δ值时，判断其为超载。因超载判断标准δ根据实验综合而得，且可调节，故本系统避免了误判断误报警。

单片机处理程序框图如图6所示。单片机启动后，当有车辆压到某个检测点时，模数转换器每间隔一定时间t取样一次，传递信号到单片机。单片机接受模数转换器送来的压强信号P_j，判断该信号P_j与前一信号P_j-1的大小，当P_j大于P_j-1，记录保存所得数据P_j-P_j-1，至(P_j-P_j-1)小于或等于0时，将原存储的n个(P_j-P_j-1)值相加，计算 $P_n=\underset{j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(P_j-P_{j-1}),$ 将P_n值与所定超载判断标准δ比较，若P_n小于δ，说明此轮胎未超载，单片机清零，即清除原存储的n个(P_j-P_j-1)值，开始接受新的一组P_j信号。若P_n大于或等于δ时，结果送入计算机存储，启动报警系统，启动摄/录像系统，并且清零，开始接受新的一组P_j信号。

温漂等会使应变片或放大器产生信号误差，即在应变片未受压时，也会输出P_温。为消除误差，单片机分析处理时，取前后信号之差进行判断。即当后一信号P_j与前一信号P_j-1之差大于0时，记录保存所得数据P_j-P_j-1。由于相隔时间t所得到的P_j和P_j-1所含误差相同，其差即为轮胎压强产生的结果，此法消除了温漂等误差。每隔时间t单片机得到信号一次，当车辆行驶时，轮胎逐渐压到检测点上，压强逐步增大，即(P_j-P_j-1)大于0，当压强达到最大值、轮胎开始离开检测点时，对检测点产生的压强逐步减小，即(P_j-P_j-1)小于或等于0，此时的(P_j-P_j-1)值不再记录存储。

设在压强达到最大值时得到n个大于0的(P_j-P_j-1)值，计算n个(P_j-P_j-1)之和， $P_n=\underset{j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(P_j-P_{j-1}),$ P_n为此轮胎对检测点的压强。将P_n值与所定超载判断标准δ比较，若P_n小于δ，说明此轮胎未超载，单片机清零，即清除原记录存储的(P_j-P_j-1)，开始接受新的一组P_j信号。若P_n大于或等于δ时，结果送入计算机存储，单片机启动报警系统，报告有车超载，单片机还启动摄/录像系统，摄/录超载车辆车牌等信息，摄录像结果送入计算机存储，供事后查询及处理。最后单片机清零，开始接受新的一组P_j信号。

对于时速为每小时72公里的机动车，即速度为每秒20米。其驶过10厘米的所用时间约为5毫秒。一般轮胎与地接触面的长度为10厘米。本系统中模数转换器取样间隔时间t＝1～10毫秒，即当车速高达每小时60公里时，其轮胎压到检测点时也不会漏检。而当车轮行驶到检测点后停止时，虽因停车后(P_j-P_j-1)不再大于0，同样可从该车驶上检测点的数据得到其压强数值。

平均器中单稳触发器12翻转时间大于数模转换器采样时间，为2～20毫秒。

Claims (10)

1一种车辆超载检测系统，包括压强检测装置和信号处理装置，压强检测装置与信号处理装置相连接；其特征为：

压强检测装置为多个含传压棒和应变片的检测点，安置于路面；应变片检测装置在车辆轮胎压在其上时根据所承受压强的大小发出电平信号；信号处理装置包括依次相连接的放大器、平均器、模数转换器及单片机、计算机；应变片检测点与数目与之相配的放大器一一相连。

2根据权利要求1所述的车辆超载检测系统，其特征为：

压强检测装置包括方管(1)、传压棒(2)和应变片(3)；刚性方管(1)截面为矩形框，其上表面有多个的孔；传压棒(2)为刚性棒，传压棒(2)的直径略小于方管(1)表面孔的直径，传压棒(2)底端与方管(1)内面固接，顶端从方管(1)上表面孔伸出，顶端表面与方管(1)上表面相平齐；1或2个应变片(3)固定于传压棒(2)侧面，3或2个应变片(3)固定于方管(1)内底面，4个应变片(3)连接为电桥；电桥的某两端加电压U0，另两端为输出端，与放大器(4)连接；1个传压棒(2)和4个应变片(3)组成一个检测点；方管(1)上有多个检测点；方管(1)横贯车道，其上表面与路面平齐。

3根据权利要求2所述的车辆超载检测系统，其特征为：

刚性方管(1)截面为边长8～12厘米的矩形框，其上表面有多个直径为0.8～1.2厘米的孔；传压棒(2)为直径0.8～1.2厘米的刚性棒。

4根据权利要求2或3所述的车辆超载检测系统，其特征为：

方管(1)的检测点之间的间距为5～20厘米。

5根据权利要求1所述的车辆超载检测系统，其特征为：

所述的平均器为可变多路输入模拟信号平均器，包括电子开关A(5)、模拟加法器(6)和电子开关B(7)，还包括电阻(13)电容(14)构成的RC延时电路、单稳触发器(12)、数字加法器(11)、数字译码器(10)、反相器(9)；M个应变片(3)电桥分别与M个放大器(4)连接，放大器(4)与电子开关A(5)连接，再与模拟加法器(6)连接，模拟加法器(6)的输出端与电子开关B(7)连接；放大器(4)的输出端同时连接电阻(13)电容(14)构成的RC延时器，再连接单稳触发器(12)，单稳触发器(12)的反相输出端和电子开关A(5)的使能端连接，单稳触发器(12)的正相输出端与数字加法器(11)的输入端连接，数字加法器(11)的输出端接入数字译码器(10)的输入端，数字译码器(10)的输出端经反相器(9)与电子开关B(7)的使能端连接；电子开关B(7)输出端有M个相同的串联电阻(8)，平均器输出端从第一个电阻(8)的一端引出；经模数转换器，接入单片机输入端。

6权利要求1至5中任一项所述的车辆超载检测系统的检测方法，其特征为：

应变片因轮胎所压产生的信号送入放大器放大后，送入平均器，平均器对多路模拟信号相加平均，所得结果送入模数转换器将模拟信号转换为数字信号，再送入单片机；单片机将此信号与预先采用本压强检测装置、经实验各种车辆超载时所得信号综合后而设定的超载信号值相比较，当前信号值大于设定超载信号值时送入计算机记录存储并启动报警系统和摄录像系统。

7根据权利要求6所述的车辆超载检测系统的检测方法，其特征为：

模数转换器每间隔一定时间t取样一次，传递信号到单片机；单片机处理程序为：接受模数转换器送来的压强信号P_j，判断该信号P_j与前一信号P_j-1的大小，当P_j大于P_j-1，记录保存所得数据P_j-P_j-1；至(P_j-P_j-1)小于或等于0时，将原存储的n个(P_j-P_j-1)值相加，计算 $P_n=\underset{j}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(P_j-P_{j-1});$ 将P_n值与所定超载判断标准δ比较，若P_n小于δ，说明此轮胎未超载，单片机清零，即清除原存储的n个(P_j-P_j-1)值，开始接受新的一组P_j信号；若P_n大于或等于δ时，结果送入计算机存储，启动报警系统，启动摄/录像系统，并且清零，开始接受新的一组P_j信号。

8根据权利要求6所述的车辆超载检测系统的检测方法，其特征为：

所述超载判断标准δ为采用本压强检测装置、预先实验测定各种车型车辆超载1.2至5倍时其轮胎对地面的压强所产生的信号值，平均取中间值，设定为超载信号值。

9根据权利要求6所述的车辆超载检测系统的检测方法，其特征为：

所述的模数转换器取样间隔时间t＝1～10毫秒。

10根据权利要求6所述的车辆超载检测系统的检测方法，其特征为：所述单稳触发器(12)翻转时间为2～20毫秒。

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