CN1773226A - 基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，属于检测技术领域。本发明以应变传感器作为现场敏感器件，测量行驶车辆引起的桥面应变，通过积分运算消除车辆振动对计算结果的影响，进而获得动态车辆的载重值，与车型识别结果查询数据库得到标准载重比较来判断是否超重。本发明可以准确地进行高速动态超重车辆的检测。利用本发明不需要进行地面开挖，建造成本较低，具有很强的可移动性，且车辆通过速度没有限制，能够实现24小时不间断检测，具有很好的实用前景。

Description

基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法

技术领域

本发明涉及的是一种计量技术领域的检测方法，具体地说，是一种基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法。

背景技术

公路车辆在运输货物的过程中，普遍存在超载现象。超载车辆会对道路造成严重破坏，造成的直接经济损失非常严重，同时超载还大量导致交通事故的发生。在动态称重(WIM)出现之前，所有的车辆称重都是在静态时进行的。静态测量时的车辆称重正好等于静态车辆的地心引力，这种称重方式是最准确的方法。但是，这种传统的称重方式有它自身的缺点，一方面，需要在路边或路口设置专门的场地或称重站，测量效率较低，无法24小时不停车监控。另一方面，静态称重场所规模大，引人注目，超载车辆往往以绕道的方式躲避称重检查，造成国家税收的大量流失。公路动态称重的定义：动态称重是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应静态车辆重量的过程。

经对现有技术的文献检索发现，2001年香港科技大学T.Chan等提出利用桥梁振动原理测重的方法(T.Chan etc.“移动力识别研究I：理论”.[J].声音与振动学报.2001.247(1)，59-76)。该方法用应变片测量车辆载重时，利用不同时刻的桥梁应变建立矩阵方程，采用最小二乘法求解，计算结果精度较低，误差较大，不能准确测量车辆载重。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，使其提高静态载重测量效率，24小时不停车监控，同时解决桥梁振动测重时应变片测量的结果精度较低、误差较大的问题，达到工程化的实用效果。

本发明是通过以下技术方案来实现的，本发明以应变传感器作为现场敏感器件，测量行驶车辆引起的桥面应变，通过积分运算消除车辆振动对计算结果的影响，进而获得动态车辆的载重值，与车型识别结果查询数据库得到标准载重比较来判断是否超重。

本发明包括以下步骤：

1.计算桥梁应变

桥梁采用简支梁模型，车/桥相互作用模型化为两个具有固定间距点力匀速通过桥面。建立车辆通过桥面时的运动方程，基于模型假设，桥梁动态位移可写成模态形状函数

与模态的幅值函数乘值和的形式。利用桥梁应变与桥梁动态位移的函数关系求得桥梁应变方程，得：

${T=-\mathrm{Ey\υ}}^{\′\′}$ $=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}$ $\frac{2\mathrm{Ey}}{\mathrm{\ρL}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}\right)}^2\sin \frac{\mathrm{n\πx}}{L}{\∫}_0^t{e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc\τ}}{L}{p}_n\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

其中：y表示桥面内任意点到桥面中间面的距离，在桥梁下面安装应变片时，y＝b/2，b为桥面厚度；c是车辆通过桥面的速度；υ(x，t)是桥上x点处在t时刻的桥梁位移；ω_n是第n模态的频率；ξ_n是第n模态的衰减比率。

${\mathrm{\ω}}_n=(n^2{\mathrm{\π}}^2/L^2)\sqrt{\mathrm{EI}/\mathrm{\ρ}},{\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}_n^2},$

$p_n\left(t\right)=f_1\left(t\right)\sin \frac{\mathrm{i\πct}}{L}+f_2\left(t\right)\sin \frac{\mathrm{i\π}(\mathrm{ct}-L_s)}{L}$

ρ是单位桥梁密度；E是桥梁材料的Young系数；I是桥梁横截面的惯性矩；L是桥梁的长度；f₁(t)，f₂(t)代表车辆通过桥面时前后轴对桥面产生的压力。

2.测量桥梁应变

首先采用机械放大器，把应变片直接粘贴在放大器上。然后通过电桥应变放大电路，将应变信号放大到理想大小以电压的形式输出。将输出信号利用数字信号采集卡进行A/D转换，得到与计算值相对应的采样数据。利用安装在桥两端的红外传感器记录上下桥信号。

由于应变片在桥梁下面很难安装，本发明采用机械放大器克服应变片安装的问题，同时可以对应变信号进行放大。桥梁应变信号检测属于微小信号测量，利用桥梁应变引起放大电路电桥阻值变化，转化为电压输出。

$T=\frac{2\mathrm{E\ΔV}}{\mathrm{iRG}}$

其中：T为桥梁应变，G为应变系数，E为杨氏模量，R为电桥电阻，i为通过电桥的恒定电流，ΔV为输出电压。

3.计算车辆载重

详细分析车辆通过整个桥面的运动过程；通过对不同情况下振动项积分值对静态值积分值的比较，本发明采用对信号在整个周期内积分的方法有效消除振动项和噪声的影响，得到静态载重值。

由于车辆行进过程中除了车辆载重本身引起的信号外，还有许多不同频率的振动信号存在，且噪声对桥梁应变信号有很大影响，积分将可以有效消除振动项和噪声的影响。

车辆载重计算公式为：

$F=F_f+F_r=\frac{{\∫}_0^{(L+L_s)/c}\frac{2\mathrm{E\ΔV}}{\mathrm{iRG}}\mathrm{dt}}{\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{L}_n{\∫}_0^{L/c}{M}_f\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中：F_f表示前轮对应力，F_r表示后轮对应力。

$L_n=\frac{\mathrm{Eb}}{\mathrm{\ρL}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}\right)}^2\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2},$

$M_f\left(t\right)={\∫}_0^t{e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc\τ}}{L}\mathrm{d\τ}$

4.车辆超载判别

依据车型识别结果(车型识别不在本发明讨论范围，假定识别结果正确)，从数据库中查询相应车型对应的国家规定标准载重。将实际载重和标准载重作比较，判断车辆是否超重。如果超载，启动摄像机对超载车辆进行拍摄。

本发明利用动态称量(WIM)系统不需要进行地面开挖，建造成本较低，具有很强的可移动性，对通过车辆的速度没有限制，能实现24小时不间断检测，具有很好的实用前景。

附图说明

图1为在移动力f(t)作用下简支梁模型的示意图。

本发明采用简支梁作为桥梁模型。车辆通过桥面时，简化为间距为L_s的两个点力以速度c匀速通过桥面，F表示前轴，R表示后轴。

图2为电桥应变放大电路示意图。

图3为车辆通过桥面过程分析图。

车辆经过桥面的过程可以分为：图3(a)表示前轮在桥上后轮未上桥，图3(b)表示前后轮都在桥上，图3(c)表示前轮下桥后轮在桥上三个分过程。

具体实施方式

1.计算桥梁应变

桥梁采用简支梁模型，车辆通过桥面时，简化为间距为L_s的两个点力以速度c匀速通过桥面，F表示前轴，R表示后轴。如图1所示：

车辆经过桥面时的运动方程为：

$\mathrm{\ρ}\frac{{\∂}^2\mathrm{\υ}(x,t)}{{\∂t}^2}+C\frac{\∂\mathrm{\υ}(x,t)}{\∂t}+\mathrm{EI}\frac{{\∂}^4\mathrm{\υ}(x,t)}{{\∂x}^4}=\mathrm{\δ}(x-\mathrm{ct})f_1\left(t\right)+\mathrm{\δ}(x-\mathrm{ct}+L_s)f_2\left(t\right)$

基于模型假设，桥梁动态位移可写为模态形状函数

与模态的幅值函数乘值和的形式。可得：

$\mathrm{\υ}(x,t)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2}{\mathrm{\ρL}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}\sin \frac{\mathrm{n\πx}}{L}{\∫}_0^t{e}^{{\mathrm{\ξ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})p_n\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

桥梁应变为：

$T=-{\mathrm{Ey\υ}}^{\′\′}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{Ey}}{\mathrm{\ρL}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}\right)}^2\sin \frac{\mathrm{n\πx}}{L}{\∫}_0^t{e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc\τ}}{L}{p}_n\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

2.测量桥梁应变

由于应变片在桥梁下面很难安装，本发明采用机械放大器克服应变片安装的问题，同时可以对应变信号进行放大。

由于桥梁应变信号检测属于微小信号测量，本发明采用电桥放大电路将应变放大并转化为电压输出。电桥应变放大电路示意图如图2所示，其中R＝60Ω，ΔR为桥梁应变引起的电阻变化值，i为一恒定电流，大小为9.1mA。由于ΔR变化很小，可以近似认为桥梁左右两路电流为i/2。则桥梁应变测量值为：

$T=\frac{2\mathrm{E\ΔV}}{\mathrm{iRG}}$

表明应变T和输出电压输出值是成正比的。由于信号很小，实际电路中对应变信号进行了放大，放大倍数根据实际情况决定。

将输出信号利用数字信号采集卡进行A/D转换，得到与计算值相对应的采样数据。并利用安装在桥两端的红外传感器记录上下桥信号。

3.计算车辆载重

由于车辆行进过程中除了车辆载重本身引起的信号外，还有许多不同频率的振动信号存在，且噪声对桥梁应变信号有很大影响。

假设：f(t)＝(F₁+F₀₁sinω_at)其中：ω_a表示车辆振动频率。令：

$\mathrm{\α}=F_1\left(\begin{array}{c}{{\∫}_0^{t}e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc\τ}}{L}\mathrm{d\τ}\\ +\frac{F_0}{F_{01}}{\∫}_0^t{e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc\τ}}{L}\sin {\mathrm{\ω}}_n\mathrm{\τd\τ}\end{array}\right)$

经过测量，得知实验小车的振动频率主要由5、20、40、70、90Hz组成。振动项幅度与静态值比值取0.25，0.5，其它的情况同样可以验证满足；桥梁衰减比率ξ_n取0.02、0.03、0.04。在时间[0，T]内，对a含振动项与静态项分别积分。取T＝0.658s，统计结果如表1所示，表明在不同频率，不同比值，桥梁不同ξ下振动项积分值对静态值积分值的影响很小，可以忽略。

比值	ξn	静态项积分	含振动项积分	5Hz	20Hz	40Hz	70Hz	90Hz
									0.25	0.02	0.004745	计算值	0.004745	0.004761	0.004756	0.004755	0.004755
差值比/％	-0.21	0.12	0.01	0.01	0.01
						0.03	0.004753	计算值				0.004742	0.004758	0.004753	0.004753	0.004753
差值比/％	-0.23	0.10	0.00	0.00	0.00
								0.04		0.004749	计算值	0.004739	0.004754	0.004749	0.004749	0.004749
差值比/％	-0.22	0.10	0.01	0.01	0.01
							0.02				0.004745	计算值	0.004734	0.004766	0.004756	0.004755	0.004755

0.5			差值比/％	-0.44	0.23	0.01	0.01	0.01
									0.03	0.004753	计算值	0.004731	0.004762	0.004753	0.004753	0.004753
	差值比/％	-0.46	0.20	0.00	0.00	0.00
							0.04	0.004749			计算值	0.004728	0.004758	0.00475	0.004749	0.004749
	差值比/％	-0.45	0.19	0.01	0.01	0.01

                表1不同情况下a积分结果

对桥梁应变进行积分运算，可以有效消除振动项的影响，得到静态载重值，由于噪声信号主要以高斯噪声为主，积分也将有效减小噪声对结果的影响。则：

$T_{\frac{L}{2}}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{L}_n(F_f{M}_f\left(t\right)+F_r{M}_r\left(t\right))=\frac{2\mathrm{E\ΔV}}{\mathrm{iRG}}$

其中：F_f表示前轮对应力，F_r表示后轮对应力。

$L_n=\frac{\mathrm{Eb}}{\mathrm{\ρL}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}\right)}^2\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2}$

$M_f\left(t\right)={\∫}_0^t{e}^{{-\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πct}}{L}\mathrm{d\τ}$

$M_r={\∫}_{L_s/c}^t{e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc}(\mathrm{\τ}-L_s/c)}{L}\mathrm{d\τ}$

车辆经过桥面的过程可以分为前轮在桥上后轮未上桥，前后轮都在桥上，前轮下桥后轮在桥上三个分过程，如图3所示：

t ≤L_s/c时，为图3(a)所示情况，由于此时后轮未上桥，则S₂′＝0；

L_s/c＜t≤L/c时，为图3(b)所示情况，此时前后轮均在前上；

L/c＜k≤(L+L_s)/c时，为图3(c)所示情况，此时前轮已下桥，后轮在桥上。

左右两边在车辆通过桥面的整个过程进行积分。

由积分变换，有 ${\∫}_0^{L/c}{M}_f\left(t\right)\mathrm{dt}={\∫}_{L_s/c}^{(L+L_s)/c}{M}_r\left(t\right)\mathrm{dt}$ 则：

$F_f+F_r=\frac{{\∫}_0^{(L+L_s)/c}\frac{2\mathrm{E\Δv}}{\mathrm{iRG}}\mathrm{dt}}{\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{L}_n{{\∫}_0^{L/c}M}_f\left(t\right)\mathrm{dt}}$

主要关心信号前三个模态，数字采集卡的采样频率选为500Hz，G ＝1.5。桥梁的参数如下：EI＝1074.048Nm²，ρ＝12kg/m，L＝1.5m，ζ₁＝0.02，ζ₂＝0.02，ζ₃＝0.04。小车总重量为2.4kg，轴距为Ls＝0.25m。

对多次实验数据处理结果统计如表2，表明本方法计算值误差小，可以有效地进行车辆载重检测。

次数	过桥时间/s	计算值/N	误差值/N	误差比/％
					1	0.8440	23.0791	-0.4409	-1.87
4	0.8520	23.3773	-0.1427	-0.61
					5	0.8380	22.9785	-0.5415	-2.30
6	0.8500	22.5048	-1.0152	-4.32
					7	0.8680	23.7750	0.255	1.08
8	0.8720	23.0363	-0.4837	-2.06
					9	0.8860	22.3072	-1.2128	-5.16

                 表2实验数据处理结果统计表

4.车辆超载判别

依据车型识别结果(车型识别不在本发明讨论范围，假定识别结果正确)，从数据库中查询相应车型对应的国家规定标准载重。将实际载重和标准载重作比较，如果超载，启动摄像机对超载车辆进行拍摄，并采取相应的处罚措施。

Claims (6)

1.一种基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，其特征在于，以应变传感器作为现场敏感器件，测量行驶车辆引起的桥面应变，通过积分运算消除车辆振动对计算结果的影响，进而获得动态车辆的载重值，与车型识别结果查询数据库得到标准载重比较来判断是否超重。

2.根据权利要求1所述的基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)计算桥梁应变

桥梁采用简支梁模型，车/桥相互作用模型化为两个具有固定间距点力匀速通过桥面，建立车辆通过桥面时的运动方程；

(2)测量桥梁应变

首先采用机械放大器，把应变片直接粘贴在机械放大器上，然后通过电桥应变放大电路，将应变信号放大到理想大小以电压的形式输出，将输出信号利用数字信号采集卡进行A/D转换，得到与计算值相对应的采样数据；

(3)计算车辆载重

详细分析车辆通过整个桥面的运动过程，通过对不同情况下振动项积分值对静态值积分值的比较，采用对信号在整个周期内积分的方法有效消除振动项和噪声的影响，得到静态载重值；

(4)车辆超载判别

依据车型识别结果，从数据库中查询相应车型对应的国家规定标准载重，将实际载重和标准载重作比较，判断车辆是否超重。

3.根据权利要求2所述的基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(1)中简支梁模型，桥梁动态位移写成模态形状函数 与模态的幅值函数乘值和的形式。

4.根据权利要求2所述的基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(1)中，利用桥梁应变与桥梁动态位移的函数关系求得桥梁应变方程，得：

$T=-\mathrm{Ey}{\mathrm{\υ}}^{\′\′}=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{2\mathrm{Ey}}{\mathrm{\ρL}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}\right)}^2\sin \frac{\mathrm{n\πx}}{L}{\∫}_0^t{e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc\τ}}{L}{p}_n\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}$

其中：y表示桥面内任意点到桥面中间面的距离，在桥梁下面安装应变片时，y＝b/2，b为桥面厚度；c是车辆通过桥面的速度；υ(x，t)是桥上x点处在t时刻的桥梁位移；ω_n是第n模态的频率；ξ_n是第n模态的衰减比率；

${\mathrm{\ω}}_n=(n^2{\mathrm{\π}}^2/L^2)\sqrt{\mathrm{EI}/\mathrm{\ρ}},$ ${\mathrm{\ω}}_n^{\′}={\mathrm{\ω}}_n\sqrt{1-{\mathrm{\ξ}}_n^2},$

$p_n\left(t\right)=f_1\left(t\right)\sin \frac{\mathrm{i\πct}}{L}+f_2\left(t\right)\sin \frac{\mathrm{i\π}(\mathrm{ct}-L_s)}{L}$

ρ是单位桥梁密度；E是桥梁材料的Young系数；I是桥梁横截面的惯性矩；L是桥梁的长度；f₁(t)，f₂(t)代表车辆通过桥面时前后轴对桥面产生的压力。

5.根据权利要求2所述的基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(2)中，利用安装在桥两端的红外传感器记录上下桥信号。

6.根据权利要求2所述的基于桥梁应变的高速动态车辆超载检测方法，其特征是，所述的步骤(3)中，车辆载重的计算公式为：

$F=F_f+F_r=\frac{{\∫}_0^{(L+L_s)/c}\frac{2\mathrm{E\ΔV}}{\mathrm{iRG}}\mathrm{dt}}{\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{L}_n{\∫}_0^{L/c}{M}_f\left(t\right)\mathrm{dt}}$

其中：F_f表示前轮对应力，F_r表示后轮对应力， $L_n=\frac{\mathrm{Eb}}{\mathrm{\ρL}{\mathrm{\ω}}_n^{\′}}{\left(\frac{\mathrm{n\π}}{L}\right)}^2\sin \frac{\mathrm{n\π}}{2},$

$M_f\left(t\right)={\∫}_0^t{e}^{-{\mathrm{\ζ}}_n{\mathrm{\ω}}_n(t-\mathrm{\τ})}\sin {\mathrm{\ω}}_n^{\′}(t-\mathrm{\τ})\sin \frac{\mathrm{n\πc\τ}}{L}\mathrm{d\τ}.$

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