CN1821725A - 一种高速车辆超重的实时在线测量系统 - Google Patents

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CN1821725A CN 200610006554 CN200610006554A CN1821725A CN 1821725 A CN1821725 A CN 1821725A CN 200610006554 CN200610006554 CN 200610006554 CN 200610006554 A CN200610006554 A CN 200610006554A CN 1821725 A CN1821725 A CN 1821725A
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李玉芳
郭斌
刘民
陈士清
杨恒
李建勋
李昕欣
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Abstract

本发明涉及一种高速车辆超重测量系统,其特征在于它是由若干个现场敏感器件与信号放大器及控制器组成多路分布,并通过多路通路并行A/D转换将其产生的模拟信号输入到信号中央处理器,信号中央处理器根据各路发送的信号,通过特定的算法,进行车辆载重情况的识别,并发送探测信息和告警信息;本发明采用基于振动和形变的间接测量方式,通过特定算法实现自适应高速动态测量,原理新颖;系统不安装在道路表面,不需要开挖道路,安装方便,不会对交通产生任何影响;采用小型化、模块化设计,系统安装方便,配置灵活,可制成便携式系统。对允许通过的最高车速没有限制,不需要人工干预,可以实现24小时不间断在线测量。

Description

一种高速车辆超重的实时在线测量系统
技术领域
本发明提供一种高速车辆超重的实时在线测量系统,属交通道路防护技术领域。
背景技术
超重超载车辆是造成桥梁结构损坏、公路交通事故频发的一个重要因素。由于交通流量严重超负荷,以及重车比例过大,有很大一部分桥梁在设计使用年限之前就过早损坏,造成养护费用上升,服务质量下降以及不安全因素的增加。这种恶性循环造成的经济损失是无法估计的。因此限制超重超载车辆的行驶,对确保大桥结构安全以及交通行车安全、降低道路养护费用有着重要意义。
传统的静态测量系统的测量精度高,但是效率很低,需要工作人员对车辆进行预选,无法实现对所有车辆的24小时不停车监控。低速测量系统的测量精度高,技术较为成熟。但是低速测量系统允许的最大通过车速不超过5公里/小时,显然检测效率不高,无法满足对所有车辆进行不停车在线检测的要求。现有的动态测量系统都采用直接称重的方法,必须安装在道路内。安装时需要关闭道路,对道路进行开挖。为了保证测量精度对安装地点、路面材料和安装方式有较苛刻的要求。部分传感器如压电式传感器的寿命有限。因此现有系统的成本都较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速测量车辆超载的实时在线测量系统,允许的最大车速高,测试效率高,可以实现对所有车辆的24小时不间断实时在线检测。
本发明的目的是通过下列方案实施的:本发明所提供的系统采用先进微加速度传感器和应变计作为现场敏感器件,两者探测到车辆行驶过被测桥梁时的不同的特征信号,加速度传感器测量桥梁的振动信号,应变计测量桥梁的形变。这两种不同的特征信号分别经过适当的调理,送到中央处理器进行处理,在处理器中将两者结合起来,通过特定算法,给出车辆的超载信息。在相关桥梁实施多敏感器件现场分布,辅之以视频探头,当车辆经过被测范围时,敏感器件的输出随车辆载重的不同而不同,通过测量行驶车辆引起的桥面的振动和形变,经过信号分析和处理由特定算法计算得到车辆的重量,并实时检测、报告车辆载重情况。它是由若干个现场敏感器件与信号放大器及控制器组成多路分布,通过多通路并行A/D转换将其产生的模拟信号输入到信号中央处理器,信号中央处理器根据各路发送的信号,通过特定的算法,进行车辆载重情况的识别,并发送探测信息和告警信息等。具体系统框图如图1所示。
图1中,现场敏感器件包括加速度传感器和应变计,这里统一称为现场敏感器件。加速度传感器和应变计分别对应不同的信号放大电路。被放大的振动和应变信号,通过A/D并行转换,送到信号中央处理器进行处理。先前申请提供的高速车辆超重测量系统的系统原理性框图(图2)比较,现场敏感器件增加了应变计,使得测量结果更加的准确。并且用A/D并行转换代替了CAN总线,提高了系统的处理速度,并降低了系统的复杂度。
下面对系统的各个部分进行具体的说明:1)现场敏感器件:现场敏感器件包括加速度传感器和应变片两种。
a.加速度传感器:振动传感器采用加速度传感器,检测桥梁的振动情况,输出的是连续的电压信号。相同车速时,超限车辆行驶时产生的路面振动与下常车辆不同,据此可检测超限车辆。在本发明中,适用的加速度传感器的参数如下:灵敏度>2mg;带宽:0.01Hz--200Hz平均噪声密度<133ug/rtHz工作温度:-40℃~+85℃。
只要所选用的加速度传感器满足上述参数的要求即可。可以使用的传感器举例如下:中国科学院上海微系统所提供的:AYZ-1传感器,或由美国ADI公司提供的:ADXL103、ADXL203型传感器,朗斯测试技术有限公司的LC0156,LC0105,LC0108,LC0106,等。
应加以说明的是选用朗斯测试技术公司上述加速度传感器时,不需要后继的放大电路。
朗斯测试技术有限公司的加速度传感器参数说明如下:LC01系列传感器是内装集成电路放大器的压电加速度传感器,能够直接与A/D转换相连,可以简化测试系统。在使用时一般不需要再附加后继的放大电路,但在被测信号比较小的情况下,也要根据实际的情况对其输出信号进行适当的放大。其主要参数如下:灵敏度>0.2mg带宽:0.05~1500Hz平均噪声密度<133ug/rtHz工作温度:-40℃~+120℃当然其他满足上述所列参数的加速度传感器,都可以采用。
b.应变计:用于测量车辆经过时桥梁的形变。可选用的应变计如下:日本东京测器株式社(TML公司):F系列单栅应变计(还需要外加机械应力放大器);金属基底单栅应变计FLM,粘结型应变计P/PF/MF系列;弦式应变计等。F系列单栅应变计贴在机械应力放大器上,机械应力放大器安装在桥洞顶部。金属基底单栅应变计、粘结型应变计和弦式应变计等直接安装在被测桥洞顶部。外加机械应力放大器的应变计,可选用一般功能的单栅应变片,输出电阻可以是60欧姆,120欧姆,350欧姆等;2)信号放大电路部分:对放大电路部分,主要考虑以下几个方面:滤波器带宽:只要大于传感器带宽。
放大倍数:根据加速度传感器的输出信号大小和后继信号处理部分对信号幅度的要求,灵活设定。
放大部分的基本原理框图如图3所示:采用多级放大电路,考虑到整个系统的噪声性能,第一级采用低噪声器件。一般采用的是精密仪表放大器。例如:AD620、AD621、AD622、AD623、AD624等等一系列仪表放大器都可以应用。
后级放大电路采用高精度的运算放大器为核心器件构成。例如:AD708、AD8606、AD8616、AD8698、AD8605、AD8608等,或OP07、OP27、OP37同类产品,均可采用。
加速度传感器放大电路如图4所示。
RS1~RS4为加速度传感器输出电阻,其输出差分电压信号通过C1、C2耦合到仪表放大器AD620,R2~R5和R*为调零电阻。AD620放大倍数取100倍,R6~R8、C5~C6构成截止频率为230Hz的低通滤波器,通过滤波的信号到OP284-IC3A构成的增益为30倍的第二级放大部分进行放大后输出到A/D转换器。OP284-IC3B提供2.5V的直流偏置电压。
应变计放大电路如图5所示。
在图5中,R1、R2、R3、U3、U4、Q1构成输出为10.4mA的恒流源,为应变计构成的惠斯登电桥提供工作电源。R4、R5为调零电阻。由惠斯登电桥输出的差分信号送到AD620放大部分,通过R7直流耦合到由op07构成的第二级放大部分,最终的放大信号由op07的6脚输出,送到A/D转换器。量级的增益可根据不同实际应用情况进行调整。
3)用多通路并行A/D转换器,替代了CAN总线,主要从信号的处理速度和系统的复杂度上进行了改进。
先前申请中的CAN总线方式,控制器部分选用带有CAN控制器的单片机或DSP。例如:microchip公司PIC18F系列单片机、TMS320LF240x系列DSP为核心器件,完成对放大以后的信号控制。通过CAN总线方式,传感器和放大及控制部分可根据实际需要灵活设置分布的位置和数量,各部分通过CAN总线相连,从而使各部分连线数量大大减少,并可灵活增减接入部件,方便各部件的控制。但在该方式下,需要CAN总线的控制器和收发器,使得系统比较复杂,另一方面,CAN总线的最大带宽只有1MHz,多路传输时,各路带宽更窄,使得数据的传输速率受到很大的限制,系统的执行速度比较慢,甚至可能不能进行实时信号处理,从而达不到本发明的实时检测的目标。而且在实际应用中,所需传感器数量并不多,使得CAN总线方式中,传感器可根据需要灵活设置分布位置和数量,减少各部分连线数量的优势不明显。考虑到系统的执行速度和复杂度,本发明采用了A/D并行转换的方式,代替了CAN总线方式。
A/D并行转换部分完成对放大电路部分输出信号从模拟信号到数字信号的转换,其优点是,响应速度快,各路信号不会发生冲突。A/D部分采用16bit多路输入A/D转换器。可选用的器件有:ADS7825,ADS8341,ADS8342,ADS8343,ADS8344,ADS8345等(美国德州仪器公司)。根据所需输入模拟信号通路的多少选择合适的器件。
4)信号中央处理器主要完成从各路控制器发送的信号的处理,完成探测目标的识别,判断车辆载重情况,并实现和其他设备的通信,输出检测信息和告警信息等功能。采用以OMAP59XX为核心器件的信号处理方案,实现实时信号处理。MAP59XX处理器将TMS320C55XDSP的核心和ARM925整合在同一个处理器中,拥有高效能和低功耗的设计,同时可以利用DSP处理高复杂度的数字信号处理,也可以利用ARM来做通讯、控制和人机接口的处理。
基本原理框图如图6。OMAP5912接收从A/D发来的数据,进行计算,通过camera和LCD实时监控车辆运行情况,当通过车辆超载时,在LCD显示该车辆超重信息,给出超载提示,并通过Audio发出声音告警。
SDRAM(动态随机访问存储器)是用来进行数据的存储和算法的运算实现,可根据需要选用32M或更高SDRAM,可选用的器件有:韩国Samsung公司的128Mb Mobile DDR,256Mb Mobile DDR和日本Elpida公司的246Mb DDREDK2516CBBH等。
NORflash(是非闪存器)用来进行数据和程序的存储可选用的器件有:MT28F320J3,MT28F640J3,MT28F128J3FS-12,MT28F128K3C115,MT28F256K3(美国Mcron公司)以及美国Intel公司的RC28F320J3110,RC28F640J3A120,RC28F128J3C150,RC28F128K3C115,RC28F256K3C120等。
Camera(摄像机)主要完成车辆行驶情况的监控和超载车辆的抓拍。可采用荷兰Philips公司的SAA7115,进行从模拟到数字的转换,完成Camera到OMAP59系列的接口转换。
LCD(液晶屏显示)显示部分,实时显示监控道路上的车辆情况,并显示超载信息。可选用日本Epson公司的液晶显示屏。(点阵320×240)。
Audio(音频输出)部分,利用声音提示车辆超载情况,要求车辆进入高精度测重站。可选用的器件为美国TI公司的TLV320AIC23系列音频编解码芯片。
本发明中检测方法的软件部分:通过现场敏感器件接收到所需信号,通过放大、A/D转换后送到信号中央处理器,通过特定算法进行计算分析,最终得到车辆的超重信息,给出告警提示。软件部分是指信号进入中央处理器后的检测部分。
高速车辆超重测量系统的软件检测,包括以下步骤:
从A/D转换器读取数据;对读取的数据进行处理;通过算法判断车辆是否超重;超重则启动摄像机进行抓拍;根据判断结果给出处理信息。其流程图如图7所示。
本发明的显著特点是:1)采用基于振动和形变的间接测量方式,通过特定算法实现自适应高速动态测量,原理新颖;2)系统不安装在道路表面,不需要开挖道路,安装方便,不会对交通产生任何影响;3)采用小型化、模块化设计,系统安装方便,配置灵活,可制成便携式系统。
4)对允许通过的最高车速没有限制,不需要人工干预,可以实现24小时不间断在线测量。
5)用于测量振动的加速度传感器是全封闭结构,其寿命受外界环境的影响小,不需经常更换,使用成本也较低。
6)同时,该系统测量行驶车辆引起的振动,在进行车辆超限动态测量的同时还可以实现对桥梁振动的长时间实时监控,可以为今后的设计提供数据以避免桥梁的振动对周边环境产生重大影响。
利用振动测量原理实现桥梁车辆动态测量系统是本发明首先提出的,此前未见有报道。系统结构较为简单,安装方便,与现有相同性能的系统相比,成本低廉,是实现超限车辆高速动态检测系统的较为理想的方式。
附图说明
图1本发明提供的高速车辆超重测量系统的系统原理性框图。
图2先前申请提供的(申请号:200510023370.8)高速车辆超重测量系统的系统原理性框图。
图3本发明提供的高速车辆超重测量系统的信号放大电路原理框图图4本发明提供的高速车辆超重测量系统的加速度传感器放大电路。
图5本发明提供的高速车辆超重测量系统的应变计放大电路;其中图5-1为应变计放大电路一部分;图5-2为应变计放大电路另一部分;两部分通过current线连接。
图6本发明提供的高速车辆超重测量系统的以OMAP5912为核心的信号处理部分原理框图。
图7本发明提供的高速车辆超重测量系统的检测方法软件流程图图8实施例所示的桥梁上超限车辆动态检测示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的特点和显著进步作更深入的阐述:在桥梁的超限车辆动态检测中,本发明所示的系统安装示意图如图8所示:安装位置:桥洞顶部,不在桥面,不直接与行驶车辆接触,避免车辆对探测系统的直接接触产生的破坏。
安装探测部件数量及具体分布:应根据实际需要灵活设置。
当车辆行驶通过振动传感器时,触发振动传感器和应变计,传感器输出一个连续的电压信号。利用带通滤波器滤去信号中的噪声,放大后进行A/D采样,送入中央处理器,由中央处理器对采样得到的各路信号进行分析比较,判断车辆是否超载,如果超载,则输出探测信息到LCD显示器,并给出超载告警,启动摄像机进行车牌抓拍或捕捉超载车图像信息,并将测量数据存储在NORflash数据库中。
本发明采用模块化的硬件系统构成桥梁的超限车辆动态检测系统。由于各种桥梁的振动特性并不相同,行驶车辆引起的振动也不同,本发明采用软件的方法对不同系统进行优化,即通过调整系统的自适应门限来实现不同的检测系统。从而在不改变硬件平台的情况下,实现多种环境下的应用。

Claims (11)

1.一种高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于它是由若干个现场敏感器件与信号放大器及控制器组成多路分布,并通过多通路并行A/D转换将其产生的模拟信号输入到信号中央处理器,信号中央处理器根据各路发送的信号,通过特定的算法,进行车辆载重情况的识别,并发送探测信息和告警信息;所述的现场敏感器件由加速度传感器和应变片组成,其中加速度传感器为振动传感器,检测桥梁的振动情况,输出的是连续的电压信号,应变片通过应变计测量车辆经过时桥梁的形变;所述的信号放大器的放大电路采用多级放大,第一级采用低噪声器件,采用精密仪表放大器;后级放大电路采用高精度的运算放大器为核心器件组成;所述A/D并行转换完成对放大电路部分输出信号从模拟信号到数字信号的转移;所述的中央处理机采用以OMAP59系列为核心器件的信号处理方案,实施信号的实时处理;所述的特定算法是由中央处理器对采样得到的各路信号进行分析比较,判断车辆是否超载,如果是,则输出探测信息到液晶屏显示,并给出超载告警,启动摄像机进行车牌抓拍或捕捉超载车图像信息,并将测量数据存储在实时数据库中。
2.按权利要求1所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于所述的加速度传感器参数是:灵敏度>2mg;带宽:0.01~200Hz;平均噪声密度<133ug/rtHz;工作温度:-40℃~+85℃。
3.按权利要求1或2所述的高速车辆超重测量系统,其特征在于所述的加速度传感器是中国科学院上海微系统所提供的AYZ-1传感器,或由美国ADI公司提供的:ADXL103、ADXL203型传感器或由朗斯测试技术有限公司的LC0156,LC0105,LC0108,LC0106中任意一种;且是选用朗斯测试技术公司LC01系列的加速度传感器时,不需要后继的放大电路。
4.按权利要求1所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于用于测量车辆经过时桥梁的形变,选用应变计为日本东京测器株式社TML公司需要外加机械应力放大器或F系列单栅应变计;金属基底单栅应变计FLM,粘结型应变计P/PF/MF系列和弦式应变计中一种;其中,F系列单栅应变计贴在机械应力放大器上,机械应力放大器安装在桥洞顶部;金属基底单栅应变计、粘结型应变计和弦式应变计直接安装在被测桥洞顶部;外加机械应力放大器的应变计的输出电阻为60欧姆,120欧姆或350欧姆。
5.按权利要求1所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于所述振动传感器的信号放大电路滤波器带宽大于传感器带宽,放大倍数应根据加速度传感器的输出信号大小和后继信号处理部分对信号幅度的要求选定,第一级采用的低噪声器件为AD620、AD621、AD622、AD623或AD624中任意一种;后继放大电路为AD708、AD8606、AD8616、AD8698、AD8605和AD8608中一种,或OP07、OP27和OP37中任意一种。
6.按权利要求1所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于在所述的加速度传感器的放大电路中,RS1~RS4为加速度传感器输出电阻,其输出差分电压信号通过C1、C2耦合到仪表放大器AD620或其相当的放大器,R2~R5和R*为凋零电阻;AD620一类的放大倍数取100倍,R6~R8、C5~C6构成截止频率为230Hz的低通滤波器,通过滤波的信号到OP284-IC3A构成的增益为30倍的第二级放大部分进行放大后输出到A/D转换器;OP284-IC3B提供2.5V的直流偏置电压;在所述的应变计放大电路中,R1、R2、R3、U3、U4、Q1构成输出为10.4mA的恒流源,为应变计构成的惠斯登电桥提供工作电源;R4、R5为调零电阻,由惠斯登电桥输出的差分信号送到AD620放大部分,通过R7直流耦合到由op07构成的第二级放大部分,最终的放大信号由op07的6脚输出,送到A/D转换器。
7.按权利要求1所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于所述A/D并行转换采用16bit多路输入A/D转换器。
8.按权利要求1所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于所述的A/D并行转换采用的转换器为美国德州仪器公司生产的ADS7825、ADS8341、ADS8342、ADS8343、ADS8344、ADS8345中任意一种。
9.按权利要求1所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于所述的MAP59系列处理器将TMS320C55XDSP的核心和ARM925整合在同一个处理器中,拥有高效能和低功耗的设计,同时利用DSP处理高复杂度的数字信号处理或利用ARM来做通讯、控制和人机接口的处理。
10.按权利要求9所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于所述的OMAP系列接收从A/D发来的数据,进行计算,通过摄像机和液晶显示器实时监控车辆运行情况,当通过车辆超载时,在液晶显示器上显示车辆超重信息,给出超载提示,并通过音频输出发出声音告警;动态随机访问存储器用于数据存储和算法的运算实现,是非闪存器是用于进行数据和程序的存储。
11.按权利要求10所述的高速车辆超重的实时在线测量系统,其特征在于用来进行数据的存储和算法的运算实现动态访问存储器是采用32M或更高选用的器件有:韩国Samsung公司的128Mb Mobile DDR,256Mb Mobile DDR和日本Elpida公司的246Mb DDR EDK2516CBBH中任意一种;用来进行数据和程序的存储的是非闪存器:所选用的器件有美国Mcron公司生产的:MT28F320J3,MT28F640J3,MT28F128J3FS-12,MT28F128K3C115,MT28F256K3;美国Intel公司生产的RC28F320J3110,RC28F640J3A120,RC28F128J3C150,RC28F128K3C115,RC28F256K3C120中任意一种;所述的摄像机为荷兰Philips公司的SAA7115,进行从模拟到数字的转换,完成Camera到OMAP59XX的接口转换;所述的液晶屏选用日本Epson公司电陈为320×240的液晶屏显示;所述的音频输出选用美国TI公司的TLV320AIC23系列音频编解码芯片。
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