CN214224317U - 用于公路车辆动态称量的称重装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于公路车辆动态称量的称重装置，称重装置可以包括：至少两个第一传感器，其用于布置于道路中，以便在车辆经过道路时，获取与车辆的重量相关的称重信号；多个第二传感器，其布置于第一传感器上，以便在车辆经过道路时，获取与车辆的振动相关的振动信号；以及处理单元，其配置用于：接收称重信号和振动信号；以及对称重信号和振动信号进行融合处理，以便确定车辆的重量。本实用新型的称重装置可以使用振动信号来补偿称重信号，从而改善称重准确性。此外，本实用新型通过对振动信号进行频域信息分析，不仅可以减小称重误差，而且还可以改善称量速度适应性。

Description

用于公路车辆动态称量的称重装置

技术领域

本实用新型一般地涉及称重技术领域。更具体地，本实用新型涉及一种用于公路车辆动态称量的称重装置。

背景技术

本部分旨在为说明书中陈述的本实用新型的实施方式提供背景或上下文。此处的描述可以包括可探究的概念，而不一定是之前已经想到或者已经探究的概念。因此，除非在此指出，否则在本部分中描述的内容对于本实用新型的说明书和权利要求书而言不构成现有技术，并且也不因为其包括在本部分中就承认是现有技术。

动态汽车衡技术是指在车辆行驶过程中对车辆进行称量的技术。目前，汽车衡器被广泛地应用于车辆超重检测，在交通管理中起到了重要的作用。传统的汽车衡器通常包括承载体和传感器，承载体安装于道路基础的凹槽中，以用于承载车辆的全部或部分重量并且将其所承载的重量传递至传感器；传感器设置在承载体的下方，以用于将其受力转换为电信号。当动态行驶的车辆经过汽车衡器的承载体时，传感器感测动态车辆的压力并且产生压力信号，再由处理器进行一系列的分析、处理，最后计算得出车辆的动态称重数值。

然而，在实际应用当中，由于车辆在行驶时会不可避免地发生各种振动，因此会导致称重结果中含有因振动而引起的误差。因此，需要研发一种用于公路车辆动态称量的称重装置，以改善传统的汽车衡器中所存在的称量结果不准确的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于公路车辆动态称量的称重装置，以改善传统的汽车衡器中所存在的称量结果不准确的问题。

本实用新型提供一种用于公路车辆动态称量的称重装置，所述称重装置可以包括：至少两个第一传感器，其用于布置于道路中，以便在车辆经过所述道路时，获取与所述车辆的重量相关的称重信号；多个第二传感器，其布置于所述第一传感器上，以便在所述车辆经过所述道路时，获取与所述车辆的振动相关的振动信号；以及处理单元，其配置用于：接收所述称重信号和振动信号；以及对所述称重信号和振动信号进行融合处理，以便确定所述车辆的重量。

在一个示例性的实施方式中，所述第一传感器可以嵌入到在所述道路上开设的凹槽中。

在一个示例性的实施方式中，所述第一传感器可以为弯板式称重传感器。

在一个示例性的实施方式中，所述第二传感器可以为振动传感器。

在一个示例性的实施方式中，所述振动传感器可以包括加速度传感器、速度传感器或者位移传感器。

在一个示例性的实施方式中，所述第一传感器的底面上沿道路的宽度方向间隔设有多个安装部，以用于允许所述第二传感器安装至所述第一传感器的底部。

在一个示例性的实施方式中，所述至少两个第一传感器沿道路的宽度方向并排或交错布置并延伸至所述道路的两侧边缘。

在一个示例性的实施方式中，所述处理单元进一步可以配置用于：根据所述称重信号生成第一轴重信息；根据所述称重信号和振动信号确定所述称重重信号中的振动噪声；根据所述称重信号与所述振动噪声的差进行振动消除从而生成第二称重信号；根据所述第二称重信号确定第二轴重信息；以及通过第一轴重信息和第二轴重信息共同确定所述车辆的重量。

在一个示例性的实施方式中，所述处理单元进一步可以配置用于：所述振动噪声可以通过称重信号中的信号波动和振动噪声进行拟合确定称重信号中信号波动的振幅。

如前所述，本实用新型通过利用弯板式称重传感器获取车辆经过时每个轴重的称重信号，并且利用振动传感器获取车辆经过时车辆的振动信号，再利用处理单元对称重信号和振动信号进行融合处理来确定车辆的重量。因此，本实用新型的称重装置可以使用振动信号来补偿称重信号，从而改善称重准确性。此外，本实用新型通过对振动信号进行频域信息分析，可以获得准确的振动信息，从而更精确地补偿称重信号。因此，本实用新型的称重装置不仅可以减小称重误差，而且还可以改善称量速度适应性。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是示出根据现有技术中的板式称重装置的示例性示意图；

图2是示出根据本实用新型的示例性实施方式的称重装置安装在道路中的俯视图；

图3是示出根据本实用新型的示例性实施方式的称重装置安装在道路中的剖视图；以及

图4是示出根据本实用新型的示例性实施方式的称重装置的示例性结构框图。

具体实施方式

动态汽车衡技术是指在车辆的行进过程中对车辆进行称重的技术，通常采用的衡量形式包括轴重式、轮重式以及条式传感器的不完全称重式，例如通过测量和分析轮胎动态力来测量一辆运动中的车辆的总重和/或部分重量。汽车衡器通常包括称重装置和包含软件的电子仪器，以便测量动态轮胎力、车辆的轮重、轴重和/或总重。动态汽车衡技术通常可应用于例如车辆称重、高速超限管理等多个场景中。

然而，车辆在行进过程中不可避免地出现振动，而车辆的振动又是动态称重误差的重要来源，并且与车辆速度相关，由此导致以上称重形式通常在车辆运行速度15km/h以下时称量准确，大于15km/h以后难以准确称量。对此，解决动态称重的振动问题，通常可以采用硬件和软件两种方法。

硬件方法是指在现有的轴重式、轮重式以及不完全称重式等中增加称量距离来提高称量速度适应性和准确度。然而，通过增加称量距离提高准确度的硬件方法虽然能够达到目的，但是所需要的成本较高，每提高一倍的称量适应速度，需要增加一倍以上的成本，而且各个模块之间的配合导致称重装置的结构以及工作流程非常复杂。

此外，通过软件提高准确度的软件方法虽然也能够达到目的，但软件的拟合需要采集至少2/3个周期的振动信号，因此其对于称量速度适应性的提高效果有限，当无法采集到一段连续的信号时，也就无法进行较好的软件数据拟合。

图1示出现有的称重装置通常采用的板式称重的示例性示意图。如图1所示，车道101上的凹槽内布置有方形板块102且该板块与车道齐平，并且在板块的四个角底部布置有四个称重传感器103。方形板块102与底部的称重传感器103组成板式称重装置。其中，四个称重传感器可以通过无线或有线与电子仪器105连接，电子仪器105还与数据处理装置106连接。在一个应用场景中，方形板块102的尺寸可以是例如长或宽1m，厚20cm-30cm，将该板块安装于车道101内，其长度方向与车辆行进方向平行，宽度方向与车辆行进方向垂直。当车辆104沿图中箭头方向行驶经过该板式称重装置时，由称重传感器获得该行驶车辆每轴的称重信号。该称重传感器通过无线或者有线与电子仪器105连接，电子仪器105从称重传感器接收并显示车辆每轴的称重信号，并对称重信号进行预处理。进一步地，将预处理后的称重信号传输至数据处理装置106；通过数据处理装置106对该称重信号进行优化处理，获得车辆轴重的标准重量信号。

在实际应用场景中，车辆在行驶过程中不可避免地会出现振动。因此，称重传感器获得的称重信号中叠加有振动信号。例如，将称重信号记为Y(t)，则Y(t)＝w(t)+Asin(ωt+θ)，其中w(t)为标准称重信号，也即不存在振动时的称重信号；振动信号可以表示为A sin(ωt+θ)，A、ω以及θ分别表示振动信号的振幅、角频率以及相位。

上述采用板式称重装置的称重方法在一定程度上可以获得车辆轴重，但是也存在如下缺陷。在一个方面，当行驶车辆速度过快，例如车辆速度达到20km/h时，则采集的振动信号通常少于半个周期波形，此时难以确定振动信号的A、ω以及θ，从而难以获得标准称重信号w(t)。若要获得更长周期的波形，则需要增加称量距离，所需要的成本极高。在另一个方面，行驶车辆经过方形板块时会对板块造成形变，形变量越大则会加剧车辆振动，而当车辆速度越快时，振动越大，基于前述描述，此时获得的称重信号精度较差。

有鉴于此，在本实用新型的实施方式中，通过在车辆动态称重过程中，使用额外的传感器来感测称重期间车辆的振动，并由此利用振动信号来补偿称重信号，从而提高称重准确性，并相应地提高称重时对车辆速度的适应性。

下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

下面结合附图来详细描述本实用新型的具体实施方式。

图2是示出根据本实用新型的示例性实施方式的称重装置安装在道路中的俯视图。

如图2所示，本实用新型的示例性实施方式提供一种用于动态车辆称量的称重装置，所述称重装置可以包括：至少两个第一传感器310，其沿着道路320的宽度方向交错或者并排布置，以便在车辆经过所述道路320时，获取与所述车辆的重量相关的称重信号；以及多个第二传感器330，其布置于所述第一传感器310底部，以便在所述车辆经过所述道路320时，获取与所述车辆的振动相关的振动信号。

在一个示例性的实施方式中，如图2所示，第一传感器310例如可以是弯板式称重传感器。

此外，根据不同的应用场景，本实用新型的弯板式称重传感器可以具有不同的尺寸。例如，在一个应用场景中，弯板式称重传感器的长度可以在70cm至200cm(厘米)的范围内，宽度可以在50cm至375cm的范围内。这里，由于弯板式称重传感器的长度和宽度的变化范围较大，因此为了便于描述和理解，可以示例性地进行如下定义：当上述弯板式称重传感器安装在道路320中时，弯板式称重传感器的长度方向为与车辆的行驶方向平行的方向，并且弯板式称重传感器的宽度方向为与车辆的行驶方向垂直的方向。

此外，可以理解的是，这里给出的尺寸范围仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员根据本实用新型的教导和实际应用场景可以选择使用不同的尺寸。例如，可以根据道路320的宽度大小来确定弯板式称重传感器的宽度，并且可以使用至少两个弯板式称重传感器交错或者并排布置于道路320的宽度方向，使其延伸至道路320宽度方向的两侧边缘。

图3是示出根据本实用新型的示例性实施方式的称重装置安装在道路中的剖视图。

在一个应用场景中，如图3所示，上述的弯板式称重传感器可以嵌入到道路320路面上开设的凹槽中。该弯板式称重传感器可以包括弹性体311，所述弹性体311可以具有矩形的板状结构并且其上可以设置有沟槽，该沟槽可以用作布置应变单元312的应变区。特别地，上述的弹性体311可以由钢或铝合金材料制成。进一步地，弯板式称重传感器还可以包括应变单元312，所述应变单元312例如可以包括电阻式应变计并且可以布置在弹性体311的应变区中。特别地，上述应变单元312可以包括多只电阻式应变计，多只电阻式应变计可以组成惠斯通电桥。进一步地，所述弹性体的两侧设有安装支座313，所述安装支座313侧面设有楔形槽，所述弹性体311通过所述楔型槽与支座紧固。

在一个应用场景中，如图3所示，当车辆的车轮行驶经过弯板式称重传感器时，布置在应变区的电阻式应变计发生形变，使得由电阻式应变计组成的惠斯通电桥产生与车辆的轴重成比例的称重信号，进而可以利用该称重信号计算车辆的轴重的测量值。在一个实施方式中，上述的称重信号例如可以包括电阻式应变计或弹性体311的形变数据，该形变数据例如可以是电压数据。

可以理解的是，在上文中描述的电阻式应变计仅仅是示例性的而非限制性的，本领域技术人员根据本实用新型的教导和实际应用场景可以选择使用不同的应变单元312。例如，根据不同的应用场景，这里的应变单元312可以实现为有线或无线的应变计。当上述的应变单元312实现为无线应变计时，本实用新型的方案并不需要在弹性体311上布置向外引出的信号线。相较而言，当上述的应变单元312实现为电阻式应变计或半导体应变计时，则可以在弹性体311内布置相应的线缆，以将电阻式应变计或半导体应变计感测的信号传送到外部电子仪器和/或数据处理装置，以用于对压力信号进行分析和处理，从而获得车辆经过时的称重数值。

在一个示例性的实施方式中，第二传感器330例如可以是振动传感器，并且弯板式称重传感器可以具有用于安装该振动传感器的安装面。在一个实施方式中，上述的安装面可以是弯板式称重传感器的底面，在该底面上可以开设有用于整体或部分地容纳一个或多个振动传感器的一个或多个凹部，并且多个振动传感器可以可拆卸地安装到上述的多个凹部中。这里，振动传感器可以用于将机械振动量(位移、速度、加速度、力等)转换为电量(电荷、电压等)或电参数(电阻、电感、电容等)的变化。

具体而言，振动传感器可以将振动体的运动转化为模拟电压信号，即振动传感器获取的振动信号是模拟电压信号。在一个实施方式中，振动传感器可以包括加速度传感器、速度传感器和位移传感器中的一种或多种。在一个应用场景中，第二传感器330可以是压电式加速度传感器。

图4是示出根据本实用新型的示例性实施方式的称重装置的示例性结构框图。进一步如图4所示，本实用新型的称重装置进一步可以包括：处理单元350，其配置用于：接收所述称重信号和振动信号；以及对所述称重信号和振动信号进行融合处理，以便确定所述车辆的重量。

在一个示例性的实施方式中，由弯板式称重传感器所产生的称重信号和由振动传感器所产生的振动信号可以传输至处理单元350，以用于计算车辆的重量。在一些实施方式中，处理单元350可以包括数据处理装置，数据处理装置例如可以是运行信号分析软件(例如MATLAB)的处理器。

具体而言，上述的处理单元350可以接收由弯板式称重传感器产生的称重信号以及由振动传感器所产生的振动信号，并且将接收到的称重信号进行放大和/或模数转换等预处理，以将其转换为可处理的数字信号。进一步地，处理单元350可以根据称重信号和振动信号来确定车辆的重量。

在一些实施方式中，根据称重信号和振动信号来确定车辆的重量可以包括：所述称重信号可以由下式表示：

其中Y₁(t)^k、Y₂(t)^k为所述第k个轴左、右侧轮的称重信号，

为所述车辆的第k个轴左、右侧轮的静态重量，

表示所述第k个轴左、右侧轮的称重信号中的振动噪声。

因此，车辆的轴重与轮重的关系可以如下式表示：

对于同一个轴的左右两侧振动

有：

进一步地，由于同一个轴的两个车轮行驶通过两个第一传感器310的时间不同，因此可以认为左侧车轮通过传感器的起始时间和终止时间分别为t₀和t₂，右侧车轮通过传感器的起始时间和终止时间分别为t₁和t₃，在如图2所示的布局中，可以有t₀<t₁<t₂<t₃。

由此，所述第k个轴左右轮振动信号中的有效信息V(t)^k可由下式表示：

其中，

和

为左、右轮振动信号与振动噪声的关联系数。

在一些实施方式中，首先由Y(t)^k确定车辆第k个轴的第一称量重量

在一些实施方式中，所述处理单元可以通过如下利用所述振动位移信息来确定所述振动噪声：对所述振动位移信息进行时频域变换，以分解成多个频率下的多个时域信息：

其中A_i表示幅值，w_i表示角频率，φ_i表示初始相位，N代表时域信息的数量；将所述振动噪声表示为如下形式：

其中

表示所述振动噪声的幅值，w_i表示角频率，φ_i表示初始相位；N代表时域信息的数量；以及利用拟合方法根据式(4)～(8)确定所述振动噪声的关系系数，从而确定所述振动噪声。

优选地，前述拟合方法可以是例如最小二乘法。在一些实施方式中，本领域技术人员也可以根据需求来设置角频率w_i,基于此，可以获得振动噪声。

进一步地，根据所述称重信号与所述振动噪声的差进行振动消除从而生成第二称重信号以及根据所述第二称重信号确定第二轴重信息

进一步地，再由第一称量重量第一称量重量

和第二称量重量

确定各轴轴重；以及基于所述车辆所有轴的单轴称量重量之和来确定所述车辆的重量。

此外，可以理解的是，第一称量重量

和第二称量重量

确定各轴轴重的方法本领域技术人员可以得出很多种处理方式，包括但不限于：

直接采用第二称量重量

对第一称量重量

和第二称量重量

进行加权平均；或

对第一称量重量

和第二称量重量

做差，当差在某个范围内时采用上述的两个重量中的一个以及当差超出某个范围时采用两个重量的加权平均。

因此，在各个轴的轴重确定之后，可以通过各个轴的轴重的加和获取车辆总重。

结合以上描述，在本实用新型的实施方式中，利用第一传感器获取车辆经过时的称重信号，并且利用第二传感器获取车辆经过时的振动信号，再利用处理单元对称重信号和振动信号进行融合处理来确定车辆的重量。此外，通过采用额外的第二传感器来获取称重期间的振动信号，使得本实用新型的称重装置对振动信号的获取不受车辆行驶速度的限制，并且利用该振动信号来补偿称重信号，可以提高称重准确性。

在一些实施方式中，通过对振动信号的频域信息进行分析，可以获得多个频率的振动信息，从而更精确地补偿称重信号。进一步地，处理单元可以对振动信息进行例如最小二乘法之类的拟合，以获得每个轴或轮的轴重的最优解，从而可以获得每个轴重的去振动称重信号。此外，在本实用新型的实施方式中，可以将去振动称重信号转换成车辆的轴组重量或者轮组重量，并且可以通过将所有的轴组重量或者轮组重量相加来获得车辆的重量。因此，采用本实用新型的实施方式的技术方案对动态车辆进行称重，不仅减小了称重误差，还解决了速度的适应性问题。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本实用新型的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本实用新型方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

虽然本说明书已经示出和描述了本实用新型的多个实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本实用新型思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施方式的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (7)

1.一种用于公路车辆动态称量的称重装置，其特征在于，所述称重装置包括：

至少两个第一传感器，其用于布置于道路中，以便在车辆经过所述道路时，获取与所述车辆的重量相关的称重信号；

多个第二传感器，其布置于所述第一传感器上，以便在所述车辆经过所述道路时，获取与所述车辆的振动相关的振动信号；以及

处理单元，其配置用于：

接收所述称重信号和振动信号；以及

对所述称重信号和振动信号进行融合处理，以便确定所述车辆的重量。

2.根据权利要求1所述的称重装置，其特征在于，所述第一传感器嵌入到在所述道路上开设的凹槽中。

3.根据权利要求1所述的称重装置，其特征在于，所述第一传感器为弯板式称重传感器。

4.根据权利要求1所述的称重装置，其特征在于，所述第二传感器为振动传感器。

5.根据权利要求4所述的称重装置，其特征在于，所述振动传感器包括加速度传感器、速度传感器或者位移传感器。

6.根据权利要求1所述的称重装置，其特征在于，所述第一传感器的底面上沿道路的宽度方向间隔设有多个安装部，以用于允许所述第二传感器安装至所述第一传感器的底部。

7.根据权利要求1所述的称重装置，其特征在于，所述至少两个第一传感器沿道路的宽度方向并排或交错布置并延伸至所述道路的两侧边缘。

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