基于压电石英称重传感器的动态称重系统设计研究

基于压电石英称重传感器的动态称重系统设计研究

张铁异1,2，王明霞1，周晓蓉1,2，宋孟天1

(1.广西大学机械工程学院, 广西南宁530004；2.广西制造系统与先进制造技术重点实验室, 广西南宁530004) 摘要:针对高速公路动态称重系统中测量精度和车辆通行速度之间的矛盾，分析了汽车动态称重系统中影响测量精度的各种因素，进行了动态称重系统的硬件部分分析设计。然后对动态称重系统的数据做进一步的处理，并采用奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis,简记为SSA)算法进行最后的计算，提高最终结果的精度。研究结果有助于保证动态称重系统的长时间正常高效运行，使公路运输的管理有序和交通流畅。

关键词：压电石英；传感器；动态称重；SSA算法

Vehicle Vibration Signal Analysis Scheme and Choose of Hardware

Based on Virtual Instrument

ZHANG Tie-yi1,2, WANG Ming-xia1, ZHOU Xiao-rong1,2, SONG Meng-tian1

(1. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004 , China;

2. Guangxi key Laboratory of Manufacturing System and Advanced Manufacturing Technology, Nanning 530004,China) Abstract：According to contradiction between the measuring accuracy of the Highway Weigh-in-Motion systems and the vehicle traffic speed, various factors affecting the measuring accuracy of the Highway Weigh-in-Motion systems are analyzed. The hardware of Weigh-in-Motion systems are emphatically analyzed and designed, then the data of Weigh-in-Motion systems are disposed. Finally, the Singular Spectrum Analysis are applied to do the final calculation, and the accuracy of final results are improved. The results are helpful to guarantee the long-time normal and efficient operation of Weigh-in-Motion systems, which makes highway transportation system orderly and smooth. Keywords: Piezoelectric Quartz ; Sensor; Weigh-in-Motion; Singular Spectrum Analysis

1引言

车辆在运动过程中伴随着随机载荷和冲击载荷，导致了汽车运动的复杂性。诸多外界因素的影响，也增加了汽车运动的复杂程度，同时也给动态称重带来了诸多问题。影响汽车动态称重精度的主要动态因素[1]为:

汽车的振动:引起汽车振动的原因是多种多样的，最重要的是汽车自身造成的，如:发动机偏心转动引起的周期性振动，由轮胎花纹引起的周期性振动，由油料燃烧不均匀引起的随机振动以及驾驶员操纵不稳定引起的不均匀振动。

路面的不平整度或称重平台造成的不平度:汽车振动还有强迫振动形式，比如因路面不平整度导致的振动。地面表面的崎岖不平在公路和机场工程中被称为不平整度。当车轮与路面接触时，由于轮胎的弹性碾平作用，使得路面不平整度的高频成份对汽车的振动影响甚微，因而低频信号在汽车的振动中起着主导作用。

汽车的行驶速度:随着速度增加，随机载荷增多，且由于地面与车辆的祸合振动增大，故速度是一个影响动态精度的因素。加速度:当车辆加速或者减速时，弹性元件就会储存或释放一定能量，使车辆自身产生震动或震荡[2]，将伴随两类干扰运动。

因此需要选择恰当的称重传感器，设计能够减少或消除干扰的称重平台结构，同时选择恰当的放大器将采样信号放大处理，并采取SSA算法进行出具计算，最终将误差控制在规定以内。

来稿日期：2013-10-01

基金项目：广西青年基金项目（2010GXNSFB013005）；广西教育厅项目（2013YB013）；

广西重点实验室项目（12-071-11S05）；广西大学博士启动基金（C010015）

作者简介：周晓蓉，（1977-），女，副教授，博士，主要研究方向：机械工程与结构动力学

2 动态称重硬件系统设计

2.1动态称重系统平台组成原理

动态称重系统的硬件平台主要由四大部分组成，如图1：

图1 动态称重系统

2.2称重传感器的选择

目前在国内外动态称重系统实际应用

中，主要有以下几种[3]

：弯板式传感器、共聚化合物式压电传感器、电容式传感器、桥式称重平台、光纤传感器、整体型数字式智

能称重传感、压电石英式传感器[4]

。压电石英式传感器的温漂极小，低速、高速状态下都可进行称量，同时石英的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。石英晶体具有把敏感元件（如图2所示）整个表面上的载荷进行积分的能力。选择压电石英称重传感器作为动态称重系统的轴载称重传感器，能够提高称重系统的动态精度。

图2石英晶体圆片

压电石英称重传感器[5]

的结构如图3 所示， 图4、5为石英晶体WIM 传感器结构和外观，采用整体封装结构。石英晶体

WIM 传感器在水泥和沥青混凝土两种路面均可埋设（图6），依照图6所示的截面安装尺寸，在路面切割7cm 宽的安装槽，开挖深度仅5cm ，可以在各种路面安装，包括桥面。

1.石英晶体片

2.电极板

3.上压板

4.外壳

5.信

号输出插座

图3 压电石英称重传感器结构截面图

图4石英晶体压电称重器件

图5 石英晶体压电称重体

图 6 埋设于路表的传感器

与石英晶体传感器的配套电荷放大器装置，如图7所示，A/D 转换器用于将时间上离散、幅值上连续的模拟信号转换成幅值也离散的数字信号，并送入计算机中处理。计算机接受 A/D 送入的信号，并进行信号存储和处理。

图7 与石英晶体传感器配套的电荷放大器

2.3硬件电路

动态称重系统的硬件设计主要包括:压电石英式传感器、放大电路模块、滤波电路模块、模/数（A/D ）转换模块、TMS320C6416信号处理模块、存储器模块、PCI 接口模块、电源电路模块,其组成框如图8所示。按照系统硬件设计的要求和设计思路，依据系统硬件组成情况设计的硬件电路如图9所示。 硬件滤波模块

信号放大模块 A/D 转换模块

重量信号 称重平台

计算机系统

显示单元