（控制科学与工程专业论文）车辆动态称重技术研究.pdf

摘要 摘要 随着工业和商业贸易的快速增长，公路运输业竞争越来越大，超限超载运输 现象不断增加，车辆动态称重技术具有越来越重要的作用。现有的车辆动态称重 系统所采用的传感器多适用于固定式安装，即使一些便携式车辆称重传感器也因 为重量过重，体积过大的缺点，无法真正实现便携测量。本文提出并制作了一种 新型软质称重传感器，此种传感器体积小质量轻，并且由于为软质材料，可以随 时弯曲卷起，具有较好的携带性。针对该传感器，建立了应力、应变及受力时间 三者之间的三维模型和明确关系式，并对受力部分几何形状等影响因素进行了分 析，通过实验证明了模型的正确性和进行车辆动态称重的可行性。此外针对目前 广泛使用的基于硬质传感器的车辆称重系统进行了分析，建立了三自由度系统模 型，根据此模型推导出基于系统辨识方法的6 阶简化数学模型，通过实验验证了 该方法的可行性。本文的主要研究成果有： 1 提出并研制了一种新型软质称重传感器。为了减小边缘效应及寄生电容等因 素的影响，提出并采用“3 + 2 ”电容式传感器结构和采用充放电式测量电路。 并且针对电路需要测量的电容变化量相对于传感器本身的本体电容来说比较 微小的问题，在测量电路中增加了抵消本体电容的补偿电路。 2 针对聚合物材料的粘弹性力学特性，提出了利用m a x w e l l - k e l v i n 模型建立应 力、应变及受力时间三者之间的关系模型以及明确的关系式，并进一步推导 出了传感器电容变化量与被测重量之间的明确关系。同时分析了在某些情况 下，受力部分几何形状会对聚合物材料产生影响，从而影响传感器受力产生 的位移变化，推导建立了传感器电容变化量与受力部分几何形状之间的关系。 3 。鉴于实际测量中采集到的轴重信号往往含有噪声成分，引入了基于小波变换 的去噪方法对信号进行预处理，取得了良好效果。建立了相应的实验系统， 进行了静态和动态下的实验研究，结果表明m a x w e l l k e l v i n 模型很好的拟合 了传感器受力导致电容量变化的蠕变过程，也证明了利用本文提出的称重系 统及测量方法进行车辆动态称重的可行性。 4 针对目前广泛使用的基于硬质材料传感器的车辆动态称重系统，结合汽车和 称重机构模型建立了三自由度系统模型，根据此模型推导出基于系统辨识方 法的6 阶简化差分模型。利用实验室和现场测试，验证了利用6 阶简化差分 模型进行车重值预测的可行性。此外引入s v m 对车辆动态称重系统产生的 信号进行处理，通过实验结果表明，该方法能够准确的对车重值进行预测， 但存在一定的局限性，需要在特性情况下使用。 关键词：动态称重，传感器，软质，电容，粘弹性，信号处理，系统辨识，小波 变换 i i i a b s t r a c t t h e s ed a y s ，t h ev o l u m e so fg r o u n dt r a n s p o r t a t i o nk e e pi n c r e a s i n gw i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r ya n dc o m m e r c ea n dt h ec o m p e t i t i o nb e t w e e nt r a n s p o r t c o m p a n i e sw a se v e nm o r ed r a s t i c a sar e s u l t v e h i c l e so v e r l o a d e di l l e g a l l ya l r e a d v b e c o m eaw i d e s p r e a ds o c i a lp r o b l e m t h u s ，t h ev e h i c l ew e i g h 。i n - m o t i o n ( w i m ) ，a t e c h n o l o g yc a nm e a s u r et h et r a f f i cl o a d s a t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o nc u r r e n t l y t h em o s t o ft h ee x i s t i n gw e i g h i n gs e n s o r sa r em a i n l ys u i t a b l et ob ei n s t a l l e df o rp e r m a n e n t a p p l i c a t i o n s a l t h o u 馥s o m eo ft h e ma rep o r t a b l e ，t h eh e a v yw e i g h t l a r g ev o l u m e s l i m i t e dt h ea p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , an o v e lc a p a c i t a n c ew e i g h i n gs e n s o rw a s d e v e l o p e db yu s i n gc o n d u c i v ef a b r i c sa se l e c t r o d e sa n di n s u l a t i n gr u b b e rs a n d w i c h e s b e t w e e nt w oe l e c t r o d e s t h i sd e s i g ns i g n i f i c a n t l yr e d u c e st h ev o l u m ea n dw e i g h to f t h ew 蹦s e n s o r m o r e o v e r , b e c a u s eo ft h i ss t r i k i n gf e a t u r e t h ew h o l es y s t e mc a nb e e a s i l yt oc a r r ye v e nt or o l l e du pd u et oi t sf l e x i b i l i t y b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t so f t h er e l a t i o n s h i pa m o n gs t r e s s ，s t r a i na n dt i m e ，a n dt h ei n f l u e n c eo fg e o m e t r i c a lf o r m o ff o r c ep a r t , an u m b e ro fe x p e r i m e n t sw e r et e s t e d t h ec o n c l u s i o nc a nb ed r a w n 也鑫圭 t h ew h o l es y s t e mi ss u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o nt ow e i g hv e h i c l e si nm o t i o n i n a d d i t i o nt o 。a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f h a r ds e n s o r so nt h et r a d i t i o n a lw i ms y s t e m s ， am o d e lw i t ht h r e ed e g r e eo ff r e e d o mw a sb e e ne s t a b l i s h e d t h e nas i xo r d e r m a t h e m a t i c s m o d e lb a s e do ns y s t e r ni d e n t i f i c a t i o ni n d u c e df r o mi tw a su s e dt ot h e s y s t e m 。t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d 。t h em a i n r e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r es h o w e da sf o l l o w s ： 2 3 4 an o v e lc a p a c i t i v ef l e x i b l ew e i g h i n gs e n s o rw a sp r o p o s e d t h e 3 + 2 s t r u c t u r e a n dc h a r 西n ga n dd i s c h a r g i n gc i r c u i tw e r ep r e s e n t e df o rr e d u c i n gt h ei n f l u e n c eo f e d g ee f f e c t sa n dp a r a s i t i cc a p a c i t a n c e + t h ec o m p e n s a t e dc i r c u i tw a su s e dt oo f f s e t t h en a t u r a lc a p a c i t a n c es i n c et h ev a r i a t i o no fc a p a c i t a n c ew o u l db em u c hs m a l l e r t h a nt h en a t u r a lc a p a c i t a n c eo ft h es e n s o r a c c o r d i n gt ot h ev i s c o e l a s t i c i t yp r o p e r t i e sf o rt h es e n s o r sm a t e r i a l t h eb e h a v i o r o ft h es e n s o rw a ss i m u l a t e db a s e do nt h em a x w e l l k e l v i nm o d e la n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i a t i o no fc a p a c i t a n c ea n dw e i g h tw e r ed e r i v e d 殇o r e l a t i o n s h i pb e t w e e nv a r i a t i o no fc a p a c i t a n c ea n dg e o m e t r i c a lf o r mo ff o r c ep a r t w a sf u r t h e rs t u d i e ds i n c ei ns o m ec a s e st h ef l e x i b l es e n s o rw o u l db ea f f e c t e db y g e o m e t r i c a lf o r mo ff o r c ep a r t t h ew a v e l e tt r a n s f o r mw a sa p p l i e dt of i l t e rt h eh i g hf r e q u e n c yn o i s ea p p e a r e di n t h ea x l el o a ds i g n a l sw h i c hw e r es a m p l e db yt h ea dc a r d 。an u m b e ro fs l 继i ca n d d y n a m i ce x p e r i m e n t sw e r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tm a x w e l l k e l v i n m o d e lw a sc a p a b l eo fd e s c r i b i n gm e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h ec a p a c i t i v ef l e x i b l e w e i g h i n gs e n s o rp r e s e n t e di nt h ep a p e ra n dt h ea p p l i a n c eo ft h i ss y s t e mt ow e i g h i nm o t i o n am o d e lw i t ht h r e ed e g r e eo ff r e e d o mw a se s t a b l i s h e db a s e do nc u r r e n tv e h i c l e s a n dw e i g h i n gs e n s o r sa n das i xo r d e rm o d e lb a s e do ns y s t e mi d e n t i f i c a t i o nw a s d e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h em e t h o dc a nb eu s e df o rt h er a p i d p r e d i c t i o no fa l la p p l i e dm a s si nt h ev e h i c l ew e i g h i n m o t i o ns y s t e m t h e f e a s i b i l i t ya n dl i m i t a t i o nf o rt h es v mm e t h o dw e r ea l s ob e e np r e s e n t e di nt h e s t u d y k e y w o r d s ：w e i g hi nm o t i o n ，s e n s o r f l e x i b i l i t y ，c a p a c i t a n c e ，v i s c o e l a s t i c i t y , s i g n a l p r o c e s s i n g ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ，w a v e l e tt r a n s f o r m v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究正作及取褥的研究成 果。除了文中特1 1 1 1 1 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人邑经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿基堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：移治 签字日期：矽j 牙年多月歹7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏基鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复e 器件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鋈盘堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 移陪 ! l l ! - 字i e ll l ：3 年毒疑? e l 导师签名： 签字醐。锣胪厂日 致谢 致谢 在本论文完成之际，在此向导师张宏建教授表示最诚挚的谢意。张老师渊博 的学识，严谨的治学态度和高屋建瓴的大家风范给我留下了极其深刻的印象。五 年来在导师悉心的指导与帮助下，我丰富了知识面，提高了科研工作能力。导师 的严格要求、谆谆教诲使我受益终身。他给予我的关怀和鼓励使我深受感动并难 以忘怀。 特别要感谢中国计量学院的李青教授。李老师广博的知识、敏锐的洞察力、 积极进取的敬业精神和雷厉风行的工作作风使我受益匪浅。李老师在本课题的确 立、实验系统的建立以及整个课题进展过程中给予了我很多无私的帮助和很有意 义的指导，为课题的完成起到了重要的作用，可以说没有李老师的帮助，课题不 能顺利进行。 衷心感谢实验室的孙斌、马龙博、王俭以及中国计量学院的李雄、杨杰等在 实验上给予的帮助与支持。感谢同学和朋友对我的帮助和关心：漆随平、梁强、 徐辰、张毅、骆志坚、莫凌飞、凌张伟、花月芳、孙永剑、刘立业等，还有实验 室的其他师兄弟，和你们在一起的日子非常愉快。还要感谢唐亮、宣琦、张浩、 童长飞等朋友，你们一直都很关心我。 感谢所有关心我的亲人和朋友们，感谢他们在我求学生涯中给予的无私奉 献。 最后，我将深切的谢意给予我的父母，万爱千恩百苦，疼我孰知父母。感谢 他们用爱哺育我成长，正是他们激励我对周围的世界充满好奇。同时我将深深的 谢意给予我的妻子李林珏，正是她对我的理解与支持才使我每天都有奋发进取的 激情，她是我的动力源泉。我仅以此文献给他们，愿他们一生健康、幸福! 程路 2 0 0 8 年5 月于求是园 第一帮绪论 第一章绪论 目前公路运输娩和商韭贸易不断得到发展，公路车辆超限超载现象也随之 增多，车辆动态称重技术已成为车辆载荷测量的关键技术和发展方向。本章通过 譬l 用实际数据，说明了车辆超限超载对公路产生的危害，指蹴了本文研究背景和 意义，并阐述了本文的主要研究内容。 1 1 引言 人类要认识世界、改造世界、探索一切自然规律，都离不开检测技术及各种 检测仪器或系统。俄国化学家门捷列夫曾说过“科学是从测量开始的”，我国著 名科学家王大蒴更具体的指出，“仪器仪表是人们认识世界的工具。 检测的目的是利用传感器通过物理、化学或生物的方法，获取被检测对象运 动或变化的信息，通过信息转换和处理，使其成为易于人们阅读和识别表达的量 化形式i ij 。在科学史上，许多重大的发现往往是通过新的检测手段的发明而取得 的。据统计，自诺贝尔奖创立以来，物理和化学奖中约有1 4 是由于其在测试方 法和测量仪器上的发明和创薪丽获奖的。在工农业生产及国防各行业中，检测技 术同样占有及其重要的地位，大到天体观测、遥感测量、气象预报、地震找矿， 小到物矮成分分析、晶体结构测定、原子核子结构研究，军事用途的电子侦查、 卫星定位到工业生产过程的生产过程自动化、过程参数测控，再到医疗卫生方面 的断层扫描、药品质量监控无一不体现了检测技术的重要，陡泣。可以这样说， 检测技术的发展程度标志着一个国家的信息水平和工业发展程度。 物质的质量是人类最早关注的重要参数之，是物质的最基本特性，而称重 测力技术一直以来就被人们所重视。尤其是近年来随豢公路运输业和商业贸易不 断得到发展，车辆称重技术越来越引起人们的关注。对于车辆的称重，传统的方 法都是在静态下进行的，这种整车测量方法精度虽然很高，但是存在着很大的缺 点，如价格较高，不能分别测出轴重等。另外，实际应用中停止汽车运行进行重 量溯量也是十分不方便的。因此，近年来许多国家都对车辆动态称重技术进行了 研究，并有一些实际的应用。 车辆动态称重的方式主要有整车计量和轴蓬计量方式两种。应朋整车计量方 式，需要比较大的秤台，这大大增加了王程造价和难度，所以这种方式已越来越 少使用。目前较为流行的是轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系 统计算挺整车重量。在静态称重时，车辆的轮胎平稳地作用予称重台面上，除真 实轴重外，无任何其它外力干扰，因此容易实现高准确度测量。但是动态称重时， 车辆以一定的速度透过称重台面，不仅轮胎对秤台的作用时间很短( 在几百毫秒 浙江大学博士学位论文 以内) ，而且作用在秤台上的力除真实轴重外，还有许多因素产生的干扰力，如 车速、车辆自身振动、路面噪声、轮胎特性等【5 。1 7 1 。可以说真实轴重往往被淹没 在各种干扰力中，这给高准确度的动态称重造成很大困难。 按照车辆动态称重系统传感器的安装方式，车辆称重系统可以分为固定式和 便携式两种瞵j 。 固定式的一般结构主要由秤台、称重传感器和称重仪表组成。其中秤台小于 1 m ，基本等于一个汽车轮胎的直径，这样既可以避免同时测量两个轴重值又可以 减少工程造价。称重传感器主要采用应变式传感器。固定式车辆称重系统的基本 工作原理为：车辆轴重通过秤台传递给称重传感器，传感器受力时将重量信号转 化成电信号传递给称重仪表，经过仪表处理显示出被称重物体即车辆的重量。固 定式称重系统相对于便携式系统来说，测量准确度要高一些，但安装和维护成本 较高，不利于实时测量。 便携式相对来说结构轻小，便于携带，目前主要有以下几种结构形式： 传统式秤台。基本采用与固定式称重系统相同的结构，使用四个剪切悬臂 梁式传感器，这种结构的优点是技术难度小，生产容易，抗偏载能力强。但是它 的缺点较明显，由于采用剪切悬臂梁式传感器，秤台高度高，一般为8 0 r a m 左右， 重量大，一般超过5 0 k g ，很难适宜便携的要求。 称重传感器嵌入式秤台。采用4 8 支称重传感器分别嵌入平板式秤台中， 称重传感器就是秤台的承载点，台面一般采用硬铝合金板，整个秤台结构简单， 重量相对较轻，高度低，抗偏载和过载能力强。缺点是必须生产专用的薄型称重 传感器，数量较多，技术难度较大，性能不易保证。 整体平板式秤台。将秤台与称重传感器做成一体，秤台本身就是一个称重 传感器。由于采用整体结构，高度低，一般为3 0 m m 左右：重量较轻，一般为3 0 k g 左右。缺点是技术难度大，对生产工艺要求高。抗偏载和过载能力较差。 因此，从以上分析可以看出，开发新的称重传感器及研究新的信号处理方法 来处理上述问题，克服上述缺点，具有重要的意义。这种新型传感器应更加易于 携带安装；轴重信号处理方法，应能进一步提高测量准确度，并具有普遍适用性。 本文将对车辆动态称重技术作详细研究，提出并制作一种新型的称重传感 器，并初步探讨动态称重中轴重信号的处理方法。下面，我们将首先通过引用实 际数据，说明车辆超限超载对公路产生的危害，指出了本文研究背景和实际意义。 1 2 车辆动态称重系统研究意义 公路作为一个国家重要的经济命脉，对沟通市场、物质流通起着不可替代的 关键作用。近年来，我国对公路基础设施的建设力度逐年加大，全国公路建设完 2 第一章绪论 成投资：2 0 0 2 年为3 0 0 0 亿元，2 0 0 3 年为3 7 1 4 9 亿元，2 0 0 4 年为4 7 0 2 3 亿元， 2 0 0 5 年为5 4 8 4 9 7 亿元，2 0 0 6 年为6 2 3 1 亿元。目前我国己建成以国道主干线为 骨架的纵横交错、四通八达的公路运输网路，对我国经济的平稳高速发展起到了 保障和促进的作用。但目前我国的部分公路却走进了边修边坏的怪圈，国家每年 在投入千亿计资金搞公路建设的同时，还要投入大量的财力、物力和人力来搞维 修加固，而车辆超限超载运输是导致某些公路损坏严重的主要原因。所谓车辆超 限是指公路上行驶的各种运输车辆装载货物超过国家管理规定的行为，是运输车 辆装载超过公路对其的限值。车辆超载是指公路运输车辆在装载货物时超过其核 定的载质量，即超过行驶证上核定的载货质量( 标记吨位) ，是车辆本身对其装载 的限制。 然而由于经济持续高速增长、新旧经济体制过渡期市场行为定程度的无序 性、运输者片面追求利益最大化、公路运输缺乏有效的执法等原因，我国公路普 遍存在严重的超限超载运输现象。例如2 0 0 0 年2 月2 同，浙江省警方在沪杭甬 高速公路上查获一辆牌号为皖k 0 2 8 2 8 号严重超载的卧铺大客车。允许核载4 5 人的车辆竟然乘载了1 7 4 人，超载2 7 8 。货运车辆的超限超载现象更是十分普 遍。曾发生过一辆限载1 0 t 的货车却装载3 9 t 货物。因严重超载造成车辆倾疆， 将一名正在现场执勤的交警压死。公路上车辆超载现象之严重，由此可见一斑。 超限超载车辆对公路的危害主要表现在以下方面1 9 。15 j ： ( 1 ) 对路面使用寿命的影响 路面在行车荷载作用下产生垂直变形，当荷载较小时，荷载与变形之间呈线 性关系。在这一阶段内，路面主要是产生弹性压缩，材料处于弹性工作状态，易 恢复原形。路面在重复荷载作用下虽不产生塑性变形，但结构内部将产生微量损 伤，当微量损伤累积到一定限度时，路面结构发生疲劳断裂，出现破坏极限状态。 当荷载超过一定数值时，荷载与变形问呈弹塑性关系，此时路面内部发生局部剪 切变形。当荷载再增加时，变形将急剧增加，路面强度丧失，产生塑性流动，出 现累计变形破坏极限状态，路面被永久性破坏。疲劳破坏与累计变形这两种破坏 极限的共同点就是破坏极限发生不仅同每一次荷载应力的大小( 可能在低于静载 一次作用下的极限应力值) 有关，而且同荷载应力作用次数有关。 由此可见，每条公路在设计使用年限内承受标准单轴累计碾压次数都是固定 的。汽车载重传给车轴，一般情况下前轴承担汽车总质量的1 3 ，后轴承担2 3 ， 其轴载质量对路面是一种重复性的疲劳作用。当单轴轴载增大时，路面在设计使 用年限内能够承受弹性变形的次数( 车辆轴载作用次数) 大为减少，路面在超载情 况下的疲劳寿命要比标准轴载作用时的疲劳寿命低很多。因此，汽车轴载质量的 大小，直接影响路面使用期的长短。美国有关专家曾经专门对此作过试验，研究 了汽车超载对公路路面的破坏效果，并且在1 9 8 5 年提出，车辆对公路路面的破 3 浙江大学博士学位论文 坏性与汽车轴载的l r l 次方成正比，即 e ，= n o n , = ( 只e o ) ” ( 1 1 ) 式中：e 厂称为破坏系数；n o ，p o 为标准车的通行次数及轴载；m ，p ，某一种 车的通行次数及轴载；系数n 一般在4 到5 之间，由于各国公路及其他状况不同， 系数刀也略有不同，在美国n 设为4 2 ，日本设为4 0 ，中国一般设为4 3 5 。由式 ( 1 1 ) 可知，汽车单轴超载对路面的破坏作用非常显著。 ( 2 ) 对车辆安全行驶的影响 一般情况下车辆超载，制动过程中的动能损耗大幅度增加( 如载重8 t 、总重 1 3 t 的车装到总重2 0 t ，超载8 5 左右，制动过程中的能耗增加5 4 左右) ，对制动 器的热容量要求相应增加。一方面，在制动器正常工作的情况下，制动过程延长、 制动距离时间加长，可能造成制动不及时的事故；另一方面，由于制动器的设 计匹配、制造与检验中基本是按照规定负荷进行的，一旦对制动器热容量要求增 加，超出了原设计范围，引起热衰退，大大降低其制动效能和使用寿命，引发事 故。尤其是货运汽车大多采用鼓式制动器，容易出现制动鼓受热变形，使蹄与鼓 中间接触进而降低了接触面积、制动效能下降，引起机械衰退；同时其结构上散 热性能差，对制动效能极为不利。 车辆超载，轮胎负荷增加，长时间频繁制动使胎温升高、摩擦加剧，尤其是 前胎载荷转移较大，易造成爆胎引发事故。另外，由于重型车多是使用多轴、双 胎，如果由于选用轮胎强度不足或出现装载不匀、轮胎气压不均、道路不平的冲 击、紧急制动过程中的载荷转移等情况，也容易引起爆胎。重型车爆胎经常引发 连锁反应、出现恶性事故。 超载对转向系统的正常工作也会造成一系列影响。一方面是超载后转向轮荷 加大，车轮定位参数发生非预期的改变，同时转向机构受力增加、转向沉重；另 一方面，超载后重心位置发生变化，尤其是在转弯制动中离心力会影响车轮受力， 车辆操纵性变差。 同时为了追求经济上的利益，超载车辆经常是趁夜晚收费人员不易察觉或交 警不在路上巡逻时上路，由于夜晚能见度较低，货车特别是超载车辆与其它车辆 的速度差较大，容易造成交通事故。 ( 3 ) 对通行能力的影响 在一些路段特别是平曲线半径较小、纵坡较大的路段，由于超限超载车辆动 力性能满足不了高速行驶的要求，妨碍了小型车辆的正常行驶，造成交通拥堵现 象。目前我国大多数公路的交通量远未达到设计交通量，因此这种现象尚未造成 大的影响，如果公路按设计交通量提供了正常的服务，那么部分路段的拥挤就会 影响公路全线的通行能力。根据通行能力计算公式： 4 第一章绪论 ：粤 ，。、 ( 2 + 三) + 6 + 5 4 吃， 式中为车流量( 辆h ) ；v 为车辆速度( k m h ) ；l 为计算汽车长度( m ) ； 铲为粘着系数。 如果在相同的交通组成和道路条件下，即汽车平均长度上不变，道路通行能 力就只与车速、糕着系数值有关。假设汽车平均长度三= 6 1 m ，如果畅行速度 为高速公路上的限制速度v o = 1 l o k m h ，阻塞拥堵速度所一3 0 k m h ，那么此路 段的通行能力将由1 3 2 4 辆h 降低到8 3 6 辆，h ，原路段通行能力降低了3 7 。 ( 4 ) 对综合经济效益的影响 车辆超限超载导致了公路运输市场的恶性竞争，以竞相压价承揽货源，以超 限超载来获取利益。超限超载车辆从短期来看降低了运输成本，增加了营运收入， 但却缩短了车辆的使用寿命，加大了车辆的吨公里折旧费用，增加了营运成本； 同时造成车辆“大顿小标 泛滥。为了迎合车辆超载运输的需求，些汽车生产 厂商竞相生产“大顿小标”车，一些汽车厂家和修配厂也纷纷非法改装，影响了 汽车工业的健康发展。超载在以上凡方两的危害，给社会带来的更多的是负面影 响，如高速公路维修周期的缩短、养护费用的增大以及交通事故给社会、环境、 人民生命财产造成的影响等。， 公路车辆超限超载现象也引起了党中央、困务院的高度重视，2 0 0 7 年1 0 月 交通部等九部委联合下发了全国车辆超限超载长效治理实施意见，同年全国 治理车辆超限超载工作领导小组为深入贯彻落实党的十七大精神，于2 0 0 7 年l1 月2 0 下午在北京召开了治理车辆超限超载工作电视电话会议，会上要求各地要 对治理超限超载工佟的长期牲、艰巨性、复杂性要高度重视，要有充分的准备， 要按照十七大会议精神，坚持以x g d , 平理论和“三个代表”重要思想为指导，深 入贯彻落实科学发展观，明确工作职责，恪尽职守，加强掷作配合，在抓落实、 抓反弹、抓典型、抓难点、抓源头上下功夫，把党中央、国务院关于治理超限超 载工作的各项规定和工作部署落到实处。 为了避免超限超载车辆对公路造成提前破坏，提高公路彳亍驶的安全性，提高 社会综合经济效益，除了建立有效的管理和规章制度外，设置公路称重站，建立 超载称重系统，随时对超载车辆进行检查和处锶是比较行之有效的办法。如美国、 欧洲等发达国家在公路运输中也普遍存在超限超载现象，据调查【1 6 】，德国大型 载货车辆中超载车辆数量达到5 0 ，嗣本达至2 0 ，美国达到4 0 - - 6 0 ，为了减 小超限超载对道路等带来的危害，国外从2 0 世纪5 0 年代后期就开始对车辆超载 检测技术进行了研究。从发达国家的情况看，车辆动态称重系统的应用大大抑制 了车辆超载造成的危害，减小了车辆超载率。 5 浙江大学博士学位论文 美国有关专家曾对美国维吉尼亚州、马里兰州、亚利桑那州、威斯康星州、 爱达荷州、佛罗里达州以及蒙大纳州进行了研究【1 7 】，研究表明在车辆称重检查 系统完善的地区，车辆超载率明显较低。具体数据和车辆称重检查执行度与超载 率关系曲线如表1 1 和图1 1 所示。 表1 1 美国7 州超载率情况 卅l称重检查系统完善地区称重检查系统不完善地 超载率膈区超载率偈 维吉尼亚 0 5 2 o1 2 2 7 马里兰 1 o3 4 亚利桑那1 53 0 威斯康星 1 o 2 0 爱达荷 1 1 93 2 佛罗里达 1 41 3 蒙大纳1 o2 9 磊 超 羹 篡 称霞捡查执行度 图1 1 车辆运输超载率与车辆称重检查执行度关系曲线 通过上述分析可知，当前公路车辆超限超载已成为我国公路的隐形杀手和交 通事故产生的重要原因，已经引起有关部门的高度重视。因此如何解决日渐紧迫 的车辆超限超载问题已成为当务之急。而建立车辆称重系统，随时对超载车辆进 行检查和处罚是比较行之有效的办法。 1 3 本文的主要研究内容及意义 6 从以上分析可以看出，有效的治理公路车辆超限超载现象具有深远的意义。 第一章绪论 因此，研究一种方便实用的车辆动态称重测量方法显得尤为重要。本文提出并制 作了一种新型软质称重传感器，该传感器是以导电布为电极，以绝缘橡胶为中间 介质制作的电容式传感器；针对该传感器推导建立了传感器所受应力与应变、时 间之间的关系模型；同时对一些情况下受力部分几何形状对测量的影响进行了分 析和处理；并通过实验对模型的正确性给予了验证，证实了该方法的可行性；针 对传统采用硬质材料的动态称重传感器，利用汽车及称重机构的振动系统模型， 建立三自由度系统，推导出基于系统辨识方法的简化数学模型，提高了车辆动态 称重系统的测量准确度。本文提出了新的传感测量方法，新的信号处理模型，为 车辆动态称重研究提供了一种新的思路。 本文各章的主要内容如下： 第一章简要介绍了车辆称重技术的分类、计量方法、安装方式等。说明了 静态称重和动态称重，固定式和便携式安装方法的优缺点，重点论述了车辆动态 称重系统研究的背景，进而引出了本文研究的内容与意义。 第二章从传感测量原理的角度较为详尽的分析了目前存在的车辆动态称重 传感器，探讨了对车辆动态称重系统影响的车辆及非车辆因素。最后，提出了本 课题采用的技术路线和需要解决的难点。 第三章详细介绍了本文提出的新型软质称重传感器的设计方法，针对电容 式传感原理、聚合物分子运动特性、传感器电磁兼容性等因素探讨了传感器的材 料和结构；并根据该传感器特性介绍了传感器信号调理电路和数字电路的设计。 第四章从橡胶材料粘弹特性入手，通过分析比较了k e l v i n 、m a x w e l l 、 m a x w e l l k e l v i n 等模型，给出了适合于该软质称重传感器的应力、应变和时间的 关系测量模型，进而推导出了传感器电容变化量与被测重量之间的明确关系。并 结合橡胶弹簧理论，分析了受力部分几何形状与应力之间的关系模型。 第五章针对软质称重传感器，设计了相应的动、静态实验系统及方案。结 合实验中采集得到的车辆轴重信号，引入了基于小波变换的去噪方法以减小噪声 成分的干扰，并对小波变换理论及其在滤波领域的应用进行了介绍；简要分析了 小波变换在动态称重信号处理中相对其他滤波方法的优势。最后对动、静态实验 结果进行了分析讨论。 第六章简要介绍了基于硬质传感器的车辆动态称重系统结构，并对现有的 车辆动态称重信号处理方法进行了较为详尽的介绍。针对汽车和称重机构组成的 车辆动态称重系统，利用汽车及称重机构的振动系统模型，建立了三自由度系统， 推导出基于系统辨识方法的6 阶简化数学模型，提高了车辆动态称重系统的测量 准确度，并通过实验验证了该信号处理方法。此外引入s v m 对车辆动态称重系 统产生的信号进行处理，通过实验结果表明，该方法能够准确的对车重值进行预 测，但存在一定的局限性，需要在特性情况下使用。 7 浙江大学博士学位论文 8 第七章总结全文的研究工作，并对将来进一步的研究提出认识和设想。 第二章车辆动态称重技术综述 第二章车辆动态称重技术综述 车辆动态称重w i m ( w e i g h i n - m o t i o n ) 是指测量出正在行驶中车辆重量的 过程【1 8 】。车辆动态称重技术主要被用于采集交通数据和提高对超载车辆的执法 度。本章首先从传感测量原理的角度较为详尽的分析了目前存在的车辆动态称重 传感器，并探讨了对车辆动态称重系统影响的车辆及非车辆因素。最后，提出了 本课题采用的技术路线和需要解决的难点。 2 1 车辆动态称重传感器 车辆动态称重系统主要由动态称重传感器、测量电路、信号处理系统和显示 系统四部分组成，如图2 1 所示。车辆动态称重系统一般安装在通车车道上，当 车辆通过动态称重传感器时，传感器测量出车辆的轴重信号。利用测量电路，将 传感器传输过来的电信号放大，并经过a d 转换单元将放大后的电信号采样， 采样后的数字信号经过信号处理系统转换成车辆的轴重。在某些测量电路部分还 有硬件滤波单元，滤波单元可以将车辆经过传感器产生的高频噪声以及电路本身 的噪声滤除，减小信号处理系统的负担。车辆动态称重系统再由这些轴重值计算 出整车重量。 i 车辆动态称重传感器i 上模拟信号 测量电路 i 信号处理系统 图2 1 车辆动态称重系统组成 车辆动态称重系统中传感器应该具有较大的动态范围、较好的重复性和准确 度，较长的使用寿命，并且最好便于安装和携带。目前在车辆动态称重系统中比 较常用的动态称重传感器主要有压电传感器、弯板、单传感器和光纤传感器 9 浙江大学博士学位论文 【5 ，6 ，1 9 - 2 7 1 2 1 1 压电传感器 压电传感器是基于压电材料的压电效应原理而工作的。当在压电材料上施加 压力时，机械形变就引起它们内部正负电荷中心相对位移，产生极化，从而导致 介质两端表面内出现符号相反的束缚电荷，称为压电效应。反之，当在压电材料 的两侧之间加电压时，材料便会产生应变，称为逆压电效应。在一定应力范围内， 机械力与电荷呈线性可逆关系。此种现象是由居里兄弟( j a c q u e sc u r i e 和p i e r e c u r i e ) 于1 8 8 0 1 8 8 1 年问发现，并且采用希腊单词p i e z o ，意思是“ia p p l y p r e s s u r e ”。压电传感器正是利用压电效应的原理，当车轮经过压电传感器时，传 感器受冲击产生电荷信号，经过电荷放大和电压放大之后，即获得所需电压信号， 其幅度与所受压力成正比，信号的周期和轮胎停留在传感器上的时间相同。 + _ _ + _ 图2 2 压电传感器示意图 利用压电效应进行力的测量，必须对力所导致的表面电荷进行测量。图2 2 给出了压电式力传感器的示意图。上下两片电极将压电晶体夹在中心，成为一个 电容器。外加力使压电晶体产生变形，导致晶体表面存在剩余电荷，电荷的电量 则是力的函数。所施加的力越大，则表面电荷的电量越大。该电量最终表现为电 极问的电压： ，1 y = 兰( 2 1 ) c 其中，跏为压力f 所导致的电荷量，c 是电容。 压电传感器常用的压电材料主要有石英、压电陶瓷以及压电聚合物。其中常 用的压电陶瓷主要是锆钛酸铅( p z t ) ，常用的压电聚合物是聚偏二氟乙烯 ( p v d f ) 。p a t r i c kj s z a r y 等【2 0 1 对p z t 和p v d f 两种压电材料进行了比较，利用 1 0 第二章车辆动态称重技术综述 材料试验机( m t s ) 对两种材料制成的称重传感器进行了实验研究，证明p z t 与p v d f 材料相比具有使用寿命长、测量信噪比高、承受负荷大、稳定性高等优 点。图2 3 是两种比较常见的压电传感器图片。 承重皈 t i 英传感单元 移妒二一弗斗 图2 3 两种常用的压电传感器 目前，在美国、德国等一些国家正在使用压电传感器测量轴重，因为此种传 感器的宽度很小，所以当车轮经过带状传感器时，无论车速多少，虽然采集时间 不同，但是对于所有车辆都一样均采集到轮胎触地长度的信息，并且从传感器输 出的完整信号组成了轴重的估计值。同时该传感器安装时路面切口小，所使用封 灌材料保证了压电传感器和路面牢固的连接在一起，不会出现如弯板接口处易损 坏的问题，这就使得维护工作量非常少，并且传感器准确度与车辆振动和跳动有 关，与轮胎压在传感器上的面积有关，与温度有关，需要温度补偿。尤其是道路 质量对系统准确度影响很大，用在水泥路面较好，寿命长于沥青路面。b o l e s l a w m a z u r e k 等1 2 l 】利用p v d f 材料制作的传感器进行了实验，研究了不同车速情况下 传感器电压输出值的变化，推导了他们之间的关系公式，并且通过实验证明了压 电传感器能够较好的对行驶车辆进行称重测量。 利用压电传感器进行测量，测量准确度一般可达至l j + l5 ( 整车重量的相对误 差) 。此种传感器价格比弯板低，初期投入相对较少。目前，主要由是k i s t l e r 公 司和美国m s i 公司生产，国内较少有厂家生产。 浙江大学博士学位论文 2 1 2 弯板 弯板动态称重系统是利用在下方粘结有应变计的金属板进行测量。当车轮通 过弯板时，系统测量出应变计产生的应变力由此计算出动态重量值，然后利用测 量出的动态重量值预测出车辆的真实轴重。如图2 4 所示，当车辆经过弯板称重 板时，称重板由于应力作用发生弯曲现象，粘在板面下方的应变计也随着弯板发 生弯曲变形，应变计的电阻值随之发生变化，通过测量应变计电阻值的变化便可 求得弯板所受力的大小。在弯板安装过程中，当为沥青路面时，需要建造一个混 凝土地基支撑弯板，当为混凝土路面时，只需开挖一个基坑( 约为5 1 0 c m 深) 进行安装。图2 5 是典型的弯板传感器在安装前的图片，弯板传感器采用整体式 结构，且无机械结构，避免了车辆通过时所带来的冲击对机械结构的损坏，减小 了维修成本。 图2 4 弯板传感器示意图 利用弯板进行测量，测量准确度一般可达到土10 9 6 ( 整车重量的相对误差) 。 基于弯板传感器的车辆动态称重系统价格偏高，初期投入大。目前，德国的p a t 公司主要生产此类传感器，并且于1 9 9 9 年开始进入中国市场u o l 。 第二章车辆动态称重技术综述 2 1 3 单传感器 单传感器动态称重系统由称重台面和称重传感器组成。单传感器车辆称重系 统示意图如图2 - 6 所示。称重系统利用两块称重台面覆盖一条行车车道，在每块 称重台面下方中心处都采用一个单独的称重传感器用来测量经过称重台面的车 辆轴重。单独的称重传感器一般采用桥式传感器、柱式传感器、悬臂梁式传感器 或液压式传感器。图2 7 为典型的单传感器车辆动态称重系统。由于单传感器动 态称重系统的组成和结构相对较为成熟，因此目前国内外研究者主要将以单传感 器为代表的硬质车辆动态称重系统的信号处理