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硕士论文汽车轴重动态测量系统设计 摘要 本文对国内外车辆动态称重的现状进行了较广泛的调研，较系统地探讨了基于动 态轴重测量的动态称重方法。 完成了承重板的设计和传感器的选型，搭建了简洁、合理、易安装的动态称重装 置阵列分布式轮重测量台，并对搭建后的系统进行了静态标定。 设计了多次单轮重模拟测量实验，研究了动态称重信号的处理算法、获得了有效 的车轮载荷一时间曲线、构建了测量系统的数学模型；针对传感器系统动态响应特性 不理想的情况，设计了动态补偿方案，推导了动态补偿算法，并验证了补偿算法的有 效性；通过对实验结果进行分析比较，得出了速度越大动态称重的相对误差越大的结 论；总结了被称重车辆轮胎中心通过测量台位置的改变对称重结果的影响，给出了几 种位置范围内的称重结果情况。 结合实际工程应用实时性的要求，设计了动态轴重测量系统的整体硬件实现方 案；设计了电阻应变式称重传感器的信号调理电路( 包括放大电路和滤波电路) 、基 于l t c l 8 6 7 的a d 转换电路以及t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 和计算机之间的串口通信电路等。 配合硬件电路，设计了数据采集程序、算法处理程序和串口通信程序。并在实验 室内对硬件电路和软件程序进行了测试，测试结果表明硬件电路和软件程序基本能够 满足系统的功能要求。 关键词：汽车动态称重，单轮重测量，实时信号处理，数据采集，d s p 电路 a b s t r a c t w eh a v ee x t e n s i v e l ys t u d i e dt h ep r e s e n ts t a t u so fv e h i c l e sw i ma th o m ea n da b r o a d a n dh a v es y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e dt h ew 蹦m e t h o d sb a s e do nt h ed y n a m i ca x l el o a d m e a s u r e m e n t w eh a v ed e s i g n e dab e a r i n gp l a t e ，s e l e c t e dt h es e n s o r s ，a n db u i l tan e ww i m d e v i c e w h i c hi s s i m p l e ，r e a s o n a b l e ，e a s yt oi n s t a l la n da r r a yr o u n do fd i s t r i b u t e dw h e e ll o a d m e a s u r e m e n tu n i t s a f t e ri n s t a l l i n g ，w eg a v et h ew i m s y s t e ms t a t i cc a l i b r a t i o n w eh a v ed e s i g n e dan u m b e ro fs i m u l a n te x p e r i m e n t sb a s e do ns i n g l e r o u n dl o a d m e a s u r e m e n t , r e s e a r c h e dt h es i g n a lp r o c e s s i n ga l g o r i t h m so fw 聊s y s t e m ，o b t a i n e d e f f e c t i v ec u r v e so fw h e e ll o a dt i m ea n ds e tu pam a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em e a s u r i n g s y s t e m b e c a u s et h ed y n a m i cr e s p o n s eo fs e n s o rs y s t e mw a su n p e r f e c t ，w eh a v ed e s i g n e d t h ep r o j e c to fd y n a m i cc o m p e n s a t i o n ，d e r i v e da l g o r i t h mo fd y n a m i cc o m p e n s a t i o na n d v e r if i e dt h ev a l i d i t yo ft h em e t h o do fc o m p e n s a t i o n a f t e ra n a l y z i n ga n d c o m p a r i n g m e t r i c a lr e s u l t s ，w eh a v ef o u n dt h eg r e a t e rt h es p e e d ，t h eg r e a t e rr e l a t i v ee r r o ro ft h ew 蹦 c o n c l u s i o n s w eh a v es u m m e du pt h ei m p a c to fc h a n g i n gt h ev e h i c l ew h e e lc e n t r eo n m e a s u r e m e n tp l a t f o r mt ow e i g h i n gr e s u l ta n dg i v e ns e v e r a lw e i g h i n gr e s u l ta c c o r d i n gt o d i f f e r e n tl o c a t i o n s w eh a v e d e s i g n e d t h e i n t e g r a l h a r d w a r ep r o j e c to ft h e d y n a m i ca x l el o a d m e a s u r e m e n ts y s t e mi n l i g h to ft h ep r o j e c t sr e q u i r e m e n t ，d e s i g n e ds i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i to ft h er e s i s t a n c es t r a i nw e i g h i n gt r a n s d u c e r ( i n c l u d i n gt h ea m p l i f y i n gc i r c u i ta n dt h e f i l t e rc i r c u i t ) ，a n dd e s i g n e dt h ea dt r a n s f o r m i n gc i r c u i tb a s e do nl t c 18 6 7a n dt h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i to f r s 2 3 2b e t w e e nt m s 3 2 0 v c 5 4 1 6a n dt h ec o m p u t e r a c c o r d i n gt oh a r d w a r ec i r c u i t ，w eh a v ed e s i g n e ds o f t w a r ep r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o n ， a l g o r i t h mp r o c e s s i n ga n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o n w eh a v et e s t e dt h eh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ep r o g r a mi nt h el a b o r a t o r ya n df o u n dh a r d w a r ec i r c u i ta n d s o f t w a r ep r o g r a mc o u l d m e e tt h eb a s i cs y s t e mr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：a u t o m o t i v ew i m ，s i n g l e - w h e e lw e i g h tm e a s u r e m e n t ，r e a l - t i m es i g n a l p r o c e s s i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d s pc i r c u i t i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：z 刀o g , 年6 月迈日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：沙g 年钥2 2 日 硕 j 论文汽下车l l i 重动态测量系统设计 1 绪论 1 1 课题背景 近年来，随着国民经济的发展，公路交通量迅速增长，大型载货车、集装箱运输 车的数量和比重逐年递增，一些运输单位和个人不顾车辆、公路承载能力及行车安全， 超载现象较为严重，使公路、桥梁遭到严重破坏【。为了抑制车辆超载给道路设施造 成损害，严格限制超载运输车辆迫在眉睫，相应的交通执法也需要可靠的车辆载荷测 量设备。同时，交通收费系统对这样的测量设备需求也会越来越广泛1 2 】1 3 j 。很多国家 都在致力推广车辆动态称重系统( w i m ) ，相关研究人员也在不断的探索降低高精度 w i m 系统成本的技术和方法。目前国外w i m 系统产品的单轴载称重平均误差从 5 0 到3 0 不等，适宜于不同的用途。最好的w i m 系统单轴载称重误差可优于 5 0 ，但成本太昂贵并且仅适用于低速场合。对轴载称重系统进行大量调查发现， 目前称重误差一般控制在1 5 至2 5 之间【4 1 【5 1 。 本文主要研究动态轴重信号的采集和处理问题，通过测量车辆轴重达到对整车动 态称重的目的。在对车辆轴重信号进行详细分析的基础上，研究出一种满足动态轴重 测量工程指标要求的信号处理算法；设计了能满足实时处理要求的硬件系统( 固件实 现相应的信号采集和处理) 和软件系统。 信号采集和处理部分是动态轴重测量系统的核心子系统，高速动态轴重测量系统 信号流程如图1 1 1 所示，其作用是快速精确地对称重传感器的输出信号进行采集和 分析处理p 儿引，计算出准确的载荷数据，并实时地将这些数据上传到计算机，以满足 人机交互界面的调用需求。 四 路 传 感 器 输 出 信 号 滤波放大等预处理电路 滤波放大等预处理电路 滤波放大等预处理电路 滤波放大等预处理电路 a d 上位机p c i lr s 一2 3 2 电路 图1 1 1 动态轴重信号的测量流程 信号处 理部分 ( 软件 算法和 d s p 硬 件) l 绪论 硕二b 论文 1 2 相关领域研究状况概述 目前公路车辆称重分为两种情况：静态称重和动态称重【7 j 。 静态称重是将车辆停置在称量台上测量，是最为精确的整车称重方法。但是这种 方法效率较低，容易造成交通堵塞。而且由于静态称重( 站) 台规模庞大、引人注目， 超载车辆往往采取绕道或提前卸货的方式躲避检查，有一项调查结果表明了这种现象 的严重性：在同一条道路上，固定( 静态) 称重站检测出的超载车辆仅为o 5 ，而 采用动态称重检测出的超载车辆为3 0 口j 。 动态称重是在非停车的运动状态下测量车辆及其载重的重量。与停车状态下的静 态称重相比，它可以节省时间、效率高，并且称重时不至于造成对正常交通的干扰。 因此车辆动态称重对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对车辆运输现代化管 理也有较大的促进作用p j 。 鉴于此，世界上经济较发达的国家都很重视公路动态称重系统的研究，1 9 5 8 年， 美国就开始了为期1 6 年的动态称重系统的研究。2 0 世纪6 0 年代末，西德的p a t 公 司开始对平板式车辆动态称重器进行研究。1 9 7 4 年，美国首次在车辆载荷研究中使 用w i m 系统；同年法国取得了一项压电缆动态车辆称重器的专利，即v i b r a c o a x 。2 0 世纪8 0 年代中期，美国各州开始推广安装w i m 系统；1 9 8 8 年英国研制了一种性能 优于v i b r a c o a x 的新型压电称重传感器v i b e t e k 5 ，1 9 9 1 年改型为v i 2 b e t e k 2 0 。1 9 9 2 年， 由欧洲高速公路系统研究实验室联盟( f e 删) 发起，按照欧盟运输委员会( e c t d ) 的程序框架进行了c o s t 3 2 3 计划。该计划主要内容就是研究对公路行驶车辆进行动 态载荷监控的相关问题，其中最重要的一项测试是在瑞士进行的为期3 0 个月的w l m 系统实际应用测试，即著名的c e t ( c o l de n v i r o n m e n tt e s t ) 测试。结果表明德国p a t 、 瑞士k i s t l e r 、美国m i k r o s 等公司的产品在测量性能方面处于领先水平。2 0 0 0 年i t s 年会上展出了一种由美国m s i 公司开发的共聚物压电轴传感器，可以同时测量车速、 车轴数、轴距并进行车型分类和动态称重【1 0 】【1 l 】【1 2 】【1 3 】。 我国，从8 0 年代开始引进和消化吸收国外的动态称重系统，同时也开始了对动 态称重系统的研究。但是，引进的称重系统大都是国外已经替换下来的产品，存在着 各种问题，如适用速度范围小，精度不高，传感器庞大，给安装和使用都带来了极大 的不便。近几年，由于我国公路的建设发展很快，研究便携式称重系统的厂家也越来 越多。 经过几十年的研究，动态称重系统虽然已经取得了一定的成果，但是汽车动态称 重在国内的研究应用时间还很短，同时，动态称重在国内外都处于比较前沿的位置， 技术还没有成熟，很多地方还需要改进。目前，由于缺乏对影响汽车动态称重的干扰 因素做系统分析，未对检测信号做深层次的处理，国内动态称重系统的研究往往要求 2 硕士论文汽车轴重动态测量系统设计 信号在经过一定时间衰减并达到稳定后才开始测量【1 4 】，以提高检测精度，这就使得这 类产品往往需要较长的承重板或受制于较低的汽车通过速度，检测精度也不高，般 的不确定度从5 到3 0 不等，相应置信度为9 0 或9 5 f l o 】。因此检测精度和汽车 通过速度的问题一直未能在实际中得到很好的解决。 在过去几十年的动态称重技术研究中，如何在保持检测精度的前提下提高车辆通 过速度一直是各研究机构所致力解决的问题，不懈的努力使动态称重技术已经取得了 很大的进展。综述国内外资料，目前动态称重方法主要有以下几种： ( 1 ) 参数估计法：该方法是把动态称重作为一个参数估计和预测问题来处理。 首先根据有关称重测力系统的先验知识，推导出一个含有未知参数的模型，然后用该 模型去拟合称重测力过程中的输出信号，从而获得最小平方误差意义上的参数估计 【1 5 】。由于被测重量可以看成是称重测量过程的终值，因此可以用模型参数进行估计和 预测。 ( 2 ) 专家系统：该方法引入知识模型构成专家系统 8 1 ，即把优秀称重测量专家 的思维过程固化到测量程序中，并与计算机修正程序结合起来，进而提高计量仪器的 测试能力和故障检测能力。 ( 3 ) 神经网络：该方法基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制核心，将 检测过程中对影响称重精度和限制车辆通过速度起主导作用的因素作为训练样本，通 过训练获得较好的网络模型，再根据该模型和网络输入数据得出称重结果，并期望提 高检测精度f1 6 j 。 ( 4 ) a d v 法、d v 法、v 法【1 2 1 【1 7 1 【1 8 】：该类方法主要是同时或单独测量车辆的 位移、速度和加速度，然后用直接方法或数值积分方法来求解称重过程的微分方程以 获得力值。由于采用积分方法故准确度较差，目前只适用于噪声很小的场合。 ( 5 ) 位移积分法：该方法是a d v 法、d v 法、v 法的一种沿袭。主要是将称 重系统的输出信号对- - d , 段位移l 沿其长度l 方向积分，l 两端通过对称重系统各传 感器的输出信号进行比较而定，动态分量在积分区间被平均，使车辆振动造成的干扰 影响减小，提高了检测精度。该方法需要大量的数据才能保证精度，如果动态称重系 统提高车辆通过速度，检测精度就无法保证【】。 1 3 本文所做的主要工作 本论文在调研、分析国内外已有w i m 系统及相关技术的基础上，从提高w i m 系统的称重精度和车辆通过速度等方面入手，进行一系列关于w i m 系统设计的基础 性研究工作。建立称重测量平台，进行模拟实验，获得大量原始数据：分析综合数据 建立动态称重模型，对模型进行动态补偿；分析被称重车辆轮胎中心通过测量台位置 的改变对称重结果的影响：结合实际工程需要，进行动态称重系统硬件电路和系统软 1 绪论 硕士论文 件程序的设计，以满足系统的实时处理的要求。 本文期望的动态轴重测量系统技术指标要求如下： 适用条件： 速度： 县；日 夏任： 性能指标： 0 v 6 0 k m h o i t l o t 承轴台面长度： 承轴台面宽度： 称重不确定度： 2 m 0 5 m 8 ( 行驶速度3 0 6 0 k m h ) 6 ( 行驶速度o - 3 0 k m h ) 各章的具体内容安排如下： 第1 章，绪论，主要介绍课题背景，动态称重技术的国内外研究现状和目前主要 的几种动态称重方法。 第2 章，分析了汽车的运动状态，指出了影响动态称重的几种关键因素；对动态 轴重测量系统进行了机械结构上的设计，包括传感器的选择和安装，承重板的选择与 设计等，搭建了模拟实验所需的单轮重测量平台。 第3 章，针对两种不同车型，进行多次模拟实验，对模拟实验得到的数据进行分 析处理，建立系统模型并对该模型进行动态补偿；分析被称重车辆轮胎中心通过测量 台位置的改变对称重结果的影响，通过模拟实验认识了位置变化的影响。 第4 章，主要介绍动态轴重测量的实时性要求，在满足工程应用的前提下，完成 了硬件选型及功能电路的设计。 第5 章，根据硬件电路和系统功能需要，设计了信号采集、算法处理和串口通信 程序。并且把硬件和软件结合起来在实验室进行了实时联调，分析调试结果。 第6 章，全文的总结和展望。 硕士论文 汽车轴重动态测量系统设计 2 动态轴重测量实验台设计 动态称重系统的基本要求有：精度高；使用安全、效率高；便于安装，可移动性 好；耐久性、可靠性好，便于维修保养；数据存储可靠，信息传递方便：总成本( 设 置费用、维修费用、测试费用) 低。良好的轴重测量台设计是满足这些要求的首要条 件。 在设计测量台之前需要了解影响汽车动态称重的关键因素，力求找出抑制这些影 响的相应措施，使测量台的设计有针对性并且合理、有效。因此下面将对称重对象的 运动状态进行简单分析，归纳得出影响称重结果的因素。 2 1 汽车运动状态分析 对行驶车辆进行动态称重与静态称重有许多不同之处。静态称重时，车辆的轮胎 平稳的作用于称重台面上，除了真实的车重外，无其他的干扰因素，测量的精度可以 达到比较高的水平。而车辆动态称重，是在车辆不停车的情况下，对车辆进行测量， 称重平台上不仅有真实车重的作用，还有很多由于车辆运动引起的干扰载荷【1 9 i 2 0 l 。 汽车的运动状况受很多因素的影响，例如：行驶速度，测量时加速度，车辆自身 谐振，地面形状，轮胎驱动力等，由此产生的干扰载荷具有很大的不确定性，导致车 辆动态称重得出的数据的不确定度通常较大。 2 1 1 运动中车辆的模型化分析 汽车在行驶过程中是一个多自由度的复杂对象，尤其在动态称重的时候，再考虑 汽车与称重测量台的相互作用，运动将更加复杂。要全面、细致地分析汽车的运动状 态，至少需要二十几个自由度【2 ， 这对大多数工程应用来说，实在过 于复杂。因此，常根据研究需要对 汽车运动模型做适当的简化。 针对w i m 应用，可以用示 意图2 1 1 来研究车辆的运动状 态和动力特性。图中，以两轴汽 车代表待称重车辆，在一个直角 坐标系x y z 中描述其运动。其中x 方向为汽车通过测量台的前进方 向。 图2 1 1 车辆运动简化模型 2 动态轴重测量实验台设计硕士论文 理想状态下汽车通过测量台的过程中只有x 方向的前进运动。但实际上还有绕工 轴的摆动，绕y 轴的俯仰，绕z 轴的旋转以及沿z 轴方向的移动( 上下振动) ，这些运 动都可能影响到w 蹦的精度【2 2 1 。 ( 1 ) 绕x 轴的摆动 在汽车的行驶过程中，车轴重量从轴的一侧向另一侧转移，就造成了绕x 轴的摆 动。引起摆动的原因主要是路面不平等，导致同一轴左右轮不在同一水平面上。不过 这种摆动的影响般比较微弱，可以通过在设计称重测量台时尽量保持台面水平来消 弱这种影响，因此可以把这种影响看成次要因素。 ( 2 ) 绕y 轴的摆动 汽车在通过动态称重测量台时，如果路面和测量台不在同一水平线上，重量就会 从前轴转移到后轴，或反之，这样将在测量台上产生垂直分力，这种运动也称为汽车 的俯仰运动。由于轮轴之间重量的转移，很有可能造成称重结果的偏差。不过这种影 响可以通过保证路面和测量台水平来消弱。 ( 3 ) 绕z 轴的旋转 绕z 轴旋转表示汽车在x o y 水平面上的运动。一般的称重传感器对水平力并不敏 感，如果测量平台的水平约束较好，这种运动对称重结果造成的影响并不大。 ( 4 ) 沿z 轴的运动 沿2 轴的运动就是上下垂直运动，因为其也像俯仰运动一样，产生的是垂直分力， 所以这种运动将会直接影响称重测量结果。 通过上述分析可以看出，在四类运动中只有垂直运动和俯仰运动是影响称重精度 的关键因素，而其中又以沿z 轴的垂直运动为最【2 3 1 ，其他运动与其较之都是次要的因 素。因而下面将讨论汽车在z 轴方向的运动，即上下方向的振动形式。 2 1 2 汽车的上下振动 在车辆的动态称重过程中，由于车辆、地面、测量台三方面的相互影响、相互作 用，使得整个称重系统的振动很复杂。引起振动的原因是多种多样的，最主要是汽车 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( 如刹车、转向、变速) 引 起的不均匀振动。除此之外，还有两种导致振动的原因影响动态称重结果。 ( 1 ) 汽车自身的谐振。可以把整个称重系统看成一个弹簧振子，其周期为： t = 2 万m k 2 4 1 , 由周期公式可以看出，谐振周期与汽车的自重、载重及弹簧刚度 有关。般车辆重量比较大，而弹簧刚度又相对较小，因此这个振动周期就比较大， 振动频率一般为2 5 7 h z 。 ( 2 ) 由车辆- n 量台耦合而产生的振动。当车辆行驶时，由于测量台和轮胎之 6 硕士论文汽车轴重动态测量系统设计 间的挤压作用，他们之间的受力并不能看成在一个点上，测量台和轮胎均会出现些许 弹性变形，这种作用在二者之间相互影响，从而产生耦合振动。这种振动影响因车辆 悬挂系统和轮胎状况不同，传递到测量台上时，其效果又不同。 2 1 3 汽车行驶速度对称重结果的影响 车辆与测量台的相互作用可以分为静态载荷和动态载荷。静态载荷是指汽车静态 时对测量台的作用力，可以看成是汽车静态称重的结果。动态载荷是汽车行驶时对测 量台的作用力。而车辆的行驶速度对动态载荷有着直接的影响。 为了说明车辆行驶速度对称重结果的影响，可以看一些参数实例。比如：当车辆 以3 6 k m h 速度行驶时，动载中超过静载0 2 倍的占所有动载的6 6 4 ，超过静载o 5 倍和1 0 倍的则分别占所有动载的o 0 0 7 和0 0 0 0 0 2 4 ；当车速增大到1 0 8 k m h 时， 上述三项的比例就明显地增加了，分别是2 2 9 、3 2 2 、0 0 1 0 7 。速度由3 6 k m h 变化到1 0 8 k m h ，速度提高2 0 0 ，而超过静载0 2 倍、0 5 倍和1 0 倍的载荷在所有 动载中所占的份额却分别提高了2 5 7 倍、4 5 9 倍、4 4 5 倍。可见速度增大，动载中数 值偏大的载荷所占的比例在急剧升高1 2 0 】。 ( 一) 匀速行驶时速度大小的影响 为了便于分析汽车匀速直线运动通过称重测量台的速度大小对称重结果的影响， 下面仍以一个两轴汽车为例。汽车经过称重测量台的振动可以理想等效为一个弹簧振 子的简谐振动，振动曲线为一个正弦波曲线，如图2 1 2 所示。 由于振动的存在，汽车在前半个周期内处于失重状态，车辆对称重台的压力小于 其自身重量，这样得到的称重结果将 偏小；后半个周期内汽车处于超重状 态，称重结果将偏大。假设称重系 统的振动周期是0 2 s ，两辆汽车车速 分别为3 0 m s 和6 0 m s ，其他参数和 性能完全一致，汽车的轴距为3 m ， 则两车通过称重台的时间分别为 l 船| | 7 r 2 万 日寻 v 间t 图2 1 2 车辆通过称重台的振动曲线 0 1 s 和o 0 5 s 。显然速度大的车辆通过称重台的时间短，其前后两轴先后通过称重台 时同时处于超重或失重状态的几率就大，这样将造成整车称重的结果偏大或偏小，而 且这个偏差无法通过对称重输出结果求算术平均来消除。相反速度小的车辆通过称重 台时间长，其前后两轴通过称重台时同时处于超重或失重的几率要相对较小，因而前 后两轴的称重偏差可以相互抵消些，称重结果的相对误差可以降低。 另外车辆行驶速度大小还会影响到一些冲击性振动的幅度，这些冲击性振动包括 由测量台平面的凹凸、油料燃烧不均匀等导致的振动。汽车速度越大，这些冲击性振 2 动态轴重测量实验台设计硕士论文 动的幅度也大。若不能采用正确的信号处理方法来消除这些振动所带来的干扰，则较 大的行驶速度将会给汽车动态称重造成较大的相对误差。 ( 二) 有加速度存在时速度大小的影响 上文讨论了车辆匀速行驶时速度大小对称重结果的影响，下面看一下汽车速度大 小发生变化即存在加速度或减速度时，对称重结果的影响。 假设一双轴汽车通过称重台时以加速度口 ( a 0 ) 行驶，其受力情况可以用图2 1 3 模型来分 析，前轴是驱动轴。汽车没有加速度时，其前、后 轮轴称重结果分别是彬和，汽车总重：彬+ ；有加速度时，其前、后轮轴称重结果分别是 和。 t 厂、? 乞厂 )l”， 1 田l 7 r a，。可7 7 ，7 眵7 ， 图2 1 3 车辆加速时受力情况 当汽车加速前进时，其前轴( 驱动) 上有一个力f ，且一般来说f 是时间珀勺函 数，即f = f ( t ) 。设前轴称重时驱动力为只，后轴称重时驱动力为e 。假设汽车重 心到前后轮轴的距离分别为oz ：，汽车前后轴距为，轮轴距地面高度为h 。匀速 行驶时，汽车对前、后轮胎着地点a 、b 两点转轴的力矩应为o ，而有加速度时 前轴称重时对b 点力矩：既+ f h = 彬t ， 后轴称重时对a 点力矩：所一只向= 巩f 由以上两式可得：彬。= ，+ f , h ) l ，职i - 彻f , h ) l 汽车总称重结果为：矽= 彬+ 巩= ( 胛，+ 聊，+ f h f , h ) t 形+ 巩 由此可以看出，汽车在经过称重测量台时若有加速度，则其称重测量结果一般不 再等于没有加速度时的结果，即产生了误差 2 4 1 。至于结果是变大还是变小了，则要根 据驱动轴的位置及驱动力的变化情况来判定。若前轴驱动且驱动力不断变大，即 丘 互，则称重测量结果将偏小；反之称重测量结果将偏大。因此，汽车经过称重 测量台时应尽量保持恒速，避免加速度。 通过以上分析可知，汽车的运动状态比较复杂，影响动态称重结果的因素较多。 实验中要想得到比较准确的称重结果，应该尽量满足以下三个条件：一、地面和称重 测量台基本处于水平状态：二、道路表面平整，即平整度较好；三、汽车行驶平稳。 这样才能保证静态载荷信号客观、真实地反映出来。 2 2 动态轴重测量实验系统总体设计 根据动态轴重测量指标要求，拟采用轮重测量台阵列分布形式分别测量两侧轮重 ( 如图2 2 1 所示) 的汽车轴重动态测量系统方案。在称重过程中，首先获得车辆的 轮重，然后通过数据处理获得轴重，进而得到车辆的整车载荷。这样的轮重测量台可 以保证汽车行驶在路面的任何位置都有信号输出，可以做到在高速行驶中动态检测车 8 硕士论文汽车轴重动态测量系统设计 辆载荷；另外，采取这种排列方式，单个轮重测量台的重量较轻，便于出现问题时的 检测、拆卸与安装。虽然本系统所需传感器数目较多，但可以考虑使用通用型的称重 传感器，系统的整体造价预计不会过高。 1 承重板2 传感器3 汽车轴4 路面 图2 2 1 轮重测量台阵列分布式结构 模拟动态称重系统的总体框图如图2 2 2 所示，单个轮重测量台由承重板( 包括 限位螺栓) 、称重传感器、电桥盒和v x i 数据采集和显示单元构成。当车辆经过承 重板，传感器把压力载荷信号转换成模拟 电压信号，通过电桥整流、放大和滤波送 到v x i 数据采集通道的输入端，将转换后 的数字量作为采样值进行处理，最后将处 理结果送入计算机存储或等待进一步处 理。 2 3 承重板的设计 图2 2 2 动态称重模拟实验系统 为了保证车轮从任意角度、任意位置辗过时的平稳性，轮重测量台阵列中的单轮 重测量台采用四足支撑，故承重板由一定厚度的钢板制成。然后由四个传感器在四角 处支撑整个称重系统，传感器下端是基础装置。根据设计要求，单轮重测量台的高度 要尽可能的低，同时其质量也要尽可能的轻。因此需要正确选择承重板的材料和尺寸。 2 3 1 承重板材料的选择 单轮重测量台的重量很大程度上取决于承重板材料和尺寸的选取，就材料的选取 来说由于实验过程中承重板是作为传感器的载荷分配元件，要求具有良好的刚度和足 够的强度和稳定性，具体有以下几个方面的要求1 2 5 】： g 2 动态轴重测量实验台设计 硕士论文 ( 1 ) 强度极限要高； ( 2 ) 有良好的机械加工和热处理性能： ( 3 ) 线性膨胀系数要小并且要稳定； ( 4 ) 具有良好的抗腐蚀性和绝缘性。 国内一般载荷分配元件常使用合金钢，也有使用铜合金、铝合金和碳钢的。其中 3 5 c r m n s i ，4 0 c r 是常用材料，6 0 s i z m n a 和5 0 c r v a 由于具有良好的机械性能，可用 于制作承受交变载荷的重要元件。根据课题要求，最大测量轴重1 0 t ，还要考虑过载 问题，因此应该选用强度较高的材料，6 0 s i z m n a 是较为合适的材料。 2 3 2 承重板尺寸设计 首先规定板的方向，板的长度方向是指与车速相垂直的方向，宽度方向则是与 车速方向一致的方向。 长度方向：一般而言，一个车轮轮宽大约为2 5 0 m m ，由于有些车辆是两个轮胎 并排在一起，轮胎间间隙一般为4 0 m m ，同时轮胎压上板后，板的左右应留有一定的 裕度，基本上左右各留1 0 m m ，这样长度方向至少应等于2 5 0 2 + 4 0 + 1 0 2 = 5 6 0 m m 。 宽度方向：板的宽度需根据采样理论，对采样间隔时间以及采样所需的最小采 样数分析后，才能确定出宽度的最小值。在传统的w m 系统设计时，承重板的宽度 方向尺寸约为9 5 0 0 m m 左右，才能保证一定的精度。由于本课题采用的是高速数据采 集系统，只要保证车轮瞬时能完全压在轮重测量台上，载荷信号曲线上出现一个“平 台”即可，根据不同的轮胎型号，按照最大轮胎尺寸取法，板的宽度设计值为4 7 0 m m 时就基本能满足称重要求。 根据承重板承受1 0 吨的压力 计算，超载系数设为5 0 ，按四 角点简支受均匀载荷作用时计 算，按照强度要求，根据经验公 式和机械零件手册，以及实验室 实际能提供的钢板，选择了承重 板厚度为3 0 m m 。 单个承重板的设计如图2 3 1 所示，四角设计的圆孔为安装传 感器保留，将在传感器选择与安 装中详细说明。 击2 5 。 厂 华 匣 0 司陌 - 5 五眩 二二二二二j 生卫。 图2 3 1 单个承重板设计简图 硕： ：论文汽车轴重动态测量系统致计 2 4 传感器的选择与安装 称重传感器作为车辆动态称重系统的首要环节，对其在灵敏度、可靠性和精确性 等方面有严格的要求，再加上实际应用中各种干扰因素的影响，使得其成为动态称重 系统中最难以设计和控制的一环。在车辆的动态称重技术中，传感器的选择与设计尤 其重要，如果没有传感器对原始信号进行准确可靠的捕获与检测，那么一切精确的测 试与控制将无从谈起。 2 4 1 传感器的选择 动态称重系统中传感器是前端感测元件，传感器对载荷信号有着直接的影响，因 此必须选择合适的称重传感器。传感器的选择主要从其量程、不确定度和形式等方面 考虑。 本文设计的动态轴重测量台是阵列分布形式轮重测量台，要求多个传感器联用， 因此，传感器量程的选择必须考虑以下因素： ( 1 ) 被称重车辆的最大重量； ( 2 ) 轮重测量台装置的自重； ( 3 ) 传感器设置的数量； ( 4 ) 正常操作下可能产生的最大超载： ( 5 ) 动态称重状态下的冲击载荷； ( 6 ) 其他附近的干扰力等。 考虑以上因素，本文设计的动态称重系统，选用传感器工作在额定负荷5 5 - - 一 6 0 左右，这样既留有保险余量，又能确保其使用精确。 目前，称重传感器测量静载时普通级不确定度为千分之五，中级不确定度为干分 之二至万分之五，高级不确定度为万分之三至万分之一【2 6 】。 不确定度越低，称重结果将会越理想，但是另外一方面，不确定度越低，成本也 会增加。考虑到性价比，再结合本系统是动态称重系统，系统的不确定度并不是主要 取决于传感器的不确定度，因此，选择普通级不确定度的称重传感器即可满足设计要 求。 常用的力传感器有：电阻应变式、电容式、电感式、压电式等。电阻应变式传感 器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；动态性能通常优于电容式、电感式；与压 电式相比，则有低频特性方面的优势。因此，电阻应变式称重传感器在工业生产过程 检测与控制、自动称量等领域已大量使用【2 7 】。 本系统在传感器选型时选用的是电阻应变式b l r 1 5 t 型拉压力称重传感器，它 采用应变筒作为双向测力敏感元件，具有结构简单、测量可靠、有一定的抗冲击振动 2 动卷轧 i 临女畦w 稳定性、具有优良的静态性能和窿好的动志特性。 陵传感器的主要性能指标为 ( 1 ) 分辨能力为额定载荷的0 1 ： ( 2 ) 非线性，滞后及重复性曝差均小于额定载荷输出的o5 ： ( 3 ) 使用环境温度为( 一1 0 + 5 0 ) ： ( 4 ) 温度对零点影响，00 4 c ， ( 5 ) 电桥初始不平衡在2 0 * 0 时不大于额定载荷输出的2 5 ( 6 ) 允许过载能力为额定载荷的1 2 0 ： ( 7 ) 输出阻抗1 2 0 n 最大供桥电压为6 v 。 2 4 2 传感器的安装 单个轮重测量台四角处均装配了测力传感器。四只厂家相同和性能相近的b l r 1 型拉压力传感器分别安装在承重板的四角，安装位置为a 1 ，a 2 ，b 1 ，b 2 。装配孔的 直径尺寸为2 5 r a m ，固定承重板和传感器的螺栓长度为6 0 t m n 螺纹尺寸为 m 2 4 15 。4 ，为了不让螺栓头高于承重板 工了4 5 x 4 5 m m 的凹槽。 在测量中引起误差，分别围绕装配孔加 由于支撑点超过三个的轮重测量台属十静不定 系统，测量台的四足之一可能会处于时而悬空、时 而与支撑面接触的持续撞击状态，相应的支撑力测 量将会很不准确。为了避免发生这种状态，在本系 统中我们用调节螺栓米调节支撑足的高度，保证四 足均与支撑面可靠接触。调节螺栓的长度为8 0 r a m ， 螺纹尺寸为m 2 4 x 15 。 具体装配情况可参考囤2 3l ，装配后的单个轮 重测量平台如图2 41 所示。 装配好的轮重测量台放置在水泥浇筑的坑槽 里，并且对四周空隙进行了填充，目的是为了保证 测量台不会因为受压而晃动，在槽的侧面凿了一个 小孔，四个传感器的1 6 根信号线从中日i 出，如图 242 所示。 四个传感器的信号线分别引进匹c 个电桥盒，然 后送入v x i 应变仪，如图243 所示，每个传感器 的载荷信号同叫进入四路数据采集电路，在数采界 面上可以控制通道显示。放大倍数、怄递滤波器的 243v x l 应变搜及电桥盒 硕士论文汽车轴重动态测量系统设计 截止频率、触发电平、采样点数、采样间隔、量程等均可以在数采界面上改变。 2 5 传感器的静态标定 由于轮重测量台所选用的四个传感器的灵敏度数据相对出厂值已经有所改变，并 考虑到所配用的电桥桥源电压及放大器增益的实际值与标称值之间也存在一定的偏 差，故在实验前对四个测量通道进行了全系统静态标定，静态标定的目的是确定输出 电压与静态载荷的关系，以确定系统的实际灵敏度。四个测量通道的实验配置如表 2 5 1 所示。 表2 5 1 轮重测量平台及测量通道的实验配置 测量通传感器型传感器 应变仪通道及参数设置 数字化仪通道及参数设 道序号号、编号安装位置置 b l r 1 5 td m 2 0 0 2 1 9 3 、c h l 通道d m 3 0 0 1 a 2 4 0 1 0 0 2 、c h l la 1 型( 7 6 5 3 2 ) 桥压d c 5 v ；增益1 0 0 0 通道：d c 耦合：量程5 v b l r 1 5 td m 2 0 0 2 1 9 3 、c h 2 通道 d m 3 0 0 1 a 2 4 0 1 0 0 2 、c h 2 2a 2 型( 7 5 5 0 3 0 )桥压d c 5 v ；增益1 0 0 0通道：d c 耦合；量程5 v b l r 1 5 t d m 2 0 0 2 1 9 2 、c h l 通道 d m 3 0 0 l a 2 4 0 1 0 0 2 、c h 3 3b 1 型( 7 9 8 0 2 )桥压d c 5 v ：增益1 0 0 0通道：d c 耦合；量程+ 5 v b l r 。1 5 t d m 2 0 0 2 1 9 2 、c h 2 通道 d m 3 0 0 1 a 2 4 m 1 0 0 2 、c h 4 4b 2 型( 7 9 6 2 4 )桥压d c 5 v ；增益1 0 0 0通道；d c 耦合：量程+ 5 v 标定是通过一个g = 6 7 k g x9 8 m s 2 = 6 5 6 6 n 的静载施压简化进行：对四个测量通 道，分别记录传感器承受g 载荷前、后的输出电压平均值，和，每个测量通道的 灵敏度均可用下式求出： 尼：v g i 一v o i( 2 5 1 ) g 静态标定实验的具体步骤： ( 1 ) 连接好传感器和电桥盒； ( 2 ) 设置应变仪参数如表2 5 1 所示： ( 3 ) 调节四个通道无载荷时输出为零，使用数采界面的调零按钮调零( 微调) ， 如果无法调零，可以调节电桥盒( 机械调零) 来尽量达到调零目的； ( 4 ) 选择数字化仪的通道，设置参数； ( 5 ) 分别对四个传感器施加静态载荷。 四个通道的静态标定数据及求得的通道灵敏度如表2 5 2 所示。 2 动态轴重测量实验台设计 硕二l 论文 表2 5 2各实验测量通道的静态标定数据及其灵敏度 测量通加载加载前输出电压加载后输出电压通道灵敏度 通道平均灵敏 道序号i 轮次_ ， 平均值，)平均值，( v )码( v k n )度k i ( v k n ) 10 2 7 1 20 0 7 8 80 2 9 3 12- 0 2 5 0 00 0 5 3 40 2 9 90 2 9 2 30 2 7 0 1 0 0 8 4 3 0 2 8 3 40 2 0 0 90 0 2 0 8- 0 2 7 4 250 2 6 6 10 1 0 5 2- 0 2 4 50 2 5 9 6 0 2 5 3 8 0 0 8 5 3- 0 2 5 7 70 1 8 l o0 0 0 5 5 0 2 8 4 380 2 3 9 10 0 4 1 20 3 0 1 0 2 9 6 90 2 1 8 00 0 1 8 40 3 0 4 1 00 6 9 2 01 0 0 0 60 4 7 0 41 10 7 0 3 61 0 1 4 20 4 7 30 4 7 3 1 20 6 8 5 70 9 9 8 20 4 7 6 备注：静态标定加载g = 6 5 6 6 n 2 6 本章小结 本章详细分析了称重对象的运动状态，指出了影响汽车动态称重的关键因素，并 给出了相应的消弱这些影响的措施，对模拟实验系统的搭建有明确的指导作用；给出 了动态轴重测量台的总体结构设计方案，采用的是轮重测量台阵列分布形式，称重过 程中先分别测量两侧轮重，再得出汽车的轴重，最后根据轴重求出整车重量。通过分 析计算，确定了单轮重测量