（车辆工程专业论文）汽车动态称重的研究.pdf

摘要本文对汽车动态称重国内外资料进行了广泛的收集和研究，介绍了汽车动态称重的发展历程，详细分析了研究和发展汽车动态称重的意义，展望了动态称重技术的发展前景。文中分析了汽车速度对动态称重的影响，依据动态称重的要求，明确了应采集的输入信号和对输入信号采集过程的控制方式，阐明了系统的具体结构和工作原理。搭建了系统的硬件平台。建立了汽车动态称重的软件系统，实现了信号采集过程的控制，信号的采集，数据的处理，结果的显示等功能。通过汽车动态称重实验以及对实验数据的处理，用非线性回归的方法建立了汽车动态称重方程。又通过实验对汽车动态称重方程进行了验证。关键词：汽车动态称重( w i m ) 数据采集称重传感器a b s t r a c tb a s e do nc o l l e c t i n ga n dr e s e a r c h i n gd o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a li n f o r m a t i o nb r o a d ly ，t h ed e v e l o p m e n to fw e i g h - i n m o t i o n ( b r i m ) s y s t e ma n ds t u d yl e v e la tp r e s e n ta r ei n t r o d u c e d ，t h es i g n i f i c a t i o no ft h er e s e a r c he f f o r ta n dd e v e l o p m e n tw o r ko fw i mi sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h el o n gt e r mp o t e n t i a lo f w i mi se x p e c t e di nt h i sp a p e r t h ep a p e ra n a l y z e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r st 0w i m , s u c ha sv e h i c l es p e e d ，m a ds u r f a c ea n dt h eh e i g h to fw e i g hp l a t f o r m ，a n di n t h i sp a p e ri tm a i n l yf o c u s e so nv e h i c l es p e e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i cr e q u i r eo fw i ms y s t e m ，t h ei n p u ts i g n a lt h a ts h o u l db ec o l l e c t e da n dt h ec o n t r o lm e t h o d so f t h ei n p u ts i g n a l ，t h ew o r kp r i n c i p l e so f t h es y s t e mw a se x p a t i a t e da tt h es a m et i m e b a s e do nc o n s t r u c t i o np r i n c i p l eo fs y s t e m ，w ec o n s t r u c t e dh a r d w a r ep l a t f o r mf o rf u r t h e rr e s e a r c h ，w h i c hp r o v i d e st h ee x p e r i m e n td e v i c e s 。as o f t w a r ef o rw i mt h a tb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n ti sp r e s e n t e d ，w h i c hp r o v i d e so p e r a t ei n t e r f a c ef o ru s e rt oc o n t r o ld a t aa c q u i s i t i o nc o n v e n i e n t l ya n de f f e c t i v e l y , t h es i g n a li n c l u d e sv e h i c l es p e e di nd i g i t a ls i g n a la n dv e h i c l ew e i g h ti na n a l o gs i g n a l s m o r e o v e r , t h es o f t w a r ec a r lp r o c e s st h ea c q u i r e dd a t a , f i l t e r i n go u tt h eu s e f u l d a t at oc a l c u l a t ea n dd i s p l a yt h er e s u l t s al a r g en u m b e ro f d a t ai sa c q u i r e dt h r o u g hm a n yt i m e sw e i g h li nm o t i o ne x p e r i m e n t s ，a n dt h er u l ea tl o ws p e e da s0t u l 2 k m mi sa c h i e v e da f t e rp r o c e s s i n gt h ed a t a ；t h ew i me q u a t i o nw a se s t a b l i s h e dw i t ht h ew a yo f n o n l i n e a rr e g r e s s i o n ，w h i c hi sv a l i d a t e dr e a s o n a b l eb yl a t et e s t t h ea c h f e v e m e n td u d n gt h ec o u r s eo f r e s e a r c h ，t h ep r o b l e m sn e e dt ol o o kf o r w a r da n da d v i c e sf o rt h ef u r t h e rm o r er e s e a r c hi sa l s op r e s e n t e da tt h ee n do f t h ep a p e r k e y w o r d s ：w e i g h - i n - m o t i o nd a t ea c q u i s i t i o n , w e i g hs e n s o r独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名酶移时间：矽眵年，月乃日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：疆新考时间：砂多年3 月乃日翩躲磐象，一时间：& 一j ，年夕月哆日中圆农业大学碗上论史第一章绪论1 1 研究意义和目的1 1 1 课题意义第一章绪论公路系统是由“车、路、运”三个因素构成的，而车、运与路的发展是相互依存、相互制约的，它们之间只有协调发展才能取得最佳的社会、经济效益。但是，多年来，货物运输类车辆的“超限”、“超载”，作为道路交通的儿大“公害”之一，久治不绝，几近“顽疾”。咀内蒙古自治区为例，全区共有各种货运车辆2 0 余万辆，其中8 0 进行超载运输，7 0 左右属超限运输。特别是运煤车辆接近1 0 0 的既超载又超限。超限是对公路和公路桥涵而言，是指运输车辆装载货物后，其长、宽、高，车货总重，轴载质量超过了公路和公路桥涌设计时的最大允许值。超载是对于车辆而言，是指汽车运载货物时运载质量超过了汽车出厂合格证核定的最大载质量。超限包含了大部分的超载情况。可以说超限运输这一“顽疾”很大程度上阻碍了现代公路交通的发展：第一，车辆超限运输会对公路和公路桥涵造成严重的损坏，急剧缩短公路的使用寿命。1 9 5 0年，美国学者、各州公路工作者协会经试验研究提出了反映汽车轴载质量与公路路面之间关系的著名的四次方法则，就是当车辆的轴荷增大至原来的2 倍，公路路面的损坏将增大到原来的1 6倍左右，公路的寿命将减少三分之二。根据东南大学超限( 载) 运输对公路使用性能影响的研究课题“的研究，国内很多沥青路实际服务年限只有设计服务年限的4 5 0 4 - 2 2 9 0 6 ，平均为5 7 4 5 ；水泥路实际服务年限只有设计服务年限的1 3 7 8 - 2 9 8 2 9 ，平均为2 9 3 6 。也就是说，在超限运输条件f ，设计年限为1 0 - , - 1 5 年的沥青路，只能正常连续使用1 3 年就将严重损坏；而对设计年限为2 0 3 0 年的水泥路则经过l 9 年的超负荷使用后到达设计末的状态，严熏影响车辆快速安全行驶，需要彻底翻修。以内蒙古自治区乌盟公路路网为例，从2 0 0 0 年到现在，一直处在“先建后损，屡修屡坏这、f 幅正修，那半幅义损”的困境中。截止2 0 0 2 年底，鸟盟境内干线公路1 1 3 8 k m ，由于“两超”运输的肆意碾轧，导致公路路面2 7 受损。其中，国道路面受损率为3 4 ，省道为2 0 。就11 0 国道而言，桥梁被损竟高达5 7 。不断的翻修，不仅仅需要投入巨额的维修费用，而且翻修的过程也影响了公路的正常运行，阻碍了货物的正常流通，造成了额外的经济损失。在云南省，根据云南省公路部门调查，超载车辆运输严重破坏路面。缩短公路使用寿命，在省内公路上造成了近百座危桥，使公路部门损失达上亿元。一条设计使用年限为1 5 年的二三级公路路面，在超载车辆碾压下，往往两三年内就损坏严重。据剑川县剑兰公路一个超限运输检测站的观察，来往于兰坪至剑川间运煤、运矿石的车辆超载率在8 0 以上，有的甚至超过标准载重吨位的1 0 0 。超载车辆由下其轴载质量和自身重量的增加，势必增加发动机的负荷而产生更加严重的噪声，振动，空气污染等环境问题。中国农业大学硕士论文第一章绪论i i第二，超限运输是很多交通事故的起因。超限车辆由于处在过高的负荷下运作，很容易出现轮胎放炮、主轴断裂、刹车失灵、车辆重心偏高造成的前重后轻等问题。例如，在遇到紧急情况时，超限车辆的操纵性能将远远低于正常运输的车辆，超载状况下的刹车距离在正常运输车辆的刹午距离儿倍以上。以太旧高速公路为例，从1 9 9 9 年2 0 0 1 年的事故统计来看，有9 0 以上的交通事故是货车引起的其中由于超限车辆引起的交通事故就占了8 0 。第三，超限运输严重扰乱了运输市场经济秩序，破坏了市场诚信，导致货车生产、改装的无序竞争、“大吨小标”现象严重、国家税费的大量流失，环境污染。第四，污染环境。汽车对环境影响因素有三：噪声、振动和废气。汽车一般随重量的增加而加大驱动功率，因而噪声也可能随之增大。据日本测试，一辆人型载货汽车的噪声是1 0 辆小客车的噪声之和。而目前主要超限的主要就是大型货车，过度的超限行为，使发动机驱动负荷过大，噪音更强。提高汽车的重景会直接造成对环境的振动影响。这种振动影响除取决于汽车的重量外，还与汽车的轴数、轮胎内压和悬挂结构有着密切的关系。如果增重车辆采用减振性能好的空气悬挂，可以减轻因重量增加而造成的环境的振动影响。当然，提高路面的质量。使路面保持较高的平整度也可以减轻对环境的振动影响。但是超限车辆超越了规定条件下车辆悬挂系统的减振能力，将对环境造成很大振动影响，而且随着时间的推移，悬挂系统将在超负荷的条件下加速老化，减振作用变弱，汽车对环境的振动将更大。另外，超限车辆对路面平整度的不断破坏，汽车和路面将陷入恶性循环，路面破坏越来越严重，汽车造成更大的对环境的振动影响。综上所述，治理超限运输势在必行。在本文中，我们主要的研究的是如何判定汽车超限中的超载问题。1 1 2 研究的原因要治理超载，就必须有对车辆是否超载进行判断，也就是说必须进行超载测量。但是如何实现快速科学地衡量车辆是否超载运输一直是治理超载运输中遇到的关键问题。长期以来路政管理部门对超载运输进行管理时，由于车辆轴载质量分配的技术参数无法获得，只能从运单及行驶证上查取货物重量和车辆自重、载重，而不能确定汽车的真实载重，不能确定是否超载：利用估算、丈量的办法，其误差较大，缺乏执法的科学性，使超载运输管理受到很大的影响。而通过检测运输车辆的真实轴重来确定汽车是否超载，却是最直接、最有效、最具说服力的方法。在本文中，汽车的真实轴重是通过轮重来判定的，通过轮重我们可以知道汽车的总重量和轴的负荷，而且国标中判定汽车在重量方面是否超载是由两个方面来确定的：汽车总重景是否超重，和汽车轴重是否超重。目前，测量车重可以分为两类：静态称重和动态称重。静态称重就是停车状态下的汽车称重，准确度高，目前常用的就是汽车地磅，它是对整个汽车的重量进行测量。而车辆动态称重，是指在不停车运动状态下的称重，是测量汽车的轮重来确定轴重和整车重。2中国农业大学硕士论文第一覃绪论具体的说，动态称重是指在车辆不停车的情况下，通过传感器和仪表，测量车辆的动态轮重，并计算车辆总重，轴重，并处理，显示和存储这些信息”1 。在动态称重出现之前，车辆称重都是在静止时进行的，这种以整车方式来称量的方法，也是晟精确的。但是静态称重一般只是计量雅车的重量而难以确定轴重，同时静态称重的仪器规模大，安装方式复杂，需要设置专用的场地作为称重站。但是称重站引人注目，超载车辆往往绕道而行避开检查。在澳大利，经过统计表明，静态的称重站测出的超载车辆仅为o 5 ，而用动态称重装置测出的超载车辆则有3 0 ，差别十分明显。这表明，静态称重虽然精度高，但是，检测超载车辆的效率低。总之动态称重与停车状态下的静态称重相比，其主要特点是不停车，节省时间、效率高、隐蔽性好，不易被司机察觉，能更好的打击不合法的超限运输，起到监督控制作用。所以动态称重是现代交通中超限运输测量的主要手段和发展方向。1 2 汽车动态称重1 2 1 动态汽车称重系统动态汽车称重系统可分为固定式和半固定式、便携式三种。固定式称重用于公路上，传感器埋入地下，采用轴计量方式。半固定式的数据处理和结果显示部分可移动。便携式称重由工作人员携带，采用轮计量，由两块称重台和一个仪表组成。不管是哪一种形式，汽车动态称重系统一般由“传感器平台”、“数据采集处理”两部分组成。常用的动态称重传感器有压电式、电容式、光纤式、电阻应变片式中的剪切梁式、轮辐式、弯板式。表1 1 是对这些传感器在动态汽午称重中的虑用比较。表卜1常用汽车动态称t 传撼器比较传感器名称特点存在的问题压电式移f精度高，动态数学模型的建立港对容易，平台离地地面低( 耄蓟要求配套设备多，实现成本较高电容式精度较高平台离地地面较低成本较高精度高，平台离地地面低，实现简单，光纤式技术还不够成熟是发展的方向剪切梁式技术成熟，成本低精度低，平台离地地面高轮辐式技术成熟，平台离地地面低线切割的成本太高技术不成熟，目前。应用于便挽式动态成本较高数学模型的建立很难，精度不高，弯板式称重系统，离低地面很低。汽车通行速度比较慢。从中可以看出，好的性能一般是以高成本为代价的，动态称重的技术还不够成熟，发展的空间还很大。我们可以以牺牲一定的精度为切入点，来开发一套具有自主知识产权的可移动式动态称重系统，在保证或者进一步提高车行速度的前提下，来降低系统的价格，以获取一个较好的性价比，以便推广应用。可移动式动态系统的传感器平台要求尺寸小、重量轻、离地高度低、便于安装、承载强度高。在传感器的选择上，我们可采用最成熟的电阻应变片式传感器。为了测量真实的车重，就需要数中国农业大学硕士论文第一章绪论据采集系统尽量屏蔽外界随机不确定的干扰力。数据采集硬件要求较高的采集速度，与汽车的通行速度有关：数据处理上，必须建立一个良好可靠的数学模型。1 2 2 汽车动态称重的作用汽车动态称重因为其测量方式的优越性，如果能随着现代交通的不断发展，不断得到应用，将发挥出其重要的作用。( 1 ) 控制超载运输，规范道路货运道路规范不仅是运输安全性、公路使用周期的重要保证，而且能够调整货运价格，促使运输行业的公平竞争。目前超载运输已是我国公路运输中存在的普遍现象，两轴车特别是运煤炭，矿石等的车辆，超载率高达5 0 。汽车特别是货车超载是引起公路非正常损坏的重要原冈：其次，超重运输是很多交通事故的直接或间接原因，是安全运输的很大挑战；另外，超载运输是不正当竞争，运输价格低迷的重要原因。治理超限运输工作已成为了一项长期而艰巨的任务。而检测车辆是否超重，汽车称重系统检测出的数据是唯一的、最有力的证据! 随着反超限工作力度不断加大，超限运输检测仪已成为交通路政部门必备的仪器，动态称重因为在称重的时候不影响车流的通行，而且隐蔽性好，不宣被司机察觉等原因，能更好的治理超载的问题，所以有了广阔的市场。江苏省在2 0 0 3 年初开始试点的计重收费，历时半年取得了明显的效果，可总结为：恶意超限，明显下降；货运价格，已呈升势；“大吨小标”，逐步减少。( 2 ) 获取道路桥梁设计参数汽车轮、轴的负载对公路结构的重复性压力及其造成的变形，是道路破裂或道路车辙的主要原因。如不加强管理，势必造成公路路面的损坏，缩短公路的使用寿命，需要投入大量的资金进行补强、维修。公路的建设主要包括路表和路的工程结构，路表每隔5 年或l o 年更新一次，而路的工程结构通常要很多年( 5 0 年，1 0 0 年或者更多) ，建设使用周期长，资金投入大，所以必须有很好的设计“；另外，交通业的迅猛发展导致的公路负载在数量和重量上的快速增长，还有其他不可预料的情况都要求在公路的建设和运行中有数据的积累，从原有的公路建设中汲取经验，这些都要求对车辆负载这一与公路寿命关系巨大的参数进行统计。汽车动态称重恰恰能够较好的获得这些数据。总之，公路桥梁具有的建设费用高，建设周期长的特点，非常需要科学的汽车轴负载等数据作为参考。( 3 ) 国家货物流通的数据，掌握国家的经济活动货物的运输重量和方向往往是国家各行业活动的表现。道路运输反映了国家经济生活的各个方面。对经济进行研究的学者以往为了组织调查这些数据，往往花费了巨大的精力和支出。这些数据包括：交通流、“起点一终点”、负载( 类型和数量) 、运输速度、运输车辆的分类等等。而动态称重系统正好能够提供这些数据。动态称重系统安装以后可以在几十年内一直获得数据，花费相对较低：而且从动态称重系统工作站获得的数据可以对交通流有着更好的分析，因为它的数据是自动获得的，有着很大的随机性，有着更完整的组合获得的信息将更加可靠。41 3 国内外研究现状1 3 1 国外汽车动态称重研究现状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m o t i o n ) 简称w i m ，几个主要的国家有：美国，英国，德国，法国表卜2 动态称重的发晨情况动态称重系统( w e i g h i n南非等。如表i - 2时间国家动态称重的研究发展及其突破1 9 5 8美国开始了为期1 6 年的w i m 系统的研究1 9 6 8南非获取了第一个电容式w i m 传感器的专利1 9 6 8西德p a t 公司开始了平板式动态车辆称重器的研究1 9 7 4美国首次在车辆载荷研究中使用了w i m 系统1 9 7 4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美国的s t r e e t r e ，英国的g o d e nr i v e r 公司在南非专利的基础上采用了先进的1 9 8 2美国和英国电子技术，使性能大大提高。1 9 8 3法国y i b r a c o a x ，动态称重系统首次在法国投入使用压电材料用作动态称重的研究在美国开始。这一年9 月，美国联邦公路管理总1 9 8 3美国署提议开始研究“低成本动态车辆称重系统”。1 9 8 4美国、3 6 个州均安装7w i n 系统1 9 8 5美国“低成本动态称董系统”存现场投入运行并交美国联邦公路部署推广使用1 9 8 8英国研究了一种性能优于y i h r a c o a x 的新型称重压电传感器v e b e t e k 5p a t 的平板式传感器性能较理想。同时展示数种低成本的动态称重系统他们1 9 9 0西德主要基于压电缆，压电膜和电容传感技术在安装条件很好的情况下，能使统计平均误差控制在1 5 左右。1 9 9 1英国y e b e t e k 5 已经改型为y i b e t e k 2 0在中国举行的“国际变逋目动化技术会议”上，展不j 采用半敬式传感器的1 9 9 4德国s 姗l o o 动态称重系统及在自动收费站的应用。动态称重系统的用途各异，目前国外的产品的单轴载称重平均误差从5 0 n3 0 不等，各种性能的动态称量系统在世界各地区使用，价格差异也很大，得到的精度基本与价格成正比。由于便携式的动态称重系统移动方便，适合检查人员检查超载车辆的工作，各国都相继开发了一些便携式的动态称重设备。德国的一家公司开发了一种叫做h a e n n iw l l l 0 动态称重仪，整个系统由两块称重板w l l l 0 ，四个橡胶垫，和一套数据处理系统组成，整个系统的重量小丁1 0 0公斤，安装方便，还具有储存，键盘输入，打印等功能。1 3 2 国内汽车动态称重研究现状在我国，从八十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的已经被替换f 来的产晶，存在着各种问题，比如中国农业大学硕上论文第一章绪论适用速度范围小，精度不高，以及传感器庞大，给安装和使用都带来了极大的不便。近儿年，由于我国公路建设的发展很快，研究便携式称重系统的厂家也越来越多。深圳的一家公司研制了名为l z 一0 8 便携式汽车轮重仪的系统，测量时，汽车需要低速平稳通过称重板。该系统与德国的w l l l 0 动态称重仪不同的是，没有起引桥作用的橡胶垫，这样势必会影响动态测量时的精度，另外，l z 0 8 的两块称重板与数据处理系统之间采用了无线传输方式，使携带更加方便。1 3 3 汽车动态称重的发展趋势综上所述，经过了几十年的研究，现在的动态称重系统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，已有的动态汽车称重系统主要是从国外引进的技术，做的二次开发，缺乏核心技术。同时，动态称重在国内外都处于比较前沿的位置，技术都还没有成熟，特别是测量的精度，汽车的通行速度，系统结构三方面都需要很大的改进。测量精度。动态称重精确度低，土要是因为加在传感器平台上的力除了汽车的真实重量之外，还有由许多因素引起的干扰力，如车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动力等，汽车的真实重量淹没在了各种干扰中，如何从外界随机不确定的干扰力中获取真实的车重，是动态称重技术的难点和关键。国内研制出的固定式动态称重系统的轴重误差通常为( 5 1 0 ) 。德国和美国的水平较高。如德国p a t 公司生产的动态称重系统的动态精度为3 。但是在有些场合下还是不能满足需要。降低造价，提高精确度是动态称萤技术的迫切需要。汽车的通行速度。现在的动态称重系统一般安装在收费口，汽车速度比较低，每小时5 1 0 k i n 。但是随着不停车收费系统的普及，就要求在更高的汽车通行速度下准确测量。目前现有应用的动态称重系统就不能符合要求。为了满足未来交通的需要，美国纽约州立大学的研究人员已经研制出了在汽车时速高达8 8 k m ，路面应力达1 0 k g c m 2 的情况下，其测量精度可保持在2 以内的动态称重系统，但是造价过高，目前还不能推广使用。所以国内的科研人员也可以在引进的技术中加以突破或者研制出具有自我知识产权的系统，在一定的精度保证下，降低价格，不断提高汽车的通行速度。动态称重系统的结构。现有应用的动态称重系统，一般是固定安装，建设时间较长，造价比较高，影响公路的正常运行。这就需要不断的改进系统的结构设计，即在不影响测量速度和精度的前提下，要尽量减小占地面积工程造价和安装要求，简化结构，缩短工期，最好能不影响公路的正常运行。便携式汽车动态称重系统就是可以发展的方向。1 4 研究内容和方法前面对动态称重技术做了简要的分析，那么究竟如何实现动态称重昵? 下面对本课题将要采用的方法进行阐述。动态称重系统一般由传感器、信号调理电路、数据分析采集分析系统、结果显示等几个部分所构成。本课题将采用由传感器、数据采集卡、电子计算机所组成的虚拟仪器系统来实现汽车的动态称重。( 1 ) 对称重的对象汽车进行动力学分析，从理论上找出对汽车称重的主要影响因素。( 2 ) 进行动态称重研究的硬件部分的建设，这一部分包括称熏传感器的选择，信号调理6中国农业大学硕士论文第一章绪论电路的设计，数据采集卡的选择等等= 作。这一部分是课题进行的中间环节，也是关键部分。因为，硬件部分决定了整个的系统误差和随机误差。因此便件部分的建设应该十分仔细，建立高精度的硬件系统。( 3 ) 在建立传感器与硬件的工作完成之后，需要选择编制测试软件。( 4 ) 上述的工作完成之后进行动态称重的实验，得出实验数据，在大量的实验数据中找出动态称重的规律，运用数学知识得出动态称重的算法。( 5 ) 对算法进行实验的验证。综上所述，课题研究的进行分为五个部分。本论文将在第二章对车辆动态称重的影响因素进行分析，并且建立硬件系统，描述汽车动态称重信号的采集过程；第三章是车辆动态称重的软件应用部分：第四章对汽车动态称重信号进行分析处理，建立数学模型，同时通过实验进行验证。第五章，进行课题的总结，提出取得的成果，还存在的问题和发展的方向。图卜1 显示了课题研究的基本过程。1 5 本章小结本章主要完成了以下工作：( 1 ) 阐述了课题研究的目的和意义。i 汽车动态称重影响因素的理论分析构建系统的硬件系统建立软件系统丫i实验建立数学模型丫实验验证围1 _ 1 课题研究的基本过程( 2 ) 阐述了目前动态称重的国内外现状和发展方向。( 3 ) 提出了汽车课题研究中我们需要解决的问题及所要完成的工作。7：雪登些尘兰翟圭主竺鲨兰釜三耋王塑翟至苎兰至鎏盟望兰第二章车辆动态称重系统的构建2 1 车辆动态称重的影响因素车辆动态称重是在汽车不停车的情况下，对汽车进行称量。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，无其它的外界干扰，所以容易实现精度比较高的测量。”1 动态称重的时候，车辆以一定的速度通过称重台面，不仅真实车重的作用，还有很多干扰信号。干扰信号产生的原因很多，如车速，车辆的自身谐振，路面激励，轮胎驱动力等等。这样，真实的重量就容易淹没在各种干扰当中，给动态称重造成了很大的困难。如何找出真实的汽车重量信号，成为了动态称重研究的核心问题，也是进行汽车动态称重研究的难点。2 1 1 汽车动态模型作为动态称重的对象，汽车的运动是非常复杂的，尤其在动态称重的时候，汽车由于要通过称重台面，其运动将更加复杂多变。要找到汽车的真实重量，就需要对汽车的运动有一定的了解。在运动的过程中，汽车是一个多自由度的复杂对象，要想全面分析汽车的运动状态，至少需要二十几个自由度，其复杂程度可想而知。在实际分析中，常根据需要对汽车模型做必要的简化。图2 1 简化的汽车模型图2 - i 是简化的汽车模型，为了研究问题的方便，以一个六面体来代表汽车，并将其放在一个三维坐标系当中。其中，x 的正方向为汽车行驶的方向。而汽车的运动，狭义来讲，只是沿着其行驶方向的移动。广义来讲，汽车的运动是非常复杂的，不仅仅有前进方向的运动，还包括各个方向的运动。主要有：沿x 轴，y 轴，z 轴方向的移动，绕x 轴的滚动，绕y 轴的俯仰绕z 轴的旋转。( 1 ) 绕x 轴的滚动在汽车的行驶过程中，由于路面不平等情况的影响，会引起同一轴左右轮不在同一水平面上，就造成了绕x 轴的滚动。这就表示在同一个轮轴上的重量从一个车轮向另一个车轮上转移。如果路面的倾斜不大，或者汽车运动时绕x 轴的倾角不大，在轴重称量中，由于左轮和右轮是同时测量，就能补偿这种莺量的转移。所以，在倾角比较小的时候，这种绕x 轴的转动对动态称量的结8中国农业人学硕士学位论文第二章车辆动态称熏系统的构建果影响不大。( 2 ) 绕y 轴的滚动汽车在进行动态称重的时候，由于路面或者称重台面等的影响，会造成汽车的俯仰运动。这种俯仰表示重量会从前轴移到屙轴，或与之相反，从后轴移至前轴。这种运动会对动态称重的结果造成很大的影响。本章后面还会对这种情况进行详细的分析。( 3 ) 绕z 轴的旋转表示汽车在水平方向上的运动。这种运动会引起车轮与称重传感器的接触点发生变化，这个变化局限于在水平面之内。这就要求称重传感器对水平方向的力，和对力的作用点的变化不敏感。事实上，一般的称重传感器都具备这样的性质。所以，这种水平方向上的运动，对称重结果影响不大。( 4 ) 沿z 轴的运动沿z 轴的运动就是垂直运动，由于路面的不平所引起。很显然，这种运动将产生垂直方向的力，所以会对动态称重结果有较大的影响。综上所述，在动态称重中，沿z 轴的运动和绕y 轴的滚动是影响称最结果准确度主要网素，应当想办法减小这两种运动所造成的称量误差。这两种干扰运动的产生，主要有以下几个方面：汽车的行驶速度、路面的不平度或称重平台造成的不平度、汽车振动等。2 ，1 2 常见干扰因素的分析( 1 ) 汽车的行驶速度车辆与路面的相互作用可以分为动力载荷和静态载荷。静态载荷是指汽车静态时对路面的负荷，可以认为是汽车的静态称量的重量。动态载荷是汽车行驶时对路面的负荷。汽车行驶时，动态载荷可以简化分为四种典型动力荷载：a ) 地面相当平整，当车辆振动很小时，我们就可以把车辆荷载简化为恒定荷载b ) 如果在车辆行驶过程中发生了相当剧烈的振动( 当然这种振动不是频繁地发生而只是偶然出现的，但为了描述车辆荷载的波动情况，但又不希望这种描述过于复杂，那么可以取图2 - 2 a 所示的稳态荷载来进行分析。c ) 如果在车辆行驶过程中发生了相当剧烈的振动( 当然这种振动不是频繁地发生而只是偶然出现的) ，甚至车辆”跳离“了地面。则为了研究车辆落地之后这种振动对结构的破坏作用，我们便可单独地考虑冲击荷载作为模拟这种车辆荷载的数学模型：d ) 最完善的荷载模型则要属d 所示的随机荷载了。如果对随机荷载的分析透彻了，那么对其它几种情况的分析将变得毫无困难。在车辆动态称重中，主要的情况是c 和d 动力载荷的叠加，速度的大小对动力载荷有着直接影响。比如：当车辆以l o m s 速度行驶时，动载中超过静载0 2 倍的占6 6 4 ，超过静载0 5 倍和1 0 倍的则分别占所有荷载的0 0 0 7 和0 0 0 0 0 2 4 ；当车速增大到3 0 m s 时，上述三项的比例就明显地增加了，分别是2 2 9 7 、3 2 2 和0 0 1 0 7 。速度由l o m s 变化到3 0 m s ，提高了2 0 0 ；而超9中国农业大学硕士学位论文第二章车辆动态称重系统的构建过静载0 2 倍、0 5 倍和1 0 倍的荷载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，动载中数值偏大的荷载所占的比例在急剧升高。“1jp oa ) 恒定荷载jp o八lc ) 冲击荷载jp o、b ) 稳态( 谐和) 荷载j lp ow 儿- ld ) 随机荷载围2 - 2 四种典型的动力荷载值得一提的是当动载中有一部分荷载超过静载1 0 倍时，与之对应的就会有同样比例的荷载低于零荷载，由于实际情况中零荷载是出现在车轮跳起离开地面或不接触地面的时候，因此负荷载是不存在的。在一小时的行车过程中，如果汽车以3 6 k m h 的速度行驶，那么大约只有0 0 8 6 4秒的时间车辆会跳离地面：而如果车速为1 0 8 k m h ，则有3 8 5 2 秒的时间车辆不与地面接触。“1因此，车辆速度是动态称重中首先要考虑的因素。2 2 车辆动态称重系统硬件的构建原则汽车在运动的过程中，其运动状态是非常复杂的，再加上各种干扰信号的存在，使真宴的轴重信号淹没在各种噪声中。如何减少或消除噪声，减弱各种干扰的影响，是硬件系统建设的主导思想。要建立车辆动态车重系统，就需要一个合理的硬件结构作为系统的基础。系统硬件的选择和设计安如f 原则进行：( 1 ) 精确性动态称重的目的是测量汽车重量，所以结果的精确性成为首要的原则。若检测结果与真实值偏差过大，就达不到称重的最初目的，失去了称重的意义。但是由于动态称重本身干扰因素太多1 0中国农业大学硕士学位论文第二章车辆动态称重系统的构建的原因，就很难达到静态称重的精度，可以说，动态称重是以牺牲一定的精度为代价来实现动态测量汽车重量的。即使是这样，动态称重也应当保证一定的精度。( 2 ) 经济性任何一项研究能否实现产品化，经济条件都是重要的影响因素。如何利用现有的有限资金和设备，建立车辆动态称重的硬件系统，是研究进行中需要随时考虑的问题。在课题中，就需要合理的搭配各种元件的性能，在保证性能的前提下，尽量降低成本。( 3 ) 可靠性保证在规定的条件f ，系统能正常的运行，完成各项预定的功能。( 4 ) 虚拟仪器原则在动态称重系统设计时，我们将采用虚拟仪器技术，而虚拟仪器的特点就是简化硬件的构成让许多原来需要硬件完成的工作由计算机软件来完成。2 3 硬件系统的构成遵循以上的原则，本汽车动态称重系统硬件主要包括五个部分：电阻应变传感器；测速用的光电开关；信号放大电路：数据采集卡；计算机。每个部分实现不同的功能，按照一定的顺序进行连接和传递数据，最后，在计算机里分析处理车重信号。2 3 1 汽车称重传感器圈2 - 3硬件系统构成圈传感器是整个硬件系统的起始部分，测量车重并发出电压信号。在系统中我们将选择现有的汽车轴重仪器的传感器部分作为硬件传感器。汽车轴重仪是用来测量汽车轴或车轮荷重的仪器。汽车轴重仪种类较多，按结构分可以分为便携式，固定安装式。本课题采用的传感器是由浙江温州江兴汽车检测设备厂生产的s d z 型汽车称重专用传感器。选择它的原因有三：是称重精度达到l k g ，精度较高；二二是通过国家认证，是应用广泛的产品，可靠性好；三是与其它的动态称重传感器相比，价格较低。r 面是传感器结构的介绍：( 1 ) 传感器结构：传感器由两部分组成，机械部分和电气部分。中国农业大学硕士学位论文第二章车辆动态称重系统的构建机械部分：由左、右两个独立台板组成，它可同时测量左、右车轮的轮荷及轴质量。机械台板又由上承架、r 承架及传感器托架组成。如图2 - 4 所示，图2 - 4 称重平台上震岛下最鲁一个台板是由四个性能相同的传感器分布在支承架四角，相互并联，输出电信号。这种结构的特点在于无论力的作用点落在平台上任何位置，都能显示相同数值，克服了力的作用点对显示值的影响。传感器的主要技术数据如下：环境温度：o 4 0 相对湿度：8 0 以下电源：交流2 2 0 v ，5 0 h z量称：2 5 t系统误差：l 外形尺寸：5 0 0 3 0 0 1 3 0( 2 ) 传感器的工作原理：轴重仪采用的传感器是由电阻应变片作为敏感元件，组成全桥电路。当垂直止压力或间接力作用在上面时，电阻应变片随其一起变形，产生一定的应变，使电阻片的阻抗发生变化，应变电桥便产生一个与压力成正比的电信号，在轴重仪中，往往将多个传感器组合在一起，组合方式有串联、并联和串并联三种。若采用并联方式( 如图2 5 ) 就是把4 个电桥的输入端并联起来作为总的输入端，把所有的输出端并联起来作为总的输出端、以提高传感器的寿命。本系统中称重传感器采用2 2 0 伏电源，内有变压器将2 2 0 伏交流电源转换成5 伏赢流电源。传感器的接线方式如下图所示的并联方式。u 。为电源电压，n 为输出电压。四个传感器的电桥并联组成输出，输出范围为( o 1 0 m v ) 。但是由于电压十分微小，所以必须经过放大电路放大，才能送数据采集卡进行采集和处理。1 2中国农业大学硕上学位沦文第二章车辆动态称霉系统的构建2 3 2 信号放大电路图2 - 5传感器接线方式由丁二传感器输出的电压相当微弱，毫伏级，所以必须选择性能优良的放大器，以保证良好的线性度及稳定性，在这里我们选用了o p 0 7 放大器，它的优点是外围元件组合较简单，电路不复杂，同时精度、稳定性等性能都能满足轴熏仪的要求。o p 0 7 放大器如图( 2 6 ) 所示，它总共有8 个脚，其中2 、3 脚为输入端，接传感器的输出信号u 。4 为负电源。6 为输出端，接下一级放大电路或者接数据采集卡的模拟量输入端。7 为正电源。放大电路的电源采用1 2 v 直流电源。v o $ t r i m一+ l h固2 6o p 0 7 放大器v o s t r i mo u tn c放人电路位于传感器与数据采集砖之间，将传感器的输出电压放大。由于数据采集卡的输入电压范围为( 4 - o 1 0 v ) ，所以考虑将传感器输出信号放大到( 1 0 v ) 范同内。又由于汽车在动态称重过程中会发生冲击振动等现象，影响传感器的输出信号，所以将放大倍数定为7 5 0 倍，采用o p 0 7 放大器组成的二级放大电路。莓互图2 7放大电路的电路圉图( 2 - 7 ) 为放大电路的电路图。传感器的输出信号共有两路双端输入信号，图中是其中的一1 3中国农业大学硕士学位论文第二二章车辆动态称重系统的构建路，另外一路与此相同。从图中可知，输入信号是双端输入，第一级放火倍数为罟= 5 0 倍。第二级放大倍数为譬= 1 5 倍。总的放大倍数等于5 0 x1 5 = 7 5 0 倍。放大之后信号为单端共地信号，毫伏级的电压被放大到伏级，就可以被数据采集卡采集了。2 3 3 光电开关在动态称重的实验中，还需测量汽车通过称重台时的行驶速度，以此来分析车速对动态称霞信号的影响。此外，可以用光电开关的状态来判断是否有车辆通过，以控制数据采集卡是否采集数据。实验中采用的光电开关是欧姆龙e 3 j l 【型光电开关。此光电开关为对射式，暗通。可片j 多种电源。实验中采用1 2 v 直流电源。ac图2 - 8 光电开关与数据采募卡的接线示意图例( 2 8 ) 是光电开关与数据采集卡的接线示意图。图中的开关即为光电开关，c 点为数据采集卡上的数字地；b 点为数据采集卡上的电压输出，为5 伏电压；a 点为某一数字幂输入通道。当光电开光被汽车挡住时，开关闭合，a 点为低电平；当车辆离开，开关打开，a 点为高电平。由于实验中是为了测量汽车的行驶速度，所以采用砖对光电开关，使之分开一定的距离，再用软件钡量出两个光电开关状态变化的时间，就可以计算出汽车的平均行驶速度。汽车在驶过称重台的时候，由于驾驶员、道路、汽车本身等的原因，实际上其速度是变化的。在这里，驾驶员应该平稳驾驶汽车，使汽车平稳匀速通过称重平台。这样，测量出的平均速度就更接近于真实的汽车行驶速度。2 2 4 数据采集卡数据采集卡的功能是采集数据并与计算机进行数据传递。这里选用的数据采集卡是中泰公司生产的p c i 8 3 1 0 。p c i 8 3 1 0 模入接口卡适用于提供了p c i 总线插槽的p c 系列微机，具有即插即用( p n p ) 的功能。其操作系统可选用目前流行的w i n d o w s 系列、高稳定性的u n i x 等多种操作系统以及专业数据采集分析系统l a b v i e w 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口告插入机内任何一个p c i 总线插槽中并用螺丝固定，信号电缆从机箱外部直接接入。p c i 8 3 1 0 模入接口卡采用3 2 路单端输入方式或1 6 路双端输入方式。用户可根据需要选择1 4：里奎兰銮兰氅土兰竺兰兰至三耋王塑2 銮篓耋主鎏兰翟罂测量单极性信号或双极性信号。其输入的模拟信号由卡前端的3 7 芯d 型插头直接接入。如表1 ：表1 模拟输入信号端口定义( 括号内表示双端方式)插鹰【脚号信号定义；磺艇日l 瓣弩信号定义1模拟地2 0模拟地2c h l ( c h l + )2 1c h l 7 ( c h l 一)3c h 2 ( c h 2 + )2 2c h l 8 ( c h 2 一)4c h 3 ( c h 3 + )2 3c h l 9 ( c h 3 一)5c h 4 ( c h 4 + )2 4c h 2 0 ( c h 4 一)6c h 5 ( c h 5 + )2 5c h 2 i ( c h 5 一)7c h 6 ( c h 6 + )2 6c h 2 2 ( c h 6 )8c h 7 ( c h 7 + )2 7c h 2 3 ( c h 7 一)9c h 8 ( c h 8 + )2 8c 1 t 2 4 ( ( i h 8 一)1 0c h 9 ( c h 9 + )2 9c h 2 5 ( c h 9 一)1 工c h l 0 ( c h l 0 + )3 0c h 2 6 ( c h l 0 一)1 2c h l l ( c m l + )3 lc h 2 7 ( c h l t )1 3c h l 2 ( c h l 2 + )3 2c h 2 8 ( c h l 2 一)1 4c h l 3 ( c h l 3 + )3 3c h 2 9 ( c h i 3 一)1 5c h l 4 ( c h l 4 + )3 4c h 3 0 ( c h l 4 一)1 6c h l 5 ( c h l 5 + )3 5c h 3 1 ( c h l 5 )1 7c h l 6 ( c h l 6 + )3 6c h 3 2 ( c h l 6 一)1 8 c ( 空脚)5 7模拟地1 9模拟地本卡还提供了t t l 电平的1 6 路输入和1 6 路输出信号通道，这些信号通道由卡后端的4 0 芯扁平电缆转换为3 7 芯d 型插头提供给用户。如表2 ：表2 转换为3 7 芯d 型撬头时开关量输入输出信号端口定义描瘫引脚号信跨：怒、袋；蔓 譬搬鹱鳓斓静。、蓿号定义l+ s v 电源输出2 0+ s v 电源输i |2d i l2 ld 1 230 1 32 2d 1 44d 1 52 3d 1 65d 1 72 4d 1 86d 1 92 5d 1 1 07d