（计算机应用技术专业论文）基于水泥基压电传感器的应用研究.pdf

济南入学硕l 学位论文 摘要 水泥基压电传感器是济南大学山东省水泥工程技术研究中心开发研制的，该传感 器与传统压电传感器相比具备很多优点。水泥基压电传感器与混凝土材料具有良好的 相容性，这样就大大提高了其传感精度，在应变、加速度、振动、冲击载荷、声波等 物理量的测量方面显示出优异的传感特性，能够应用于很多工程领域，例如：对公路 通行汽车的轴重测量，车速测量以及混凝土结构桥梁和建筑物的振动监测等领域。此 外，该传感器具备耐久性好，强度高，抗干扰能力强，响应速度快，辅助设备少，制 备工艺简单，造价低的优点，为其在工程中的广泛应用打下良好的基础。 论文首先介绍了水泥基压电传感器在工程应用的必要性和重要意义，指出了水泥 基压电传感器的优点；通过分析水泥基压电传感器的几种工程领域中的应用，例如： 对公路通行汽车轴重的测量，车速测量以及混凝土结构桥梁和建筑物的振动监测等领 域的应用，总结出水泥基压电传感器信号的采集、传输等需求。在此基础上，以水泥 基压电传感器的汽车轴重及车速监测为依托，搭建一个有利于推广水泥基压电传感器 应用的平台。 这个硬软件平台包括上位机和下位机两部分，采用模块化的设计方法设计了系统 的软件框架，即先设计系统，再划分任务模块，编写任务流程图，直至最终的编程实 现。上位机软件提供了可视化人机界面，用于信号的接收、存储和分析功能。信号分 析除了具有针对汽车轴重及车速的检测分析专用算法外，也有用于振动分析常用的时 域分析和f f t 等频域算法。下位机软件根据应用需求设计传输数据的具体模式。针 对上、下位机之间的网络通讯，设计了通讯协议，并采用w i n s o c k a p i 和p a c k e td r i v e r 编程接口进行了实现。 本系统的各项功能已基本完成，可以应用到汽车的轴重及车速的检测及其它工程 领域的检测中，有较高的实用价值。 关键词：水泥基压电传感器；轴重检测；车速检测；w i n s o c k ； v 济南人学硕十学位论文 a bs t r a c t c e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o ri sd e v e l o p e db yc e m e n te n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y r e s e a r c hc e n t e ro fu n i v e r s i t yo fj i n a n ，s h a n d o n gp r o v i n c e c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l p i e z o e l e c t r i cs e n s o r , t h e r ea r eal o to fa d v a n t a g e si nt h i so n e i th a sg o o dc o m p a t i b i l i t y b e t w e e nc e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o ra n dc o n c r e t em a t e r i a l ，w h i c hc a ni m p r o v et h e a c c u r a c yo fs e n s o rg r e a t l y i nm e a s u r i n gt h ep h y s i c a le l e m e n t so fs t r a i n i n g ，a c c e l e r a t i o n ， v i b r a t i o n ，i m p a c tl o a da n ds o u n dw a v ee t c d i s p l a y e de x c e l l e n ts e n s i n gp r o p e r t i e s ，a p p l y i n g i nm a n ye n g i n e e r i n gf i e l d s f o re x a m p l e ，t h ef i e l d si nm e a s u r i n ga x l el o a dt ot h em o v i n g c a r s ，t h es p e e do fc a r s ，a n dm o n i t o r i n gt h ev i b r a t i o no fc o n c r e t es t r u c t u r eb a s e db r i d g ea n d b u i l d i n g s i na d d i t i o n ，i th a st h ea d v a n t a g e so fg o o dd u r a b i l i t y , h i g hs t r e n g t h ，s t r o n g a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , f a s tr e s p o n s es p e e d ，f e wa u x i l i a r ye q u i p m e n t s ，s i m p l em a k i n g c r a f ta n d l o wc o s t ，l a y i n gg o o df o u n d a t i o nf o r t h ew i d ea p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gf i e l d s f i r s t l y , t h ew o r k sf o rt h i s t h e s i sa r ef o c u s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fn e c e s s i t ya n d i m p o r t a n c ea b o u tc e m e n t - b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o ri ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n di t s a d v a n t a g e s t h e nt h ea n a l y s i so ft h i sk i n do fs e n s o rc a nb ea c q u i r e do na p p l i c a t i o no f s e v e r a le n g i n e e r i n gf i e l d s f o re x a m p l e ，t h ef i e l d si nm e a s u r i n ga x l el o a dt ot h em o v i n g c a r s ，t h es p e e do fc a r s ，a n dm o n i t o r i n gt h ev i b r a t i o no fc o n c r e t es t r u c t u r eb a s e db r i d g ea n d b u i l d i n g s f i n a l l y , i ts u m m a r i z e st h er e q u i r e m e n t so nc o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o ne t c o ft h e c e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o r o nt h i sb a s i s ，a x l el o a do fc a rb a s e do nt h i ss e n s o ra n d s p e e dm e a s u r e m e n tc a nb eu s e dt ob u i l dap l a t f o r mi nf a v o ro fp o p u l a r i z i n gt h ea p p l i c a t i o n o fc e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o r t h i sp l a t f o r mi n c l u d e st w op a r t s ，u p p e re n g i n ep o s i t i o na n dl o w e re n g i n ep o s i t i o n i t d e s i g n e ds o f t w a r ef r a m e w o r ko fs y s t e mb yt h eu s eo fm o d u l a rd e s i g nm e t h o d t h e ya r e s y s t e md e s i g n i n gf i r s t l y , a n dt h e nt a s km o d u l e sp a r t i t i o n i n ga n dc o m p i l i n gt h ef l o wc h a r t ， p r o g r a m m i n gt om a k ei tc o m et r u ef i n a l l y t h eu p p e re n g i n es o f t w a r ec a np r o v i d eav i s u a l h u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e i tc a l lb eu s e dt or e c e i v e ，s t o r ea n da n a l y z es i g n a l s ，s i g n a l a n a l y z eu s i n gm a n ya l g o r i t h m ss u c ha sf f ta l g o r i t h me t c o nt h ec o n t r a r y , t h el o w e r e n g i n ed e s i g n st h es p e c i f i cp a r e r nf o rt r a n s m i t t i n gd a t aa c c o r d i n gt o t h ea p p l i c a t i o n v i i 基于水泥筚压r 乜f 感器的戍用研究 r e q u i r e m e n t i nt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s d e s i g n e da n dp r a c t i c e di nt h eu s eo fp r o g r a m m i n gb yw i n s o c ka p ia n dp a c k e td r i v e r a l lt h ef u n c t i o n so ft h i ss y s t e mh a v eb e e nc o m p l e t e d ，w h i c hc a nb ea p p l i e di nt h e m e a s u r i n go fa x l el o a do fe r ra n dd e t e c t i n gt h es p e e do fc a l a n do t h e re n g i n e e r i n gf i e l d s i th a sh i g hv a l u ei nt h eu s e k e yw o r d s ：c e m e n t b a s e dp i e z o e l e c t r i cs e n s o r ；e x a m i n a t i o no fa x l el o a d ；e x a m i n a t i o no fc a r s s p e e d ；w i n s o c k ； 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盗茎 日 期：! z ：乏：2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盔瞧导师签名：硷芝叁 日期： 鳗：丝 幕于水泥幕压电传感器的麻用研究 1 1 课题背景 第一章绪论 水泥基压电传感器是济南大学研制开发的新型功能材料，该传感器与传统的传感 器相比具有以下几方面的优势： ( 1 ) 相容性好：水泥基压电传感器是由与混凝土相容性好的水泥基压电复合材 料为传感单元，经水泥块包裹而成。因此，这种传感器与土木工程中最常用的混凝土 材料具有良好的相容性，如相似的声阻抗、等同的收缩及相近的热胀系数等。它可以 像一个大骨料一样埋在混凝土中，与周围的混凝土之间不存在不连续的界面问题，即 不会改变结构的特性，也不会出现应力突变显现，而这一点是传统传感器应用中难以 避免的。 ( 2 ) 耐久性好，强度高：水泥基压电传感器强度高，在非常恶劣的土木工程施 工条件下也不会被破坏。另外，这种水泥基压电传感器不存在金属腐蚀的问题，而那 些传统的由金属封装的传感器在混凝土中很容易受到腐蚀。此外，水泥基压电传感器 的水泥封装同混凝土材料具有相同的寿命，可以确保传感器在水泥封装的保护下正常 工作到土木工程结构寿命的结束。 ( 3 ) 抗干扰能力强：采用特制的防渗水泥作为封装材料，可阻止水分的渗入。 与光纤传感器相比，光导纤维对环境温度和湿度很敏感，严重影响其对结构中应力和 损伤的监测精度。 ( 4 ) 响应速度快，传感精度高，辅助设备少，制备工艺简单，造价低。 由于以上优点，水泥基压电传感器具备用于车辆动态轴重及车速的检测条件。目 前，水泥基压电传感器已经铺设到烟台威海高速公路的金山港大桥，以备以后用于 检测车流和车辆通过时对桥的冲击。 随着车辆的增多，车辆超重超速现象时有发生，对于车辆的车重和车速检测成为 一项重要的研究课题之一。动态称重是在汽车的运动状态下称出汽车的重量。与停车 状态下的静态称重相比，动态称重的主要优点是节省时间、效率高，使得称重不至于 造成对正常交通的干扰，这对公路建设与管理有着极为重要的意义，同时对实现交通 运输管理的现代化也有着巨大的促进作用，因此动态称重技术己经引起了国内外的普 遍重视，并且取得了初步的应用。在6 0 年代末7 0 年代初，国外开始研究高速公路动态 车辆称重系统以防止车辆超载对路面所造成的损坏。匈牙利是世界上研究动态车辆称 1 幕于水泥荩压电传感器的应用研究 重系统最早的国家之一，g k o v a c s 在1 9 7 4 年于s z e g e d 举行的第五界i m e k o t c 3 会议上 发表了论文轮负荷称与轴负荷称的试验方法，这是关于动态车辆称重系统最早的 文献，它奠定了动态车辆称重系统的基础。但早期对于动态车辆称重系统的研究都注 重从硬件上提高精度，并且很难走出这个圈子。 直到1 9 7 6 年，日本的小野敏f l g ( o n o ，t ) 在第七界i m e k o t c 3 会议上发表了论文 动态称重问题估算理论的应用，标志着对动态车辆称重系统的研究己开始由硬件 向软件转变。现在很多国家都在进行动态车辆称重系统的研究，并有产品供高速公路 使用1 1 1 。 进入9 0 年代以来，我国公路建设特别是高速公路建设尤为突出。我国高速公路总 里程数已经超过1 6 万公里，投入巨额资金建设起来的高速公路已经逐步形成我国的 交通大动脉。为保障高速公路的正常使用寿命，维护道路产权，防止超重车辆损坏路 面，必须采用技术先进的动态称重系统。我国对于公路车辆的动态称重研究较早的是 重庆公路科学研究所，他们先后开发出了s m 2 0 0 0 s 、s m 3 0 0 0 动态车辆称重系统，可 以应用于公路自动化交通调查、轴载检测、限重执法等领域。山西计量测试研究所和 太原工学院也联合开发出轴计量式汽车衡，天津理工大学也开发出一套智能化动态车 辆称重系统1 2 j 。 1 2 水泥基压电传感器轴重及车速检测系统简介 水泥基压电传感器是刚刚研制的新型传感器，从研制开发到实际工程应用还需要 做前期的实验工作。轴重及车速检测是水泥基压电传感器工程中的一项重要应用，以 轴重及车速检测为依托，开发出水泥基压电传感器在车辆检测领域的应用系统，对水 泥基压电传感器在其他工程领域中的广泛应用具有很重要的意义。 针对此情况，济南大学计算机应用研究所与济南大学程新实验室联合研发了水泥 基压电传感器轴重及车速检测系统，系统框架如图1 1 所示。 此系统主要包括以下两部分： 下位机部分：下位机根据轴重检测需求设计数据包的格式和发送方式：包括数 据包的大小、数据包传输方式、数据包传输时间间隔等向上位机发送数据包； 上位机部分：上位机经过数据校验实时显示从下位机传输来的数据包的数目， 显示实时数据的波形，并可以通过计算分析得出车辆的轴重及车速。上位机把得到的 数据按照一定的格式自动存储。 上位机可以设置水泥基压电传感器的各种参数，如：传感器的空间位置参数、压 2 济南入学硕一l j 学位论文 电变换系数，系统存储数据的路径等参数，这对整个系统都是很重要的。这些参数不 是一成不变的，不同位置的传感器相应的数据也会不同，系统管理人员可能会根据工 程现场的需求对这些参数进行调整。因此这些系统参数必须是可以修改的，但又不能 随意变化。该系统将这些重要参数按照相应的数据结构存储于专用文件中，并且设定 了对这些参数的访问权限。 图1 1 水泥基压电传感器轴重检测系统框架图 1 3 课题的提出及研究意义 1 3 1 课题的提出 车辆的负荷对公路和桥梁的设计有着十分重要的意义。调查表明，车辆在运输中 普遍存在超载运输现象，而行驶于公路的车辆如果轴重超过限值的3 0 ，公路使用寿 命就会缩短5 6 ，使得公路维修费用巨增，路面使用寿命缩短。另外，超载运输由于 载重量超过了车辆的额定吨位，使得车辆的性能受到影响：首先是车辆的稳定性受到 影响，其次在弯道和纵坡较大路段，由于超载使得车辆的动力性能受到影响，严重影 响了车辆的安全行驶，最后超载运输对车辆的通行能力也有一定的影响。因此，建立 公路及桥梁的称重站势在必行【6 j 。 对于车辆的称重，传统的方法都是在静态下进行的，这种整车测量方法准确度虽 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 基丁水泥幕乐电传感器的应用研究 皇曼曼曼曼曼量曼曼量曼量曼曼! 曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼皇曼曼鼍! 曼曼皇曼i ! 曼曼曼曼曼曼皇曼舅曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼量 用中停止汽车运行进行重量测量也是不方便的。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。 车辆动态称重的主要方式有两种：整车计量和轴计量方式。应用整车计量方式， 需要比较大的秤台，这大大增加了工程造价和难度，所以这种方式使用地越来越少了。 目前较为流行的是轴重测量，即分别测出车辆各轴的轴重，再由称重系统计算出整车 重量。 另外，随着高等级公路通车里程的增多，车辆超速现象时有发生，如何利用路面 传感器技术测量车速也成为当今研究的重要课题之一。 水泥基压电传感器是最近研制的新型功能材料，而汽车的轴重及车速检测又是水 泥基压电传感器应用研究的一个重要方向。水泥基压电传感器的出现为汽车轴重及车 速检测提供了有利条件。利用计算机技术，围绕水泥基压电传感器的轴重及车速检测 应用需求，开发一个汽车轴重及车速检测系统，对水泥基压电传感器在实际工程中的 应用和推广具有非常好的现实意义。 1 3 2 研究意义 目前很多国家都在对车辆的动态称重和车速检测技术进行研究，大多在车辆动态 称重系统中比较常用的动态称重传感器主要有弯板、压电传感器、单传感器及光纤传 感器。由于这些传统的传感器与混凝土往往存在着非常明显的相容性问题，这样就会 使传感材料产生虚假信号，影响传感精度。水泥基压电传感器具有工程领域多方面的 应用优点，因此为水泥基压电传感器在轴重及车速检测等方面的应用提供一个数字化 应用平台，将为其在更多的工程领域应用起到积极的推动作用。 1 4 论文的主要内容及目标 本论文通过分析水泥基压电传感器的优点及适用的工程领域，提出以汽车轴重及 车速检测为依托，利用计算机技术开发一个用于水泥基压电传感器的数字化应用系 统，并给出了具体的实现过程。 主要内容和安排如下： 第一章对课题背景和水泥基压电传感器车辆检测应用系统进行简单的介绍。 第二章对汽车的动态模型做了分析，阐述了汽车的整体运动、振动以及速度对检 测结果的影响。 第三章详细分析了水泥基压电传感器检测车辆轴重及车速的方法，并结合混凝土 4 济南入学硕t j 学位论文 结构桥梁和建筑物振动监测应用阐述了该传感器作为振动传感器，用于振动监测时常 用的振动信号时域及频域分析方法。 第四章设计了系统的总体结构，包括硬件平台和软件框架。 第五章根据系统的需求设计了通讯协议，介绍了相关通讯技术，女n w i n d o w s 套接 字、p a c k e td r i v e r 。 第六章给出了系统的具体实现。 第七章对论文的工作进行了总结。 本课题的目标： 根据水泥基压电传感器在公路车辆轴重及车速检测方面的需求，开发出个可用 于公路路面的动态轴重及车速检测系统，能实时检测过往车辆的轴重和车速。该系统 具有可视化的界面，操作简单，操作员能实时地看到实际的效果。每一路传感器的物 理特性及空间位置均可通过系统进行相应的参数设置，具有通用性。不仅能满足水泥 基压电传感器作为力传感器对轴重及车速检测时的需要，还能通过简单的硬件调整及 软件模块扩充满足该传感器作为振动传感器在其它领域的使用需求。本系统采用上下 位机结构所需硬件资源少，成本低。下位机下布置多个传感器，并安装在监测现场附 近。上下位机间通过计算机网络连接，不仅上位机安装位置灵活方便，可满足可在远 距离实时监测现场的数据的需求，而且成本较低。 济南人学硕士学位论文 第二章汽车动态模型分析 动态称重时，汽车以一定的速度通过称重区域，不仅轮胎对称重传感器的作用 时间很短，而且作用在称重区域上的力除真实重量外，还有许多因素产生的干扰，如： 车速、车辆自身谐振、路面激励、轮胎驱动力等。可以说真实重量被淹没在各种干扰 力中，给动态称重实现高精度测量造成很大困难1 9 。因此，在外界随机不确定干扰力 作用下，如何准确测出真实重量，就成为动态称重测试系统的技术难点和关键。下面 就所存在的干扰进行分类整理、分析综合，找到影响称重效果的关键因素，忽略次要 因素，从而达到简化的目的。 2 1 汽车整体运动分析 汽车的运动，狭义来讲，只是沿其行驶方向的移动；广义来讲，则不仅仅只是沿 行驶方向的移动，在所有方位上都存在着各种不同形式的运动。运动是力存在的表现 形式，有运动就有力的存在，这些力将在相当大的程度上影响动态称重的准确性。研 究两轴式汽车的运动状态和动力特性，国内外通常采用图2 1 所示的力学模型，汽车 x 图2 1 汽车运动和动力分析模型 研究部门的大量实验和分析表明此力学模型在研究汽车的运动方面是相当成功的。这 种分析模型用一个六面体来代表行驶汽车，并将其放置在三维坐标系中。下面就来研 究其在不同方位上的运动状况并分析各种干扰力及其对动态称重的影响程度，从而达 到简化模型的目的。 7 硒于水泥基斥屯传感器的麻用硼f 究 运动着的汽车有如下四类运动状态：绕x 轴的滚动；绕y 轴的俯仰；绕z 轴的旋 转：分别沿x ，y ，z 轴的单方向移动。 滚动：表示在同一个轮轴上的重量从一个车轮向另一个车轮上移动。在动态称重 过程中，由于同轴上的两轮同时称重，故绕x 轴方向的滚动造成的重量分布变动不会 对整轴称重造成很大影响。 俯仰：表示重量从前轴转移到后轴或反之。由于轮轴之间重量的转移，很有可能 造成测量的偏差。例如，在前轴称重瞬间，车的前端下俯，其测量值的读数会偏大； 随后，后轴驶入称重区域，车的后端恰好也下俯，则读数也偏大，因此，其总重量也 偏大。遇到上仰的情况时，则测量读数会偏小。 旋转：表示在水平面上的运动。荷重传感器对水平力并不敏感，假如称重区域保 持水平，则作用在公路路面上的力将不会产生垂直分力而影响传感器测量。因此，如 果实际情况确实如此，那么在x 、y 方向上的运动也将不会影响重量读数。 起伏：表示沿z 轴的上下运动。很显然这种运动将影响重量读数，因为它会像俯 仰一样产生垂直分力。 通过上述分析可以看出，在四类运动中只有俯仰和起伏两类运动是影响称重精度 的关键因素，其他运动都是较为次要的因素。但是俯仰运动可通过下列措施予以消除： 一是传感器埋放时保持上层接触面水平状态；二是道路表面平整，即平整度较好；三 是汽车驶过称重区域时无突然刹车或加速。但起伏运动，即汽车垂直振动的影响很难 消除，下面详细分析汽车振动的影响。 2 2 汽车振动分析 引起汽车振动的原因很多，主要由以下三类构成【9 1 ： ( 1 ) 由车辆自身的各种原因造成的振动，其中包括发动机偏心转动引起的周期性 振动，车轮不圆引起的周期性振动：燃料不均匀，驾驶员操作不稳定引起的随机振动 等等。 ( 2 ) 由路面不平而造成的振动，地面表面的凹凸不平和高低起伏给行驶在上面的 车辆轮胎施加位移扰动而产生的振动，由于地面不平的随机性决定了这种振动的随机 性。 ( 3 ) 由车辆地表祸合而产生的振动。当车辆在地表运动时，对地表施加了外 力，地表在外力的作用下发生运动，这种运动反过来又会影响到在它上面行驶的车辆， 从而产生祸合振动，显然这种振动也是随机的。 8 济南大学硕l 掌何论文 由于振动的形式及产生的原因是纷繁复杂的，而且各种载荷对动态车辆称重的影 响程度难以预测，因此无法做出精确的定量分析。其中一些载荷的影响极其严重，如 车轮跳离称重区域，如果在动态称重的过程中发生了这种现象，无论采用何种措施都 无法精确获得车辆的静态轴重。为了区分车辆自身重量形成的载荷静态载荷，把 这种由振动造成的载荷称为动态载荷。 2 3 汽车速度影响分析 汽车通过称重区域时的速度也会对称重结果产生影响，下面分别从匀速运动和变 速运动两个角度分析车辆速度对动态称重的影响。 2 3 1 匀速运动中速度对轮轴称重的影响 先来分析一下汽车以匀速直线运动形式通过称重区域时其速度的大小对单个轮 轴称重结果的影响。根据以上分析，汽车经过称重区域时，水泥基压电传感器要产生 振动。汽车经过传感区域时与经过称台时测量分析相似，为了方便分析，我们以汽车 动态经过称台为例进行分析：把称台视为一个弹性系统并具有较小的阻尼系数，汽 车自身谐振频率为m 。当汽车某一轮轴驶上称台后，称重系统的动力学方程为： ( m 圳窘+ 厂鲁+ 妇= m g c o s c o l t - - - - - - - - - - ( 2 1 ) 其中：k ，7 分别为称重传感器的倔强系数和阻尼系数；m 为作用于称重台面的 汽车某一轮轴的静态质量；1 3 3 为称重台面质量；x 为称重台面的位移，g 为重力加速 度。令 = j 而k ，2 = 焘，f o = 瓦m 鬲“2 2 ) 其中为系统的固有角频率，为阻尼因数，则动力学方程变为： 窘脚鲁耐x = f o c o s 妒( 2 3 ) 该方程为受迫振动的动力学微分方程，其通解为： x = a l e c o s ( c o z t + a ) + a 2c o s ( q ，+ 缈) ( 2 4 ) 其中4 、4 、口、缈是由初始条件决定的常数，具有一定的随机性， 9 幕：f 水泥幂压r l l 传愿器的厢刖研冗 i 哆= 而( 2 5 ) 式( 2 4 ) 中第一项为由于阻尼引起的振动项，考虑到汽车经过称台的时间很短， 该项振幅的衰减可忽略；第二项是受迫力引起的谐振项，由于汽车自身谐振频率低以 及过称时间短，该项可视为常数。这样微分方程( 2 3 ) 的解可表示为 x = 4c o s ( 0 2 t + 口) + 而( 2 6 ) 砜上式中x 0 是由于汽车轮轴重力引起的系统形变，其数值应为= m g 。可以看 出系统形变是一个固定分量叠加一个振动分量。这样由于振动引起的称重绝对误差 为： e = 舡一垤= 4c o s ( a ) 2 t + a ) ( 2 7 ) 2 3 2 车辆变速运动对称重结果的影响 刚才讨论了匀速行驶汽车速度大小对汽车称重结果的影响，现在来看一下汽车速 度大小发生变化( 加速或减速) 时对称重结果的影响。通常汽车都可由图2 2 所示的模 型所示： 图2 2 通常汽车模型 在上面的图形中，假定前轴是驱动轴，现以加速度f l 通过称重区域，记汽车没有 加速度时其前、后轮称重结果分别是w 和w z ，汽车总重w _ w i + w 2 ；有加速度时 其前后轮轴称重结果分别是w i ”和w z ”。 汽车加速前进，故其驱动轴即前轴上有一个力f ，且一般来说f 是时间t 的函数， 即f = f ( t ) 。设前轴称重时驱动力f t ，后轴称重时驱动力为f z 。假设汽车重心到前后轮 轴的垂直距离分别为b l 和b 2 ，汽车前后轴距为b ，轮轴距地面高度为d 。正常行驶时， 汽车对前后轮胎着地点a ，b 两点的转轴的力矩应为o ，从而 1 0 济南大学硕i j 学位论文 前轴称重时对b 点： 鸭+ 互d = w l ”b ( 2 8 ) 后轴称重时对a 点： 陟砚一e d = b ( 2 9 ) 由上两式可得： 盱：堕型( 2 1 0 ) b 职：w b l - f 2 d ( 2 11 ) b 汽车总重： w “：形”+ 职：w b l + w b 2 + f l d - f 2 d w ( 2 1 2 ) b 由此可以看出，汽车在经过秤区域时若有加速度，则其称重结果一般来说将不再 等于没有加速度时的结果，即产生了误差。因此，汽车经过秤重区域时应尽量保持匀 速。 综上所述，汽车行驶速度的大小、速度大小的变化对动态称重有着非常重要的影 响。汽车经过称重仪时行驶速度较大或者速度的大小发生变化，都会增大动态称重结 果的误差。所以，当汽车通过动态称重传感器时，为减小测量误差，车辆应尽可能保 持低速且匀速通过。 济南人学硕f ：学位论文 第三章水泥基压电传感器的分布和信号的计算分析 3 1 水泥基压电传感器的空间排布及位置参数设置 水泥基压电传感器在工程应用中一般需要考虑传感器的空间排布，从而设置合 适的参数。在车辆轴重及车速检测的应用中，通过设置传感器位置参数对传感器进行 编号，如图3 1 所示把水泥基压电传感器的位置参数设为三维参数。作为轴重及车速 检测我们只用到x 和y 这两维参数，z 坐标设置为0 ；把位置参数设成三维是为水泥基压 电传感器监测其他混凝土结构建筑物做准备。 五 图3 1 传感器参数设置示意图 3 2 轴重及车速检测系统中的采样周期 水泥基压电传感器具有与水凝土相容性好的特点，公路铺设时可直接埋置，压电 式动态称重系统利用车辆轴重引起的压电传感器的电压变化，测量出车辆的轴重值。 当车辆通过压电传感器时，系统测量出传感器产生的电荷，由此计算出动态重量值， 然后利用测量出的动态重量值测出车辆的真实轴重。 水泥基压电传感器一般宽度和厚度都在4 c m 左右，因为传感器的宽度很小，所以 当车轮经过条状传感器时，车轮与传感器发的接触面很小，所以采样时间间隔z 的选 取必然要考虑车速。限制车速在3 6 k n g h ( 1 0 r e s ) 以内，在车轮与传感器接触0 1 m 附 近范围，传感器可以采集到数据信息；这样在车轮经过0 1 m 的过程中应合理选择采样 时间周期，以便使采样点尽可能多，从而可以应用合适的算法估算出车轮的轴重。 采样周期i 决定了采样信号的质量与数量：z 太小，会使采样信号以( 刀c ) 的数 量剧增，占用大量的内存单元；z 太大，会使模拟信号的某些信息丢失，这样一来就 会出现失真现象，影响数据处理的精度。因此根据采样定理来选择c 以确保以( 刀t ) 不 1 3 基于水泥荩压电传感器的戍用研究 失真1 4 3 1 。 根据采样定理可知，对截止频率为z ，的连续信号x ( t ) 进行采样，其采样周期瓦必 须满足c 方时，则连续信号 s i n 吾- ( t 一刀瓦) 】 川) - 互“圮蒿( 3 1 ) 才能唯一确定不会出现失真。根据相关文献可知汽车的垂直振动在5 0 赫兹时己不明 显，z 取5 0 赫兹时，z l f f 2 x 5 0 ) 秒= o 0 1 秒= 1 0 毫秒。 考虑以上两点，选择采样时间间隔为2 m s 。 3 3 动态轴重检测方法 3 3 1 车辆通过确认 因车辆类型繁多，轴数不是定值，由各个轴重换算车重，要对车辆驶入和完全驶 出测重区域进行识别确认。在暂时无法实现自动识别的条件下，目前的系统算法要结 合人工确认。在此条件下对各种车辆进行轴重检测。这样要对车辆行驶速度和车辆间 隔进行一定限制。 3 3 2 轴重峰值的计算 ( 1 ) 选取采样点中的最大值：对于轴重的测量，关键是要测出车轮与传感器完 全接触时的重量值( 在波形上显示为峰值) 。但是由于车轮与传感器的接触时间比较 短，采样的点数就比较少，如果仅选取这几个点中纵坐标最大的点，作为极大值点， 可能会增大测量的误差。水泥基压电传感器在轴重检测应用中的现场分布示意图如图 3 2 所示： 指向标 7 汽车限行区域边缘 水泥基压电传感器埋放区域 j 图3 2 水泥基压电传感器在轴重检测应用中的分布图 1 4 糕溪透滋 济南人学硕十学位论文 ( 2 ) 三点抛物线插值法：可采用三点抛物线插值法来计算峰值，选取采集点最 大值以及其两侧距其最近的两个点进行插值，就得出一个二次曲线，然后再计算二次 曲线的最大值作为峰值。 3 3 3 动态轴重检测中的几种算法 动态称重时，传感器产生的轴重信号伴随各种干扰，因此需要采用合适的算法提 高测量准确度。动态称重技术中常用的算法有以下几种。 ( 1 ) 最大值测量加和平均法 最大值测量加和平均法就是寻找每一路传感器采集轴重信号的最大值，然后把这 些最大值加和作为一次称重的结果，二次称重后进行再加和平均计算。根据现场传感 器的分布图，如图3 2 所示，可以把车轴经过水泥基压电传感器时经二次插值计算后 得到的1 6 个峰值加和，作为一次轴重w ；再次经过后排1 6 个传感器时采用同样的方 法得n - 次轴重w ；。然后取这两次轴重的平均值( w + w j ) 2 作为此轴重最终测量 值。这种方法惟一的优点是算法简单。 ( 2 ) 算术平均测量法【1 】 算术平均测量法就是对传感器产生的轴重信号取其算术平均值作为测量结果。从 理论上讲，该方法应能保证一定的准确度，但是在实际应用中会受到很多因素的影响。 可以取出信号相对平稳的中间平台段计算其相应的平均值，具体算法如下： 对采样值a 。，a ：，a 。( 即车轮在称重系统的采样值) 进行排序，去掉1 1 2 个较 小的采样值，保留1 1 2 个较大的采样值，设为b 。，b ：，b 。( m = n 2 ) ； 求b 。，b 2 ，b m 的平均值，设为b ； 求b l - b = c l ，b 2 - b = c 2 ，b m - b = c m ，对c l ，c 2 ，c 。进行排序； 在c 1 ，c 29 o9c m 中找到i l 4 个较小的值c l ，c 2 ，o5 , c p ( p = n 4 ) ，再找到与 c l ，c 2 ，c p 对应的b l ，b 2 7 ，b p ； 求b 。，b ：，b ，的平均值，设为b ，即为所求值。 其中，m 、n 、p 均为整数。 使用以上算法要求横向( 汽车行驶的方向) 埋放的传感器比较多，需要大量的数 据才能保证测量准确度，无疑会提高软硬件的资源消耗。 ( 3 ) 整车测量法 在特定区域水泥基压电传感器的分布如图3 3 所示，安装传感器的区域必须足够 大，以满足各种车辆经过时能够使轴重完全作用在水泥基压电传感器的采集范围内。 1 5 幕于水泥幕压f 乜传感器的应用研究 当车辆经过水泥基压电传感器测重区域时，每个传感器可将瞬时采样峰值进行处理， 然后再求和，一次性求出整个车辆的重量。 这种方法与传感器的个数以及各个传感器之间的距离有密切关系，在传感器个数 有限的情况下，根据传感器之间的位置关系( 通过设置传感器位置系数获得) ，采取 一定的算法以及现场标定，可以得出车辆的重量。 称重区 z j 轴的压力f l ? i “x “一， 一d ( x 41 1 | ? 。 ；| 1 压电信感器 图3 3 轴重一次测量不意图 ( 4 ) 神经网络法【1 】【3 3 】 神经网络是一种有效的非线性函数拟合工具，已经被应用到许多工程问题中。使 用神经网络的方法，可以利用一个动态系统的输入输出数据建立它的输入输出模型， 通过这个模型可以根据该系统的后继输入预测出想求得的对应输出值。 在车辆动态称重中，该方法主要是基于并行技术的思想，以神经网络技术为控制 核心，采取多因素协调，将测量过程中对影响测量准确度和限制车辆过衡速度起主导 作用的因素作为训练样本，通过训练来获得较好的网络模型，再根据该模型和网络输 入数据预测出车辆的真实轴重，并期望提高测量准确度。车辆动态称重系统可以被看 成如下模型： z = ( f ，# ，r ) + 缶( 3 2 ) 式中y i 代表预测的真实轴重，x i 代表模型的输入值( 可以是传感器输出的测量值， 也可以是从测量值中提取的特征值) ，毒代表噪声，磙示车辆动态称重过程函数( 此函 数多为非线性) 。 提取轴重信号的特征值作为输入，采用轴重信号3 个连续的峰值和这些峰值与信 1 6 济南大学硕j j 学位论文 号波谷的时间间隔作为输入，采用车速、轴重信号斜率、信号峰值作为输入，而不是 直接采用传感器输出信号的采样值作为神经网络的输入，利用特征值作为输入可以大 大减少神经元个数，提高了网络的训练速度。 为了进一步提高神经网络性能，采用遗传算法选取神经网络结构，步骤如下： 对神经网络节点间的连接情况进行编码，即节点之间相连l 表示，不相连用0 表 示； 利用遗传算法选择最合适的模型结构，为了进行模型选择，采用以下算子： r 突变为0 ：使编码中随机一个1 变为0 l l ( 减少一个神经线的连接) ) 突变算子1突变为l ：使编码中随机一个0 变为1 i i ( 增加一个神经线的连接) 随机算子：产生一个新的编码( 产生一种新的结构) ； 交叉算子：两组编码在相同的随机位置各截成两端，分别取两组编码的前一段和 后一段组成一个新的编码( e h 不同的两种结构合成新的结构) 。 使用以上算子产生各种神经网络结构，选择预测结果与真实轴重误差最小的一种 结构作为最合适的网络结构进行使用。 这种方法要对大量的网络结构进行训练，计算量很大，需要花费很长的计算时间， 但是，在一般情况下都可以找出使预测结果准确度较高的网络结构，提高了预测的准 确度和模型的推广性。 另外，目前支持向量机( s v m ) 作为一种新的通用学习算法被广泛地应用到函数拟 合的求解问题中，它具有完备的数学理论基础，是一种基于结构风险最小化的算法， 与神经网络相比，具有更好的泛化性能。s v m 被应用到许多传统的神经网络应用领 域，已经取得了很好的效果。作者曾经利用s v m 建立了车辆动态称重系统模型，通 过此模型预测车辆的真实轴重，取得了比较理想的结果。 利用非线性函数拟合预测真实轴重的方法具有较高的测量准确度，抗干扰能力较 强。但这种方法还不是很成熟，例如提取信号有效特征值、增强建立模型的推广性等 方面，目前主要是理论研究，还没有在实际应用中采用。 ( 5 ) 本系统采用的方法 在求轴重峰值时，我们采用三点抛物线插值法，这样可以在一定程度上提高峰值 测量精度；动态轴重检测采用最大值测量加和平均法。 基于水泥幕乐f 乜传感器的戍用研究 3 4 汽车车速的检测 车速测量用两排传感器，设其间距为d ，判别每排传感器检测信号最先达到峰值 的时间，仍考虑预埋传感器在0 i m 范围内可以感知车辆，且保证至少一个采样点( 这 种测量不考虑精度) ，只要有一个采样点就可以认为车辆到达指定位置。 0 1 m 2 m s = 5 0 m s = 1 8 0 k m h 的时速，可以满足一般公路的应用，如果要测更高的速度应 采取以下措施： ( 1 ) 加大传感器封装，增加感知范围； ( 2 ) 使用多个传感器来加大感知范围； ( 3 ) 减少采样间隔。 方法( 1 ) 要加大传感器尺寸，这样就不能像“一个大骨料一样埋在混凝土中”， 可能要影响其与混凝土路面的结合强度。采用方法( 3 ) 要改变了系统的硬软件结构。 所以方法( 2 ) 比较可取，即在不改变系统的硬软件结构的前提下，采取多