（交通运输工程专业论文）振弦式动态汽车轮轴识别研究.pdf

摘要 摘要 随着数字技术及计算机技术的广泛应用，以频率量作为输出的准数字传感器一一谐振 式传感器受到特别重视。与传统的幅值敏感类模拟式传感器不同，谐振式传感器频率输出 的固有特征，决定了它具有不必经过a i d 转换器就可以直接与数字系统及计算机接口的优 势；谐振式传感器还具有寿命长、长期稳定性好、抗震动干扰、抗电磁干扰等诸多优点， 是目前其它各种模拟传感器所不能比拟的。将谐振弦式传感器用于高速公路计重收费这在 国内外均属首创，而且已经取得了较大的成功。本文阐述了振弦式传感器的理论依据和数 学模型，介绍了动态车辆计重收费系统和轮胎识别器。轮胎识别器是计重收费系统中重要 的组成部分。传统的轮胎识别器是采用开关式或压敏式，存在缺陷。 本文的研究重点是利用振弦式传感器的原理，提出振弦式轮胎识别器的设想，详细地 探讨了设计振弦式轮胎识别器的可能性，其成果是构造一套振弦式轮胎识别器，可用于计 重收费系统超限运输管理系统、动态汽车车型识别等领域。 关键词：计重收费、振弦式传感器、韶胎识别器 摘要 a b s t r a c t w i t ht h eu s eo fd i g i t a it e c h n o i o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o i o g y 。i ti sb e s tt o p a ys p e c i a ia t t e n t i o nt ot h ev i b r a t i n gs e n s o r - - j ti sas e n s o r 曲i o hr e c o r d st h e q u a n t i t yo ft h ef r e q u e n c ya st h ep r i m a r yf ；g u r e i ti sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a l s e n s o r si nt h es e n s i b iii t ya m p ii t u d ev a i u e 。t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h e v i b r a t i n gs e n s o r w h i c hd e c i d e st h ea d v a n t a g et h a tc o n n e c t i n gac o m p u t e ri n t e r f a c e d ir e c t i yw i t ht h ed i g i t a is y s t e ma n dw i t h o u tt h ea dc o n v e r t e r t h e r ea r em a n y a d v a n t a g e so ft h ev i b r a t i n gs e n s o rs u c ha st h ei o n gii f ep e r i o d g o o ds t a b iii t y i nt h ei o n gt e r m ，a n t i s e i s m i c a n t i e i e c t r o m a g n e t i s m ，a n de t c a n di ti s in c o m p a r a biet oo t h e ra n aio gs e n s o r s t h es e n s o rh a sb e e nu s e df o rt h ew eig h tt oi i o fe x p r e s s w a y sa n dh a sa c h i e y e dag r e a ts u c c e s sa n di tb e l o n g si np r e c e d e n tw i t h in t e r n a t i o n a is t a n d a r d s t h et h e o r e t i c a ib a s i so ft h e v i b r a t i n gs e n s o r 。 m a t h e m a tic sm o d ela n dt h etir er e c o g niz p _ 一ra r e - e x p o u n d e d t h evib r a tin g - in - m o ti o n t o li s y s t e mf o rv e h i c i e su s e di np r a c t i c ei s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h et ir e r e c o g n i z e ri st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n tp a r to ft h ew e i g ht o iis y s t e m t h e r e i sd e f e c tt ot h et r a d i t i o n a it ir er e c o g n i z e rb e c a u s ei tu s e st h ef o r mo fs w j t c h a n d p r e s s u r es e n s i t i v i t y u s i n g t h e e x p e r i e n c e o ft h e s u c c e s s o f v i b r a t i n g i n m o t i o nt o iis y s t e mf o rv e h i c l e s 。t h er e s e a r c ho ft h i sp a p e ri sm a i n i y a b o u tm a k i n gu s eo ft h et h e o r yo fv i b r a t i n gs e n s o r b r i n g i n gu pt h ei m a g i n a t i o n o ft h ev i b r a t i n gt ir er e c o g n i z e r ，d is c u s s i n gt h ep o s s i b iii t i e so fd e s i g n i n gt h e v i b r a t i n gt ir er e c o g n iz e r a s t h er e s u i t ist o c o n s t r u c tt h ev i b r a t i n gt ir e r e c o g n i z e rw h i c hc a nb eu s e di nt h ea r e ao faw e i g ht o iis y s t e m s o v e rt r a n s p o r t m a n a g es y s t e m s a n dv e h i c i em o d e ia u t o m a t i cc i a s s i f i c a t i o ns y s t e m s ，a n de t c k e yw o r d s ：w e i g ht o l l ，v i b r a t i n gs e n s o r ，a n dt i r er p , c o g n i z e l 重庆交通大学学位论文原创性声明 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 究工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： ；7 2 日期：2 0 0 7 年，月，g 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并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 借阅。本人授权重庆交通大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密区 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 主7 但 1 日期：乃僻1 月f fe t 指导教师签名：一j 、仫政 力 日期：纩7 年f 月例 第一章概述 第一章概述 1 - 1 我国公路汽车超限运输的严重危害性“3 近年来，我国的公路交通运输得到了蓬勃发展，不但拉近了区域之间的距离， 而且还促进了社会经济的繁荣。但运输中货运车辆超载超限违章问题日益突出。 大量超过公路、桥梁限载标准的运输车辆在公路上行驶，致使公路严重损坏，大大 地缩短了其使用年限。根据公路工程技术标准的规定，我国公路路面的设计 荷载为单轴双轮荷载i o k n 【2 】，公路若按这个荷载承载，在理论上，公路的使用寿 命接近设计年限。但若车辆作用于路面的实际荷载超过路面的设计荷载，那么公 路的使用寿命将大大缩短，超限车辆是造成公路使用寿命折减的头号杀手。 超限运输对桥梁的安全也构成了重大威胁。车辆严重超限，即使设计标准较 高的水泥混凝土桥粱也会产生桥梁挠度增大，水泥混凝土过早开裂，逐步引起钢 筋锈蚀，缩短桥梁寿命，在桥梁的薄弱环节如伸缩缝接口的钢材焊口开焊破坏、 桥头填土下沉产生桥头跳车，甚至还可能由于车辆荷载超过桥梁设计极限使桥梁 损毁崩塌。 超限运输车辆在公路上行驶严重影响交通安全。近年来我国发生的一系列群 伤群死重大交通事故，许多均与车辆的超限、超载有关。车辆严重超限，使车辆 的技术状况大大降低，车辆的行驶稳定性、刹车性能、悬挂承荷能力、转向可靠 度趋差，轮胎爆胎可能性增大，极易引发交通安全事故。另一方面，汽车长时间 超负荷工作，磨损加剧，车辆使用寿命大大缩短。 超限运输严重扰乱运输市场秩序，引起恶性竞争。超限者，利益为目的。由 于运输市场运力供大于求，竞争激烈。承运者为争揽货源，竞相降低运输价格。 以低运价吸引货主。压价的结果使社会必要运输价格低于正常运价水平。为了弥 补降价造成的经济损失，车主采用多装和逃避交通规费的办法获得补偿，使运力 过剩的矛盾更加突出，拉不到货的车主则以更低的运价争揽货源，又以更多的超 载来减少亏损。于是陷入个“超载运力过剩压价再超载运力 更过剩”的恶性怪圈。因为竞相超限运输，部分汽车制造厂家被利益驱动，迎合 市场，非法生产“大吨小标”汽车和非法进行汽车改装，使超限运输呈规模化， 进一步加剧超限运输。同时，由于国家对运输市场的调控力度不足，法规滞后， 不能从根本上对车辆超限现象及时予以整治，放任了对超限车辆的管理，在一定 程度上又增加了运输市场的无序竞争。 超限运输扰乱了国家养路费和路桥收费政策，制造新的不公平。由于所有公 路收费都是按车辆坊宅的吨伊收费，超限车辆装载量超过核定的装爹鼋，使平均 第一章概述 2 每吨位实际交费额减少，降低了单位运输成本，这样，在同样运价水平时，超载 运输者就可获得比守法经营者更多的利润。对于国家来讲，漏征了大量规费j 对 于遵纪守法的人来说，无疑是不公平的。运输者为了提高其利润水平，降低运输 成本，多采用少交费这一不适手段。 超限运输降低了公路的使用效率，污染环境。严重超限车辆一般车速都很低， 有的不足4 0 k m h ，由于走不快，且由于超限车的车体大，影响后车通行，常常造 成交通阻塞，使公路的使用效率大大降低。特别是高速公路，对货车的设计时速 一般在7 0 公里以上，而严重超限车辆一般只能行驶三四十公里，有的更低，造成 高速公路低速行驶的尴尬局面。另外，超限车辆由于荷载大，在起步、爬坡时大 冒黑烟，造成路面的严重损害和环境的严重污染。 可见，超限给社会带来极大的危害。为此，交通部于2 0 0 0 年4 月1 日颁布实 施了超限运输车辆行驶公路管理规定，随后部分省市还出台了相关的实施办法 和收费标准，在全国范围内的普通公路上掀起了整治超限运输的高潮。2 0 0 4 年4 月国家七部门联合发布治理车辆超载工作实施方案，其中包括“采取经济手段， 调节车辆超限超载的利益关系，一从2 0 0 4 年5 月中旬起，力争在卜2 年时间内由交 通部和发展改革委共同出台相关政策，对车辆通行费和公路养路费的收费标准和 征收方式进行调整和完善，并提出具体的政策措施，用经济杠杆调节车辆超限超 载的利益关系。指导计重收费试点工作，总结经验，适时在一些重点地区或重点 路段逐步推广。己经实行计重收费的路段，在集中治理期间应在本实施方案确定 车辆超限超载认定标准的范围内，计重收取车辆通行费。” 实践证明：治理超限运输光靠“源头治理”或宣传教育是行不通的，除必要 的宣传教育外，还必须在关键路段设置轴重检测设备，对过往车辆进行重量自动 检测并对超限的车辆收取补偿费等方式，对超限车辆形成一种有形的威慑，使超 限运输从偷逃通行费、养路费和变相减低运输成本的好处中变成无利可图，甚至 付出高昂代价时，超限运输现象才有可能减少或逐步杜绝。 1 2 国外治理超限的状况口】 治理超限超载是一个世界性难题，各国政府都深深意识到超限超载车辆对交 通安全、环境和道路设施的巨大危害。有关专家曾形象地将超限超载车辆比喻为 “掠夺性命的武器，道路设施的天敌”。为此，很多国家都采取了严格的治理措施。 美国，1 9 1 3 年通过第一部限制车重的法律，随后又出台了多部联邦法律，对 超限超载车辆的管理做出了明确规定。目前，美国的超限超载车辆约占被检测货 运车辆总数的3 5 。 第一章概述 3 美国处理超限超载车辆的主要措施有：一是向违章车辆发出违章传票，确定 罚款金额。并辅以其他惩罚措施，如交付路产补偿金、被列入驾驶员和运输企业 不良记录档案等。二是卸载或均载( 移动货物直到轴载不超限) 。三是对严重超限 超载或屡次违章者采取司法行动，包括刑事诉讼、短期拘留和多达1 年以上的监 禁。 韩国，从1 9 7 3 年7 月开始对重车实行重点检查。1 9 9 4 年1 0 月，超限超载车 辆过多导致圣水大桥坍塌后，韩国政府进一步加大了治理力度，在全国设立了4 0 0 余个超限超载检测站( 点) 。目前，韩国超限超载车辆仅占被检测货运车辆的1 5 。 韩国法律规定，对超限行驶者或强迫驾驶员超限运营者判处1 年以下有期徒刑或 处以2 0 0 万元韩币( 约合人民币1 5 万元) 以下罚款；对擅自改装车辆或妨碍检 测者处2 年以下有期徒刑或处以7 0 0 万元韩币( 约合人民币5 2 万元) 罚款。超 限运输车辆一经发现，将被公路部门直接引导至法院接受法律惩处。 德国，联邦货物运输局设有专门机构治理超限超载，有权扣留并处理违章车 辆。目前，德国1 1 0 0 0 公里的高速公路上共设有7 0 0 多个超限超载检查站。德国 对超限运输驾驶员的处罚办法中规定，第一次超限的驾驶员将被登记在案井口头 警告；第二次被发现将面临3 个月的监禁；1 年内超限3 次以上的驾驶员，将被吊 销驾驶执照，列入“黑名单”，终身不得从事驾驶行业工作。 南非，非常重视车辆自动称重技术的研究工作，将电子秤应用于治理超限超 载工作中。电子秤可以对时速不低于1 0 公里的重载车辆进行自动称重，并显示在 重载车辆信息管理系统上，管理部门据此对这些超重车辆进行卸载和处罚。这一 技术系统在近10 年来的治理超限超载工作中发挥了巨大的作用。目前，南非超限 超载车辆的比例已下降到1 0 以下。 日本，广泛使用固定或移动称重设备对超限车辆进行检测。在高速公路收费 站设有电子秤测量轴载。大型货车还要安装货物自动测重仪。日本实行“一超三 罚”制度，即罚货主、罚运输企业、罚司机。根据日本相关法律，超过行驶证最 大载重量的，处6 个月以下徒刑，1 0 万日元罚款( 约合人民币7 4 0 0 元) ；超过车 辆总重量一般限值2 0 吨的，处以3 0 万曰元罚款( 约合人民币2 2 万元) ；禁止货 运企业接受超载运输业务或指示驾驶员进行超载运输等。 1 3 国内治理超限的状况 国内目前在治理超限运输方面有如下特点：普通公路多数采用价格便宜、使 用灵活机动的便携式称重仪。高速公路则倾向于采用不严格限制车辆通行速度的 高速动本称重系缔( 英文简称w i m 系统) ，胄匕高速、有效h 】自动判别超限运输的车 第一章概述 4 辆，有利于建立自动化、规范化的超限检测站，便于上级主管部门的监督和各项 执法工作的顺利开展。截至2 0 0 5 年1 0 月，我国已有江苏、山东、河南、安徽的一 部分高速公路使用计重收费，收到了相当好的效果。 1 4 本文的主要研究内容、技术路线与研究结论 1 4 1 主要研究内容 治理超载超限是目前我国交通部门一项重要任务，尤其是用现代科学技术和 先进的技术手段来治理超载超限更是我们从事交通研究和应用的科研技术人员的 责任。本论文研究的主要目的是结合计重设备实际使用情况，本着“科研为生产 服务”的宗旨，作者从实际出发对目前我国计重收费系统作了全面的调研和学习， 对其中的轮胎识别器作了详细的研究。研究的内容包括轮胎识别器在计重收费系 统的作用、功能、存在的问题和目前使用的接触式、非接触式开关型、霍尔开关 型、压力传感器型等4 种轮胎识别器的原理、构成、主要优缺点等。 谐振式传感器频率输出的固有特征，决定工它具有不必经越a d 转换器就可 以直接与数字系统及计算机接口的优势；谐振式传感器还具有寿命长、长期稳定 性好、抗震动干扰、抗电磁干扰等诸多优点，是目前其它各种模拟传感器所不能 比拟的。经过几十年的研究和发展，谐振弦式传感器已经非常成熟和稳定，将谐 振弦式传感器用于高速公路计重收费这在国内外均属首创，而且已经取得了较大 的成功。 本论文介绍了自激式振弦式传感器的结构和工作原理、高增益弱激发电路、 振弦式传感器的精确数学模型、快速测频技术和己实际使用的振弦式传感器，提 出振弦式轮胎识别器的设想，详细地探讨了设计振弦式轮胎识别器的可能性。根 据实际使用的开关型传感器详细地研究了振弦式轮胎识别器的构造和零部件尺 寸。这种轮胎识别器属于压力传感型，它比电阻应变式压力传感器i 型要简单 的多，具有更高的可靠性。主要研究内容为轮胎识别器识别准则；从理论和精确 的数学模型上探讨了振弦式轮胎识别器的可行性；振弦式传感器如何构成轮胎识 别器；承压板长和宽的设计计算；盖板、传感器及部件设计研究；轮胎识别器软 件设计准则；轮胎识别器材料的选择；老化工艺、稳定性处理；屏蔽、隔离与干 扰抑制；密封和电缆技术研究；配套电路和检验标定研究。 1 4 2 技术路线 深入地学习、研究了自激式振弦传感技术、高精度快速测频技术，从振弦式 第一章概述 5 传感器的精确数学模型阐述了传感器的频率与元器件参数、电缆长度无关，从而 可以用作轮胎识别器，借鉴振弦式计重收费系统在实际应用中的成功经验，根据 已获专利的振弦式传感器和现有的开关型轮胎识别器，以及轮胎识别准则，详细 地探讨了振弦式轮胎识别器的设计及其在汽车车型识别的应用，技术路线如下： j 调研使用的计重收费系统，分析 i 存在的主要问题，发现轮胎识 l 剜器易出现故障是主要原因之一 轮胎识别器现状分析 l 自激式传感器的结构、工作原理 i 、精确的数学模型、理论公式 高精度测频技术探讨 改善振弦式传感器的技术途径分析 轮胎识别器设计准则研究 l 振弦式传感器如阿构成轮胎识别器 传感器承压板长、宽设计计算 f轮胎识别器软件设计准贝l j 传感器及零部件设计 试验报告 图1 1 本论文的技术路线 1 4 3 研究结论 通过研究得出以下结论： 1 、自激式传感器激发能力强、激发频率一致性好，振动频率与激发电路的形 式及元器件参数的大小和线缆长度无关，能高精度、快速测频，所以振弦式轮胎 识别器作为一种新产品是可行的，它在轮胎识别、汽车车型识别方面具有较大的 第一章概述 6 使用价值； 2 、用振弦式传感器构造了轮胎识别器； 3 、给出了轮胎识别器软件设计准则 4 、列出了提高振弦式传感器的技术途径； 5 、设计出了一套振弦式轮胎识别器及其零部件图纸； 6 、两次类似试验佐证了研究成果达到实际的技术要求。 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 7 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 2 1 动态车辆计重收费系统 国内己实施的部分项目，基本采用车辆分离器把待测车辆通过称重台时按实 际情况分离成每一个单车，称重系统在动态或静态中称量该车每一个单车的轴重， 并累计其轴组重，最后得到该车的总重量。轮胎识别系统判断车辆的轮轴类型和 车辆类型的同时，得到预先设置的该类型车辆的车载额定值，比较实际重量和额定 值。核定该车是否超限及超限重量。依据总重量和超限重量按照相关规定计算出 车辆应交的费用，工作人员凭此收费或处罚。 2 1 1 典型构成 图2 1 计重收费系统的组成和分布 系统由称重台、红外光栅、轮胎识别器、数据采集仪和微机等组成。 工作流程是：当车辆驶向收费窗口，首先进入光栅。光栅输出信号作为车辆 进入的标志。微机通过数据采集仪收到第一辆车的光栅信号后，开始对这一车辆 进行动态轴称重，对各轴轮胎、单轴，连轴进行识别以及采集车速数据，存于微 机内暂存区。到车尾通过光栅，表明车己完全通过，微机即对采集的数据进行处 理，确定总重、车型、限重、超限率、车速等，显示在屏幕中间实时处理栏。收 费员输入车牌号及正常通行费，确认后微机按照超限收费标准，可计算出收费金 额显示在栏中，随后可印出收费单据。对已有收费系统的收费站可作为计重子系 统使用。 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 8 2 1 2 存在的问题 动态车辆计重收费系统在治理高速公路超载上发挥了很大的作用。但运行一 段时间后，出现了一些问题：丢轴、不能正确判断车的轴数、偶尔不能检测出数 据、有时无称重信息、出现车辆分离错误、车速测量不准。根据2 0 0 5 年1 月1 7 日至2 0 0 5 年1 月2 3 日的统计，京沪济南零点收费站，丢失数据9 3 次、轮轴判断 不准5 次、车辆分离错误3 次、其它情况1 9 次。济青路淄博收费站，丢失数据 为2 9 次、轮轴判断不准2 次、车辆分离错误2 次、计重收费争议5 次、其它情况 1 7 次。这些情况直接影响了计重收费工作。其中由于轮胎识别器故障带来的问题 占一半以上。通过现场的硬件检查发现，有的由于轮胎识别器密封不严等结构上 的缺点，受沙、尘等影响，造成轮胎识别器压下弹不起来；有的因为安装的原因 已经压坏或线被扯断。由于暴露在室外，轮胎识别器容易生锈，造成工作不灵活、 卡死、锈蚀、失灵。更换这些轮胎识别器之后，轮轴判断不准、丢失数据等故障 随之消失，车辆计重收费正常。但隔不了多久，同样故障又接着出现。到目前为 止，己安装的轮胎识别器基本更换了一遍，维护的工作量较大，成本也较高。 可见轮胎识别器是计重收费系统的一个重要的都袢，起着重要的作用。其功 能和作用主要有轮胎个数识别、车速识别、轮轴识别、车型识别等功能。 2 2 轮胎识别器功能 2 2 1 轮胎个数识别 这是轮胎识别器的最基本功能，根据不同轮胎识别器的外形尺寸，和压上轮 胎识别器的个数，来判断单、双轮。例如接触式开关轮胎识别器i 型( 见2 3 1 ) ， 车轮同时压在1 只、2 只传感器上识别为单轮，同时压在3 只以上传感器为双轮。 2 2 2 车速识别 车速测量对了解车速对称重的影响，进行称重的车速修正具有重要作用。利 用轮胎识别器和称重台构成车速测量装置。微机应用软件记录了车辆各轴驶上称 重台和到达轮胎识别器的时间t l i 、t 2 i i = l 、2 、n 为轴数，d 为两者间的有效 距离1 9 m ，平均车速v 由下式给出： v ：土堡旦( 2 - 1 ) nf ：1t t 一t 一 ”“ 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 9 秤台轮胎识别器 图2 2 称台、轮胎识别器位置示意图 以平均车速作为了解称重与车速的关系和进行车速修正的依据，比较合理。曾 和现代车车速表对比，5 0 k m h 左右时，只差几个单位，误差在1 0 以内。 加速度的测量，以v 。、v ：表示第一轴和第二轴的速度，则加速度a 可用下式 计算： 4 ：婴掣 ( 2 哪 4 = 2 f ，一1 ( t ：一t 1 ) 式中t 。、t ：分别为第一轴、第二轴到达轮胎识别器的时间。 2 2 3 轮轴识别 车辆的轴型可以分为单轴、双联轴和三联轴；轮型可分为单轮和双轮。国内 常见的轴轮组合有单轴单轮、单轴双轮、双联轴双轮和三联轴双轮。如图2 - 3 。嘲 囱2 - - 3 常见轮轴类型示意图 轴型的识别，借助于称重台与轮胎识别器的配合。设计轮胎识别器开关中心 到称重台近边缘的距离为1 2 米。因此凡两轴距离为1 2 5 2 米，后轴称重时， 前轴的识别信号同时出现，则判为连轴。实验表明，不管车速快或慢、是否有停 顿，对载重车双连轴、三连轴的识别准确。但会带来一个问题：短小面包车会被 判作一个单轮双连轴，车型代号为“3 ”。己用软件解决，凡出现车型“3 ”均改判 为“1 1 ”。 2 2 4 车型识别 车辆可以按照不同的轮轴类型分类，识别的结果使用数字的组合来表示，按 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 l o 以下命名规则来命名：单轮的轴用“1 ”表示，双轮的轴用“2 ”表示，连轴拼在 一块，用“+ ”表示轴之间的整体连接，如图2 4 。 ( d ) 1 + 2 2 + 2 “轴全挂车) 图2 4 车型命名示意图 根据交通部最新颁发的收费公路车辆通行费车型分类( j t t4 8 9 2 0 0 3 ) 行业标准，使用轮轴类型以及重量、轴距等数据，结合公路收费系统，便能对车 辆按照以下标准进行分类。叩3 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 1 表2 - 1 车辆分类 车型及规格 类别 客车货车 第l 类7 座 2 t 第2 类8 座1 9 座 2 t s t ( 含5 t ) 第3 类2 0 座3 9 座 5 t l o t ( 含l o t ) 1 0 t 1 5 t ( 含1 5 t ) 第4 类4 0 座2 0 英尺集装箱车 1 5 t 第5 类4 0 英尺集装箱车 但是，由于以上的标准必须要求系统对车辆的型号进行识别，目前由于技术 条件的限制，识别的准确率存在误差，因此，现普遍采用交通部颁发的超限运 输车辆行驶公路管理规定对公路上的行驶车辆进行超限识别，并指导公路收费。 计重收费系统完全能判别以下的各种情况并给出超载数据：h 1 单轴( 每侧单轮胎) 载质量6 0 0 0 千克； 单轴( 每侧双轮胎) 载质量1 0 0 0 0 千克； 双联轴( 每侧单轮胎) 载质量1 0 0 0 0 千克； 双联轴( 每侧各一单轮胎) 载质量1 4 0 0 0 千克； 双联轴( 每侧双轮胎) 载质量1 8 0 0 0 千克； 三联轴( 每侧单轮胎) 载质量1 2 0 0 0 千克； 三联轴( 每侧双轮胎) 载质量2 2 0 0 0 千克。 轮胎识别器是计重收费系统的重要部件。但是在实行计重收费系统以前，市 场上并没有这样的专门设备，正是由于计重收费的需要，各个厂家根据掌握的不 同技术和原理，设计出不同的产品。 2 ，3 轮胎识别器现状 目前轮胎识别器没有一个统一的分类，从原理来划分主要有开关型和压力传 感型。开关型又分接触式和非接触式。下面介绍目前出现的几种轮胎识别器，为 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 了介绍和说明笔者进行了简单的分类。 2 3 1 接触式开关i 型 这种机械式的轮胎识别器原理很简单，由两个电极和弹簧等构成，轮胎压上 时，两个电极闭合即开关接通，给出轮胎信号；过后弹簧使之复位，两个电极重 新分开即开关断开。 i g oo0 0 0o0 图2 5 开关i 型轮胎识别器示意图 在现场使用中，一般将9 1 2 个这样识别器组成一排( 普通车道为9 只，超宽 车道为1 2 只) ，放置于检测车道中的半幅路面上，如图2 6 所示，其上平面与路 面相起平。当它上部有车轮胎碾压过时，识别器上的弹簧受力发生变形，接通电 路，产生电信号。当外力消除后，弹簧恢复到自然位置。 ( a ) 普通车道( b ) 超宽车道 图2 6 开关l 型轮胎识别器安装示意图 这种形式的轮胎识别器结构简单、坚固，承受压力大、压不坏。但防水、防 绣及防沙若解决不好，使用几个月后会被锈死，或被沙侵入缝隙而卡死。当然可 采取改进密封措施，例如加密封圈，加黄油以防尘和防进水等，还可采用不锈钢 材料来防绣。据某些厂家介绍，改进后的轮胎识别器在防尘、防水和可靠性方面 已大大提高，但成本较高且需经常维护。这种形式的轮胎识别器在实际中己安装 了2 0 0 多套。 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 3 2 3 2 接触式开关i i 型 该传感器克服了以往机械开关寿命短，受环境干扰大，经常被卡死等弊端。 工作原理是基于一种微动开关和弹性橡胶体。微动开关具有动作变形小，恢复快 的特点；弹性橡胶体主要是承受外部载荷后发生弹性变形，并将该变形传递至微 动开关，在其外侧设计了一种特殊的防护结构，可防止其受到较大的外力后发生 塑性变形；同时还具有对微动开关密封的作用。其基本构造如图2 7 所示。 黼磷性体 护一 囱2 7 开关型轮胎识别器结构衙图 在现场使用中，一般将1 2 1 6 个这样识别器组成一排( 普通车道为1 2 只，超 宽车道为1 6 只) ，放置于检测车道中的半幅路面上，如图2 8 所示，其上平面与 路面相起平。当它上部有车轮胎碾压过时，识别器上的弹性橡胶体受力发生较小 的变形时，压动其底部的微动开关，使其闭合，由外部的检测电路检测到一个低 电平的信号输出。当外力消除后，弹性橡胶体可快速恢复变形，使微动开关自行 复位。 图2 - - 8 开关型轮胎识别器安装示意图 这种形式的轮胎识别器具有体积小，工作高度底，开关位移幅度小；结构简 单，现场安装调试方便，不用螺丝固定，直插式安装；受力变形小，减震性好， 工作稳定可靠的特点；独特的设计结构，其防水性可靠，防护等级可达到1 p 6 8 级； 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 4 所选用橡胶为特制加工，弹性好，耐磨损；受温差影响小工作温度范围大( - 6 0 ( 2 缶o ) 。可以适应各种恶劣气候和复杂的外部环境，但是也存在防锈，接触不 灵的毛病，特别是橡胶弹簧易老化，寿命短。这种轮胎识别器在实际中已安装了 3 0 0 多套。 2 3 3 非接触式开关型( 霍尔开关型) 当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产 生电位差，这种现象就称为霍尔效应。霍尔接近开关是一种非接触型无触点开关， 它使用霍尔传感器探测外部的磁场，按照磁场强度控制开关输出。磁场由分离的 或内置的磁钢产生。当被测体上嵌入磁钢，随着被测物体转动时，传感器输出与 旋转频率相关的脉冲信号，达到测速或位移检测到信号目的。由于安装使用方便， 通用性好，已被广泛应用于各种领域。与电感式接近开关相比，霍尔开关的特点 是探测距离远，可以穿透铝或铜等非铁磁性金属，但需要考虑磁钢磁力对周围环 境的影响。“1 图2 9 霍尔开关示意图 霍尔开关型轮胎识别器是一种按一定间隔排列的识别单元组合体，置于秤台 前方。每个识别单元上表面稍高于地面，轮胎经过时，压在轮轴导向顶面，在下 压时接受了信号，传送给仪表。各个识别单元的信号是独立的，可以根据己检测 到的信号的个数及最大间隔来判断经过的轮胎是单或双轮。通过与轴型、轴重数 据的结合，及对照轴超限值标准，可以实现轴重超载的检测。 图2 1 0 开关轮胎识别器示意图 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 5 图2 一”霍尔开关轮胎识别器安装示意图 2 3 3 1 技术指标 ( 1 )i 0 个开关型传感器信号； ( 2 )检测精度：9 9 ； ( 3 ) 温度范围：- 2 0 一+ 6 5 ( 4 )湿度范围：o _ - 9 9 ( 5 )防护等级：i p 6 7 。 ( 6 )传感器间距：1 4 0 m m ( 7 )最小检测胎宽：1 5 0 m ( 8 )尺寸( 长x 宽) ：( 普通车道) 1 5 0 0 m x l 2 0 m m x 2 2 0 m m ( 9 )尺寸( 长x 宽) ：( 超宽车道) 1 8 0 0 帆x 1 2 0 啪x 2 2 0 哪 轮轴识别器各识别单元都是独立的，在使用过程中有坏的可以单独更换，识 别单元在导向选才上采用不锈钢，这样可以保证在恶劣的环境下不会生锈，导向 弹簧采用汽车气门弹簧，上口密封采用进口油缸密封圈，外壳采用无缝钢管加工 而成，这样可以更好保证长时间使用。安装好识别器将电缆信号线通过穿线管引 入控制柜。安装时调好开关与上部导向的距离，在导向压下时与开关保持2 m m 距 离，( 防止导向撞击开关) 。 关键源器件：霍尔开关h b b 系列( 或接近开关) 安装形式：埋入式 工作电压：直流型：3 - 2 8 v d c 回差值：不大于检测距离的2 0 检测距离：1 0 r 咖_ 2 0 ( 相对于标准检测体中8 5 ) 已实际检测距离为准，检 测距离大小主要取决于磁钢 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 6 静态电流：5 m a 。 控制电流输出：阻性负载1 0 0 m a 感性负载5 0 m a 响应频率：5 0 0 0 h z 防护等级：i p 6 6 ( i e c 规格) 残留电压：d c 三线式：1 5 v d c 一 温度影响：在一2 5 到+ 7 0 范围内，对在+ 2 5 y ：时的检测距离是在2 0 以下 绝缘电阻：5 0 m om i n ( 5 0 0 v d cm e g a 基准) 耐压：1 5 0 0 v a c5 0 6 0 h z 一分钟 抗振动：抗振动：1 0 - 5 5 h z ( 周期每分钟) 复振幅1 珊，x 、y 、z 各方向2 小时 抗冲击：抗冲击：5 0 0 m s 2 ( 5 0 6 ) x 、y 、z 各方向3 次 环境温度：工作时：一3 0t o + 8 0 1 2 ( 未结冰状态下) 储存时：- 3 0t o + 8 0 未结冰状态下) 环境湿度：工作时：3 5t o9 5 r h 指示灯：动作 显示( 红色l 功) 图2 1 2 霍尔开关轮胎识别器内部接线图 这种形式的轮胎识别器在实际中己安装了1 0 0 多套。但是轮胎识别器的行程 不好调，调高了接近不到，不起作用，调低了则压碎了；易老化；磁缸易退磁。 2 3 4 压力传感i 型 这种形式的轮胎识别器由弹性体、电阻应变片、引线及外壳等部分组成，其 原理是利用压力型传感器的原理，当车辆压上时，弹性体承载重力并有一与重力 成正比的形变，电阻应变片粘贴在弹性体上，与弹性体有相同的形变，由此产生 电阻变量r ，在供桥电路作用下，桥蹈削输出端产生与重力成正比的电压，从而 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 7 得到电信号。如图2 - - 1 3 所示， ( a ) 普通车道( b ) 超宽车道 图2 1 3 压力传感i 型轮胎识别器安装示意图 这种形式的轮胎识别器原理、结构简单，但电路却较复杂。电路主要由运算 放大器、电子模拟开关、a d 转换器、微控制器、输出指示等部分组成。数据处理 完后送往上位机，以供上位机使用。 图2 1 4 电路构成示意图 上图为超宽车道的原理图，正常车道传感器为1 2 只。 传感器的输出信号是非常微弱的，所以传感器信号必须经过一个放大倍数比 较大的运算放大器之后，才能经电子模拟开关送入a d 转换器。电子模拟开关的性 能必须满足现场的需要，比如切换速度必须要快，以满足车辆在快速通过时的信 号能够完整的通过它。与电子模拟开关直接相连的a d 转换器在转换速度和转换精 度上也要满足现场测量的要求，它是本电路中的关键部分，其性能能够直接影响 到本电路板的整体性能。c p u 是电路板的核心部分，它担任着数据处理的重任，也 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 8 且也协调着电子模拟开关和a d 转换器的工作。输出指示电路主要作用是为了现场 调试的方便。 在电路工作时，c p u 控制着电子模拟开关循环对传感器进行扫描，仰转换器 对数据进行a d 转换，转换后的数据送往c p u ，c p u 对这些数据进行判断，如果数 据明显高出零点，则说明有车压在传感器上了，根据当前模拟开关的路数，便可 以知道是哪一只传感器了。由于扫描速度足够快，如果有多个传感器被压上，程 序也能够将每一只传感器区分出来。判断完了之后c p u 便将判断的结果送出，以 便上位机的使用，同时也送到输出指示电路，由l e d 的亮灭指示出来。 在现场由于工作环境非常在恶劣，所以传感器的零点是不固定的，在程序中 必须有零点跟踪的部分，只有这样才能保证信号判断的准确性。 关于采样速率是根据车速来计算的，车速越快，要求采样速率越高。下面以 3 6 l ( m h 为例来说明采样速率的计算。3 6 k m h 也就是1 0 米秒，传感器的突起部分 是有效的接触部分，其直径为3 0 r a m ，如图2 一1 5 所示。 ( o ) 车轮开始压上( b ) 车轮离开 图2 1 5 速率计算示意图 在图a 中，车轮开始压上传感器，在图b 中车轮离开传感器，这段车轮的弧 长实际为2 0 0 r a m 左右，也就是0 2 m ，所以车轮压过传感器的时间为2 0 m s ，由力学 可知，传感器的受力为抛物线，程序中去头去尾后为有效的受力时间，这段时间 大约为2 0 m s 的一半，也就是1 0 m s ，要在1 0 m s 中准确的判断有无车轮压到传感器， 就要求c p u 对所有传感器的扫描速度不少于1 0 0 h z ，实际中车速是不定的，加上对 可靠性的要求，实际扫描速度不应少于1 0 0 0 h z ，这样就可以计算出a d 转换器的最 低转换速率为1 6 k h z ，( 因为有1 6 只传感器需要分别转换) ，这样就可以算出对一 路的转换时间为6 2 5 u s 。在这个速率下，电子模拟开关的要求是在1 6 k h z 的速率 下，能够让模拟信号完整的通过。 按照以上的速率要求，在车速是3 6 公里时的情况下是不会出现丢车现象的， 如果达不到以上的要求，在车速快的情况下就有可能出现丢车现象。 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 1 9 油 幽 净 尊 图2 1 6 总体设计流程图 在程序方面，若要做到抗干扰能力强，不出现死机和由于传感器的零点发生 变化，就要从软件滤波和零点跟踪方面下手。 工业电源的频率为5 0 h z ，虽然电路板上已经经过了硬件电路的滤波，但这个 波动很难完全滤除。但好在它是一个想对稳定的规则正弦波，我们可以从软件上 进一步的把它滤掉。 5 0 h z 频率的一个周期为2 0 m s ，所以在程序设计时若以2 0 , s 的整数倍为一个大 的采样周期，那么在均值滤波后，就可以把波动带来的误差消除掉。如图i - - 1 7 所示，在两个周期，也就是4 0 m s 的时间内，正弦波在正半轴的部分和在负半轴的 部分正好相等，所以把这段时间内的转换数值进行累加，由该波动引起的干扰就 被抵消掉了。 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 图2 1 7 滤波示意图 在程序中该部分的实现如下： 一次a d 转换结束： a d c n t + + ： i f ( a d c n t 一3 2 0 0 ) a d c n t = 0 ： a s c e r t a i n z e r o ( ) ；零点调整函数 e l s e d e l a y ( 1 ) ： 由上面的程序段可以看出，在进行一次a d 转换结束后，计数变量a d c n t 就会 加一，当加到3 2 0 0 时，也就是a d 转换3 2 0 0 次时，进行一次零点跟踪，同时清除 计数。 由上次的介绍可知，a d 转换一次的时间为6 2 5 肛s ，所以在以上程序中，转换 3 2 0 0 次的时间就是3 2 0 0 * 6 2 5 = 2 0 0 0 0 0 肛s ，即2 0 0 r a s ，而工业用电的一个波动周 期为2 0 z s ，所以程序是进行了1 0 个波动周期的a d 转换，然后进行一次零点跟踪， 这样就从软件上消除了工频的影响。 零点跟踪也是软件设计的一个关键，因为传感器在现场恶劣的环境中，其参 数是不稳定的。下图是零点跟踪的原理图： 图2 1 8 零点跟踪原理图 第二章动态车辆称重系统及轮胎识别器 2 l 图中实线是零点，曲线是真实的a d 转换值。零点上下的点划线是零点跟踪的 范围，最顶的虚线是有车的阀值。在一次的跟踪中，如果a d 转换值超出这个界线 就要进行跟踪，而在这个界线的范围内，则认为是正常的波动。图上各条线距零 点的距离是不变的，当零点发生变化时，它们的位置也相对发生变动。只有这样， 才能保证零点变化后还能准确的分离新的零点变化与是否有车压上传感器。 但是零点跟踪的条件是比较苛刻的，首先它要求是一个相对缓慢变化的信号， 如果这个分离不好，当有车轮压在传感器上时也会把它当作是零点发生了变化， 那么当车轮离开传感器后零点就会跟踪上来，那么可想而知，有车的阈值也会跟 着提升，那么不管多么重的车压到传感器上程序也不会判断出来。其次对上图中 各条线的相对距离的确定也非常重要，如果确定不好，零点跟踪也很难把其它干 扰信号分离出来，容易造成误判。根据现场的实际实验，跟踪界线一般设在3 5 个a d 转换单位比较合适，而有车的阈值一般在5 0 个a d 转换单