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合肥 工业大学 学历硕士学位论文 基于压电薄膜轴传感器的 动态称重系统的研发 作者姓名 班委雅 指导教师 任住堑数援 学科专业 本工程 研究方向 插粱的鳇鏖些测皇捡测 2 0 1 4 年4 月 万方数据 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho fd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m b a s e do np 矿d fs e n s o r s b y s u nx i u y a h e f e iu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y h e f e i a n h u i p r c h i n a a p r i l 2 0 1 4 万方数据 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查 确认符合合肥工业大 学学历硕士学位论文质量要求 答辩委员会签名 工作单位 职称 姓名 主席 安徽省交通投资集团 教授级高工 委员 厶月巴工业大学 副教授 鲥 合肥工业大学 副教授 狮互 咖砺 1 合肥工业大学 副教授一一枷和7 研 合肥工业大学 副教授 导师 合肥工业大学 教授 边审弩 万方数据 学位论文独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行独立研究工作所 取得的成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的内容外 论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得金日巴王些太堂 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料 对本文成果做出贡献的个人和集体 本 人已在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位论文中表达的观点纯属作者本人观点 与合肥工业大学无关 学位论文作者签名 各小霭豸j 毛 签名日期 加f 睥争月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目巴至些太堂有关保留 使用学位论文的规定 即 除保密期内的涉密学位论文外 学校有权保存并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子光盘 允许论文被查阅或借阅 本人授权合肥工业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 允许采用影印 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 弓门 霭稚 签名日期 阳 q 年争月阳日 论文作者毕业去向来亚 工作单位 联系电话 1 5 舅s 6 芦5 9 6j 指导教师签名 签名日期 加心年中月勿日 e m a il 邮政编码 万方数据 致谢 时光飞逝 转眼三年的硕士研究生时光即将告以段落 在此期间 十分感谢 导师任伟新教授对我的引导与帮助 无论是论文题目的确定 还是实验的准备与 完成 还包括论文审阅修改 任老师都给予了我极大的帮助 同时 任老师严谨 的作风和精益求精的学术精神更是感染了我 对我今后的人生都起到了积极的作 用 同时 我要感谢李星新老师一直以来给予我的帮助 包括学术方向的指导 实验问题的解决 后期数据的处理 论文的框架及修改等等 本文也凝聚着李老 师的心血 正是他孜孜不倦的教导 我才能顺利完成论文 此外 还要感谢对我的论文实验提供仪器设备及相关技术支持的东华工程科 技股份有限公司 安徽省建筑工程质量第二监督检测站 安徽省公路工程检测中 心 以及在实验过程中给予我帮助的老师和同学们 最后 感谢课题组的王佐才老师 陈亮老师 张广锋老师 左小晗老师以及 刘景良 阳霞 黄勇 邢云斐 张秋虎等同门兄弟姐妹在生活和学习中给予的关 心 鼓励和支持 感谢三年来所有关心我 帮助我的人们 非常感谢你们 作者 孙秀雅 2 0 1 4 年2 月2 4 日 万方数据 摘要 超限超载现象已严重危害到公路桥梁的安全性和使用寿命 交通部门为了加 强对超限超载车辆的管理和实际交通数据的统计 对动态称重 w i m 提出了越 来越高的要求 目前市场上运用的动态称重系统均存在过车速度不高 灵敏度差 精度低等诸多问题 而且研究证明 车辆轮迹线在桥梁横断面上的横向位置影响 着桥梁的结构行为 是桥梁荷载的一个重要参数 因此 建立一种能识别车辆轮 迹线横向位置 灵敏度高的高速动态称重系统 对有效维护重要公路及桥梁的安 全运营具有重要意义 本文基于灵敏度高 稳定性好的压电薄膜轴传感器 通过合理设计传感器的 布设方式 即首次采用三根传感器以 n 形布设在车道中 研发了一套可检测车辆 轮迹线横向位置的动态称重系统 基于l a b v i e w 的编程平台 设计了系统的分析 软件 研发的动态称重系统不仅可以提高动态称重测量精度 还可实现对车辆轮 迹线横向位置的检测 也可为交通部门对交通数据的调查提供一种新的简单实用 的方法 论文的主要工作如下 1 详细阐述了压电薄膜轴传感器的压电特性和压电原理 介绍了为保证传感器称 重精度 在传感器安装及运用时应该注意的问题 针对环境温度的变化会导致 传感器压电常数 体电阻和弹性模量的变化 造成称重结果的误差 提出了温 度的补偿公式 2 考虑到车辆的附加动荷载以及压电薄膜轴传感器的称重特点 提出了优于峰值 法的面积积分方法对车辆参数进行识别计算 3 通过合理设计压电薄膜轴传感器的布设方式 研发设计了一套可识别车辆轮迹 线位置的动态称重系统 利用l a b v i e w 编程语言 对称重系统进行了软件开发 能对采集的信号进行计算得到车辆速度 轴重 总重 轴距 轮迹线横向位置 等数据 4 在实验室设计了试验方案 验证了所研发的动态称重系统和系统算法的可行性 以黄山市占川河桥为背景 现场试验验证所研发的压电薄膜轴动态称重系统 并详细讨论了系统在现场安装所应该注意的问题 实验室试验和现场试验结果 表明 系统具有良好的稳定性和可靠性 精度满足工程要求 关键词 动态称重 压电薄膜 轮迹线横向位置 试验研究 万方数据 a b s t r a c t t h eo v e r l o a d e da n do v e r m a r g e dv e h i c l e sh a v es e r i o u s l ya f f e c t e dt h es e c u r i t ya n d s h o r t e n e dt h es e r v i c el i f eo fo u rr o a d sa n db r i d g e s t r a n s p o r td e p a r t m e n tp r o p o s e d h i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d sf o rd y n a m i cw e i g h i n g w l m i n o r d e rt os t r e n g t h e nt h e m a n a g e m e n to fo v e r l o a d i n g t h ec u r r e n t l yw i d e l yu s e dw e i g h t i n m o t i o ns y s t e mi s w e a ki nh i g h s p e e dd e t e c t i o n s e n s i t i v i t ya n da c c u r a c y s t u d i e sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a t t h ev e h i c l e s w h e e l p a t hl a t e r a ld i s t r i b u t i o no nt h ec r o s s s e c t i o no ft h eb r i d g ei sa l l i m p o r t a n tp a r a m e t e rf o rb r i d g el o a d a n di ta f f e c t st h es t r u c t u r a lb e h a v i o ro ft h eb r i d g e t h e r e f o r e i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c et oe s t a b l i s hah i g hs p e e dd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m i n p r o t e c t i n gt h es a f e t yo fi m p o r t a n tr o a d sa n db r i d g e s w h i c h c a ni d e n t i f yt h e w h e e l p a t hl a t e r a ld i s t r i b u t i o na n dh a v eh i g hs e n s i t i v i t y t h et h e s i sd e v e l o p sap i e z o e l e c l r i cw i m s y s t e mw h i c hc a n d e t e c tt h el a t e r a lp o s i t i o n o ft h ev e h i c l et h r o u g hr a t i o n a le m p l a c i n gm a n n e r so fp v d fs e n s o r s 诵t 1 1b e t t e r d u r a b i l i t ya n ds t a b i l i t y i t st h ef i r s tt i m et ou s et h r e es e n s o r sb y n d i s t r i b u t i o nl a y o u t i nt h ed r i v e w a y b a s e do nt h el a b v i e wp r o g r a mp l a t f o r m i td e s i g n st h ea n a l y s i s s o f t w a r eo ft h es y s t e m t h ed y n a m i cw e i g h i n gs y s t e mc a nn o to n l yi m p r o v et h e d y n a m i cw e i g h i n ga c c u r a c y b u ta l s oc a nd e t e c tt h ew h e e l p a t hl a t e r a ld i s t r i b u t i o n b e y o n dt h a ti tp r o v i d e san e w s i m p l ea n dp r a c t i c a lm e t h o dt oi n v e s t i g a t et h et r a f f i c d a t af o rt r a n s p o r ta g e n c i e s t h et h e s i sp r o c e e d si nt h ef o l l o w i n gw a y f i r s t l y i te l a b o r a t e st h ep i e z o e l e c t r i cp r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fp v d fs e n s o r a n di n t r o d u c e st h ep r o b l e m si ni n s t a l l a t i o na n da p p l i c a t i o nt oe n s u r et h ea c c u r a c yo ft h e w i ms y s t e m t h ec h a n g eo fe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ec a u s et h ev a r i a t i o no fs e n s o r p i e z o e l e c t r i cc o n s t a n t v o l u m er e s i s t a n c ea n de l a s t i cm o d u l u s t h e nt h ew e i g h i n gr e s u l t w i l lb ew r o n g f o rt h e s ep r o b l e m s t h et h e s i sr e c o m m e n d sat e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n f o r m u l a s e c o n d l y c o n s i d e r i n gt h ea d d i t i o n a ld y n a m i cl o a do fv e h i c l e s i tp r o p o s e saa r e a i n t e g r a t i o nm e t h o dw h i c hi ss u p e r i o rt ot h ep e a km e t h o di ni d e n t i f y i n ga n dc a l c u l a t i n g t h ep a r a m e t e r so fv e h i c l e sb a s e do nt h ep v d fs e n s o r s t h i r d l y i td e s i g n st h es e n s o r s l a y i n gw a yi no r d e rt od e v e l o pad y n a m i cw e i g h i n g s y s t e mw h i c hc a nd e t e c tt h ew h e e l p 砒l a t e r a ld i s t r i b u t i o n i tp r o g r a m m e saa n a l y s i s s o f t w a r eo ft h es y s t e mb yl a b v i e w w h i c hc a na n a l y z et h es i g n a lt og e tt h et r a f h cd a t a i n c l u d i n gg r o s sv e h i c l ew e i g h la x l el o a d w h e e lw e i g h t w h e e l b a s ea n dw h e e l p a t h i l l 万方数据 l a t e r a ld i s t r i b u t i o n e t c f o u r t h l y i td e s i g n se x p e r i m e n t a lp r o j e c ti n t h el a b o r a t o r yt o v e r i f yt h es y s t e m s f e a s i b i l i t ya n dt h ea l g o r i t h mo ft h ed e v e l o p e dd y n a m i cw e i g h i n gs y s t e m w i t ht h e b a c k g r o u n do fz h a n c h u a nr i v e rb r i d g ei nh u a n g s h a n i tp r o c e e d sf i e l dt e s t st ov e r i f y t h es y s t e ma n dh a sad e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h ep r o b l e m sw es h o u l dp a ya t t e n t i o nt oi n i n s t a l l a t i o o ft h ep v d fw i ms y s t e m i nl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa n df i e l dt e s t st h e s y s t e mp e r f o r m si nag o o ds t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y m e a n w h i l et h ep r e c i s i o nm e e tt h e e n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s w e i g h t i n m o t i o n p v d f w h e e l p a t hl a t e r a ld i s t r i b u t i o n t e s tr e s e a r c h 万方数据 目录 第一章绪论 一l 1 1 研究意义 1 1 2 动态称重国内外研究现状 3 1 2 1 动态称重 w e i g h t i n m o t i o n w i m 3 1 2 2 国内外的研究历史 4 1 2 3 动态称重系统的对比 6 1 3 论文主要工作 7 第二章压电薄膜轴传感器的称重原理 9 2 1 压电传感器的研究历史 9 2 2 桥梁动态称重中压电传感器的选择 1 0 2 2 1 压电石英传感器 一l o 2 2 2 压电陶瓷传感器 1 1 2 2 3 压电薄膜轴 p v d f 传感器 1 1 2 2 4 各压电传感器的比较 一1 2 2 3p v d f 薄膜的压电原理 1 3 2 4 信号采集 1 5 2 4 1p v d f 传感器的等效电路 1 5 2 4 2p v d f 传感器的信号转换电路 1 6 2 5p v d f 传感器的抗干扰问题 1 8 2 5 1 环境温度的影响 一1 8 2 5 2 环境湿度的影响 2 0 2 5 3 横向灵敏度 2 0 2 5 4 电缆噪声 2 1 2 5 5 接地回路噪声 2 1 2 6 基于p v d f 传感器动态称重的基本算法 2 2 2 6 1 峰值法确定车辆荷载 2 2 2 6 2 面积积分法确定车辆荷载 2 6 2 7 本章小结 2 7 第三章可识别车辆轮迹线的动态称重系统的研发 2 9 3 1 车辆轮迹线横向位置检测的意义和传统方法 2 9 3 1 1 车辆轮迹横向位置检测的意义 2 9 3 1 2 轮迹横向位置识别的传统方法 3 1 v 万方数据 3 2 实验设计 3 1 3 3 系统软件设计 3 3 3 3 1 软件设计平台 一3 3 3 3 2 软件设计方案 3 5 3 3 3 软件界面以及系统可实现功能 3 6 3 4 本章小结 3 8 第四章基于p v d f 传感器的动态称重系统的实验验证 3 9 4 1 实验室验证 3 9 4 1 1 动态称重系统的标定 一3 9 4 1 2 动态称重结果 4 3 4 2 车型分类方法 4 5 4 2 1 车辆轴距测量及轴组 4 5 4 2 2 车型分类 4 8 4 3 车辆轮迹线横向位置的检测 4 9 4 4 现场实验验证 5 1 4 4 1 现场实验概述 5 1 4 4 2 压电薄膜传感器的安装 一5 1 4 4 3 现场标定 5 3 4 4 4 现场动态称重结果 5 4 4 5 本章小结 5 6 第五章结论与展望 5 7 5 1 论文的主要工作及结论 5 7 5 2 研究工作展望 5 8 v i 万方数据 插图清单 图1 1 澧河桥桥面坍塌 1 图1 2 武夷山公馆大桥坍塌 1 图1 3 津晋高速匝道桥倒塌 3 图1 4 哈尔滨群力高架桥倾覆 3 图1 5 压电薄膜轴传感器 7 图2 1p v d f 薄膜的两种晶体结构 1 3 图2 2 压电薄膜轴传感器的等效电路 1 6 图2 3 电荷放大器等效电路 1 6 图2 4 沥青路面温度对车辆称重结果的影响 1 9 图2 5 传感器安装在路面下时所采用的结构 2 1 图2 6 车辆的四分之一模型 2 2 图2 7 四分之一车辆模型受力分析 2 3 图2 8 不同速度的信号采集图 2 5 图3 1 正交异性桥面板易损位置 3 0 图3 2 横向影响线 3 0 图3 3 实验传感器布置图 3 2 图3 4l a b v i e w 程序结构 3 4 图3 5 系统工作流程示意 3 5 图3 6 软件设计流程 3 6 图3 7 软件界面截图 3 7 图3 8 软件程序部分截图 3 7 图4 1 传感器埋置图 3 9 图4 2 动态称重实验与采集装置 4 0 图4 3 模拟小车示意图 4 l 图4 4 某工况下小车前后轴通过传感器时的电压积分面积时程 4 3 图4 5 基于p v d f 压电传感器的动态称重 4 3 图4 6 相对误差分布 4 4 图4 7 轴距测量的相对误差 4 7 图4 8 车辆轴组类型 4 7 图4 9 车辆轮迹线位置相对误差 5 0 图4 1 0 西区二号路占川河桥实况图 5 1 图4 1 1 传感器开槽及安装 5 3 v i i 万方数据 图4 1 2 标定车辆 5 4 图4 1 3 程序运行主界面 5 5 图4 1 4 所测车辆数据相对误差 5 6 v i l l 万方数据 表格清单 表1 1w i m 系统的性能要求 4 表2 1 三种传感器的对比 1 2 表2 2 参考车辆轴重及相对标准偏差 2 0 表2 3 相同车辆不同速度的电压峰值 2 6 表2 4 相同车辆不同速度的电压信号积分 2 7 表4 1 工况一 4 1 表4 2 工况二 4 2 表4 3 工况三 4 2 表4 4 动态称重检测数据 4 4 表4 5 轴距测量 4 6 表4 6 汽车及挂车最大允许轴载 4 8 表4 7 车型分类 4 8 表4 8 实验测车辆轮迹线位置的数据 工况一 4 9 表4 9 实验测车辆轮迹线位置的数据 工况二 5 0 表4 1 0 西区二号路占川河桥概况表 5 1 表4 1 1 标定车辆的动态称重结果 5 4 表4 1 2 系统检测的车辆数据 5 5 i x 万方数据 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义 桥梁是联系城市交通的重要枢纽 是交通运输的咽喉 是保障交通通畅的重 要设施 对一个城市的发展有着不可替代的作用 但是随着越来越活跃的经济活 动 桥梁运输车辆的超限运输现象普遍 而且占相当高的比例 桥梁超限超载运 输是指在桥梁上行驶的各种机动车辆装载的货物尺寸及重量超过相关管理部门规 定的行为 据调查 l 德国超重车辆达5 0 而美国大型载货汽车超重比例高达 4 0 6 0 桥梁在长期的超限超载运输的影响下 其结构损伤会急剧增大 动力 冲击系数会增大 长期以往 将必定造成桥梁的疲劳破坏 减小了桥梁的使用寿 命 我国正处于经济快速发展的阶段 运输业的超限超载现象比国外发达国家都 要严重 超限超载运输造成的桥梁破坏也接二连三的发生 给国家造成了巨大的 经济损失 给社会造成了严重的负面影响 图1 1 为2 0 0 8 年1 2 日凌晨 一辆车牌 号为豫l 5 1 0 7 8 的重型拖挂车自南向北行驶上澧河桥时 该桥桥面突然发生坍塌 坍塌面长约2 8 5 米 宽约5 米 挂车掉入水中 该货车主车重达9 6 t 挂车载货量 约1 5 0 t 加上车身自重 总重为2 6 0 t 超重2 0 5 t 属于严重超载 图1 2 为2 0 1 1 年7 月1 4 日福建武夷山公馆大桥倒塌后的现场情况 长期的超载作用致使桥梁吊 杆严重疲劳 造成吊杆无法承重而断裂 导致桥面坍塌 图1 1 澧河桥桥面坍塌 f i g1 1l ir i v e rb r i d g ec o l l a p s e d 图1 2 武夷山公馆大桥坍塌 f i 9 1 2w u y im o u n t a i nv i l l ab r i d g ec o l l a p s e d 超限超载运输使运输效率和经济效益获得了巨大的提高 但却是以道路桥梁 的破坏为代价的 我国部分公路 桥梁已陷入了边建边修的怪圈 每年国家在为 新建道路桥梁投入千亿资金的同时 还要投入大量的人力 财力 物力对道路桥 梁进行维修和加固 武汉白沙洲大桥建设使用1 0 年之间维修了2 4 次 其原因就 万方数据 合肥工业大学硕 学位论文 是超载车辆太多 根据监测数据 白沙洲大桥日交通流量已超过7 万辆 大大超 出了日通行量 且货车比例偏高 超重车辆多 其中3 0 吨以上车辆约3 0 0 0 辆次 5 5 吨以上车辆约5 0 0 辆次 最重车辆达1 6 9 吨 最大轮压达3 4 吨 也就是说 每 小时有近3 0 0 辆次超重车辆经过白沙洲大桥过江 超载车辆在危害桥梁使用寿命的同时 对自身的行车安全的影响也不可忽视 首先 很多超载车辆都通过改装车身 轮胎和后桥的手段来加大装载能力的 这 就为行车的安全埋下了隐患 其次 超载超过了车辆的最大负荷 使车辆轮胎 发动机 转向盘 刹车阀等的压力都加大 在上坡或者下坡的时候 车辆的机械 性和稳定性都会受到极大的影响 引发爆胎 断轴 失灵等情况 超载车辆在遇 到道路颠簸 夜间行驶等情况的时候 更易引发恶性交通事故 据统计货车超载 肇事事故占交通事故总数的3 0 占货车交通事故总数的5 5 以上 除此之外 超载车辆的车速一般都比较低 有的甚至不足4 0 k m h 由于走不 快 且超载车的车体较大 影响后来车辆的通行 常常导致交通堵塞 使公路桥 梁的使用效率大大降低 其次 超载车辆减少了车辆的运输成本 在短期内能增 加收入 但却缩短了车辆的使用寿命 提高了车辆的吨位折旧成本 造成了运营 成本的增加 同时造成车辆 大吨小标 泛滥 再者 车辆发动机在遭受超载压力的 同时势必会增大功率 这将这将产生更严重的噪声 振动 空气污染等环境问题 影响人民的正常生活 使社会整体综合效益受到不良影响 综上所述 超限超载车辆对公路桥梁寿命 交通安全 环境以及社会效益都 有恶劣影响 交通部门对车辆的治超治限工作刻不容缓 动态称重的研究给公路 桥梁的治超治限执法提供了有效地手段 桥梁设计中 是以规范规定的汽车荷载对桥梁上的车辆作用进行计算 但随 着经济的发展 桥梁上通行的实际交通量往往超过设计时所采用的汽车荷载 而 且不同地区的交通量有着很大区别 规范中所规定的汽车荷载己逐渐无法满足实 际的应用需要 特别是在交通量大 超限超载严重的地区 研究动态称重 以实 现对桥梁上真实交通数据的调查 对不断完善桥梁设计规范具有重要的意义 同 时还可为工程师在针对不同地区做桥梁设计时提供最可靠的数据支持 车辆在桥面上行驶时 特别是超载车辆 其在桥面的横向位置的分布对桥梁 的影响也非常大 横向位置的不同 导致桥梁各部分受力产生变化 在长期的累 积作用下桥梁易发生局部破坏 严重时则会导致桥梁倾塌 例如 2 0 0 9 年天津 7 1 5 津晋高速匝道桥倒塌事故直接原因是在单车道的a 匝道桥上 为避让前方逆行车 辆 3 辆严重超载车辆密集停置并偏离行车道 形成巨大偏载 导致桥梁梁体向右 侧倾斜而引起桥梁倒塌 2 0 1 2 年8 月2 4 日 4 台超载货车由南向北驶入哈尔滨三 环路群力高架桥洪湖路上行分离式匝道 在上行匝道同时集中靠右侧行驶 造成 万方数据 第一章绪论 三环路群力高架桥洪湖路上行匝道向东倾覆 如图1 3 和1 4 所示 因此 监测车 辆在桥梁上的横向位置对桥梁的健康监测有着其不可忽视的地位 除此之外 判断一辆车是否超载 需要知道这辆车的车型 核对其吨位 也 是必不可少的 了解当前公路桥梁上行驶车辆的车型组成 轴载谱 车辆横向位置的分布以 及超重程度 便于交通部门分析超重车辆已对结构造成的损伤 以及估算需增加 的建设投资 并依此制定相应的管理措施和管理法规 因此 研究一种车辆的动 态称重系统 并同时监测车流组成以及其横向位置等信息 已成为势不可挡的发 展趋势 图1 3 津晋高速匝道桥倒塌 f i 9 1 3r a m pb r i d g ei nj i n j i nh i g h w a y c o l l a p s e d 图1 4 哈尔滨群力高架桥倾覆 f i g1 4q u n l iv i a d u c to v e r t u r n e d i nh a r b i n 1 2 动态称重国内外研究现状 1 2 1 动态称重 w e i g h t i n m o t i o n w i m 动态称重 w e i g h t i n m o t i o n w i m 是指通过测量和分析一辆运动中的车辆 轮胎动态力计算相应的静态车辆重量的过程 在动态称重出现之前 所有的车辆 称重都是在静止状态下进行的 静态车辆称量是最准确的称重方法 作用在车辆 轮胎上的力正好与静态车辆向下的地心引力相等 并通过检测元件 如传感器 检测出来 但是 这种静态称重的方法无法测量车辆的单个轴重 且需要设置专 门的场地和称重站 受地形限制 在有些弯道及坡度大的匝道收费站没办法安装 而且由于静态称重规模大 引人注目 超载车辆往往以绕道的方式躲避称重检查 澳大利亚实测结果表n 1 2 1 在一条路上 同时安装永久式称重站和动态称重装置 其测出来的超载车辆分别为o 5 和3 0 动态称重有明显的优势 而且 静态称 重时 过车速度比原来降低 前车驶离秤台后车才能进道 降低了车道通行效率 动态称重可以在不影响正常交通的情况下 完成对车辆称重的检测 其称重 效率高 节省了检测的时间 这对交通管理部门有着极其重要的意义 同时还可 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 得到车辆速度 轴重 轴距 横向位置等信息 便于交通数据的统计 实现了对 通行车辆的实时监测 为交通部门对通行车辆的管理提供了数据支持 避免了大 量人员投入 以及可能引起的交通阻塞 鉴于用户需求和现行技术状况 1 9 9 0 年 德克萨斯大学起草了a s t me 1 3 1 8 标准 3 该标准通过美国试验及材料协会 a s t m 标准委员的认定 从历年来公 布的标准对比来看 提高动态称重系统的称量精度是一件具有挑战性的工作 表 1 1 给出了a s t me 1 3 1 8 9 4 对各种w i m 系统的称量精度的要求 表1 1w i m 系统的性能要求 t a b l e1 1p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ew i ms y s t e m i 类 固定式系统 用于交通数据采集 适用车速1 6 k m h l1 3 k m h i i 类 移动式系统 用于交通数据采集 适用车速1 6 k m h 11 3 h n h i i i 类 用于测重站 用以识别可能的超重车辆 即辅助实旌限重法规 适用车速 2 4 k m h 8 0 k m h i v 类 用于测重站 用以识别超重车辆实施限重法规 适用车速0 k m h 1 6 k m h 1 2 2 国内外的研究历史 国外发达国家在动态称重方面的研究要比我国早很多 早在上个世纪5 0 年代 美国 英国 日本 加拿大 瑞士等国家便意识到车辆超载给公路桥梁带来的严 重危害 开始了对车辆动态称重系统进行研究 在多国学者的共同努力下 取得 了一系列的研究成果 到本世纪 动态称重技术已逐渐成熟 更多的研究方向是 在提高动态称重的精度上 美国是世界上最早对动态称重开始研究的国家 之后各国相继开始 6 1 1 9 6 8 年 南非获取第一个电容式动态称重传感器专利 同年西德p a t 公司对平板式动 态称重展开研究 1 9 7 4 年 美国首次在车辆载荷研究中使用动态称重系统 同年 法国取得了一项压电缆动态车辆称重器的专利 v i b r a c o a x 这期间 美国的s t r e e t e 英国的g o l d e n r i v e r 公司对电容式动态称重进行了深入的研究 在南非专利的基础 上 增加了先进的电子技术 是使电容式动态称重取得了较大的发展 1 9 8 3 年 4 万方数据 第一章绪论 v i h a c 幻a x 动态称重系统在法国首次投入使用 同年9 月 美国联邦公路管理总署 f h w a 提议研究 f 氐成本动态车辆称重系统 动态称重系统中开始运用压电薄膜 材料 1 9 8 4 年 美国开始推广使用动态称重系统 并在其3 6 个州安装了该系统 1 9 8 8 年 7 1 英国研制出一种新型称重压电传感器v i b e t e k s 性能优于v i b r a e o a x 1 9 9 1 年改型为v i b e t e k 2 0 1 9 9 0 年 在美国举行的 国际交通数据采集技术会议 上 西德p a t 公司展示了基于压电缆 压电膜以及电容技术的多种低成本动态称 重系统 但平板式传感器的性能最为理想 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 2 0 世纪9 0 年代问 欧盟高速公路协会启动了w a v e w e i g h i n gi nm o t i o no f a x l ea n d v 出c l e so f e u r o p e t 程 从1 9 9 7 年6 月至1 9 9 8 年 6 月在瑞士严寒的气候条件下 对多种w i m 系统进行了测试 结果表明 德国p a t 公司 瑞士k i s t l e r 公司 英国t d c 公司以及美国m i k r o s 等公司的产品在性能和 系统的稳定性方面均处于较高的水平 2 0 0 0 年 美国m s i 公司开发了共聚物压电 传感器 可用于交通数据的调查 这些数据包括车辆重量 车轴负载 交通流量 和车辆速度 动态称重系统的形式各异 但综合来看 目前的单轴称重误差在士5 0 吐3 0 范 围内 相应置信度为9 0 或9 5 最好的w i m 系统单轴误差可以低于土5 0 但 成本过高 而且仅适用于低速场合 现阶段 国外发达国家均把研究低成本高精 度的动态称重系统视为主要的研究方向 相比于发达国家 我国对w i m 系统的研究起步较晚 在推广使用方面也较为 落后 1 9 8 7 年i s a 我国第一个针对公路车辆超限超载条例 中华人民共和国公路 管理条例 颁发 有关交通部门和相关学者才开始重视对称重系统的研究 七五 期间 我国开始引进国外有关称重系统的先进技术和产品 同时也开展自主研究 并取得了一系列的成果 八五 期间 重庆公路科学研究所研发了我国第一台固定 式动态称重系统 该系统由两部分组成 一套称重传感器以及一台电子测量仪器 此套系统的轴重称重精度在9 5 的置信度下能达到士1 0 1 9 9 4 年 国际交通自动 化技术会议在中国举行 我国学者就关于s m 2 0 0 0 型i 类动态称重系统研制成功 发表了论文 该系统称重精度为士1 0 置信度为9 0 1 9 9 9 年 德国p a t 公司的 动态称重产品开始进入我国市场 云南航天新技术有限公司开始学习并引进其技 术 国家技术监督局于同年8 月为该公司颁发了 计量器具型式批准证书 2 0 0 5 年 清华同方研制了一种既具有静态称重能力又具有动态称重能力的系统 简称 为清华同方公路动态称重系统 车辆匀速通过称台时 该系统可满足0 5 k m h 小 于士1 5 2 0 k m h 小于士2 0 2 0 5 0 k m h 小于士5 的动态称量误差要求 安徽省 合宁高速路段安装的就是这套系统 近年来 国内对动态称重技术的研究发展迅速 已初步形成了一定的技术基 万方数据 合肥工业大学硕士学位论文 础 但是与国外相比 产品的应用还没完全成熟 系统的精度和允许通过车辆的 行驶速度方面还有很大的进步空间 随着我国经济的不断发展和科研实力的不断 增强 动态称重系统的市场需求量也越来越大 在公路自动化交通调查 称重收 费 轴载检测 限重执法等领域发挥越来越重要的作用 1 2 3 动态称重系统的对比 动态称重系统是用一组安装的传感器和含有软件的电子仪器 来测量动态轮 胎力和车辆通过时间并提供计算轮重 轴重 总重 如车速 轴距等 的数据 因此 传感器的不同 则动态称重系统的造价 精度 适用范围等等均不相同 随着桥梁健康监测技术的发展 对车辆荷载的准确输入要求越来越高 动态称重 技术给其提供了一个好的技术试验手段 目前可用于动态称重系统的传感器元件 大致有三类 他们分别是应变式 电容式和压电式 l 应变式 车辆通过时通过应变片检测称体的受力变形来进行动态称重 即为应变式称 重器1 1 0 l 基于应变式的称重仪大致分为弯板式 剪切梁式以及称台式 称台式和 剪切梁式主要用于静态 在动态称重中主要使用比较成熟的弯板式动态称重仪 其称重方式是在一块弹性平板上粘贴电阻应变片 当汽车轮胎经过铺设在路面上 的平板时 平板受到轮胎压力而发生变形 导致电阻值变化 从而可以电阻值的 变化反推汽车轮胎压力 汽车的总重量为所有轮胎压力之和 基于电阻应变片的弯板式动态称重仪的优点 1 测量速度快 灵敏度高 2 性能可靠 稳定 弯板称重仪的缺点是 1 维护工作量大 当车辆通过弯板称体与水泥 沥 青 结合部位时 路面易出现损坏现象 产生的振动也将影响称重精度 在车流 量较大的时候 维护次数更多 2 安装弯板的路面开挖量大 3 与压电传感 器相比 弯板式称重仪在相同的使用期限内需要标定的次数更多 4 工作温度 低 一般为o 4 0 输出信号小 且价格比较昂贵 2 电容式 u 基于电容式的动态称重系统由两块或者多块导体板组成 各导体板带有等量 异号电荷 电容器两极板之间充有不导电的电介质 车辆荷载变化引起导体板间 距发生变化 从而将车辆荷载转变为电容值 利用电容测量线路将电容以电压的 形式输出 以测量的电压的大小推算电容值 再得到相应的车辆荷载 基于电容式的动态称重仪优点 1 灵敏度高 可获得较大的变化量 从而 具有较高的信噪比和系统稳定性 2 结构简单 适应性强 可在高低温等恶劣 的环境下工作 缺点为 1 受电磁干扰明显 2 电容器内填充介质易变形 需定期校正 6 万方数据 第一章绪论 3 压电式 1 2 1 3 j 基于压电式的称重原理为 当压电材料上作用力时 会输出电荷或电压 而 电荷和电压与施加的力相关 当汽车轮胎从放在公路上的压电传感器经过时 压 电传感器将捕获轮胎施加的压力 而通过测量来自压电传感器的电荷或电压 可 推算汽车轮胎压力 基于压电的动态称重仪优点有 1 原理简单 成本低 体积小 易搬运 2 结构简单 安装方便 3 路面开挖小 路面的平整度变化通常较小 维护工作 量少 节省材料 缺点有 1 压电传感器的灵敏度随着使用时间会有些变化 要定期对灵敏 度进行校正 2 称重仪在低速的时候误差较大 具体来说 压电式交通传感器是电容式传感器的一种 但与一般电容式传感 器相比 其体积小易于安装 安装时开完面积小 相比于应变式 压电传感器的 施工难度小 使用寿命长 经济成本较低 其次 多个压电传感器配合使用 还可同时精确测出车辆的速度 轴距 轴 数 单个轴重 轮重 车辆的横向位置 并能判断出车辆的车型 这对交通数据 的调查统计非常重要 也是各国在动态称重方面着重研究的一大方向 图1 5 压电溥膜轴传感器 f i g1 5p v d fs e n s o r s 综合三种传感器的优缺点 以压电式传感器为元件 开发一套动态称重系统 在保证称重精度的同时判断车型 分析车辆的横向位置以及车辆其他信息 成为 开发动态称重的一种新思路 1 3 论文主要工作 常规的路面式动态称重系统 如p a t 板式动态称重系统 一般只是得到车辆 速度 轴重 总重 轴距等车辆信息 无法得到轮迹线横向位置 鉴于压电传感 器在动态称重方面有着广泛的应用前景 本文以压电薄膜轴传感器为压电元件 万方数据 合j l 一 i 业大学硕士学位论文 通过合理设计传感器的布设方式 即首次采用三根传感器以 n 形布设在车道中 研发了一套可检测车辆轮迹线横向位置的动态称重系统 基于l a b v i e w 的编程平 台 设计了系统的分析软件 不仅可以提高动态称重测量精度 还可实现对车辆 轮迹线横向位置的检测 可为交通部门对交通数据的调查提供一种新的简单实用 的方法 论文结构和主要研究工作如下 第一章绪论 结合我国超限超载运输和实际交通量的现状 以及国内外对动 态称重的研究现状 确定了论文的研究方向和研究内容 第二章压电传感器的介绍 根据压电材料的不同分别介绍了压电石英传感器 压电陶瓷传感器以及压电薄膜轴传感器的优缺点 比较后确定采用适于用于动态 称重系统的压电薄膜轴传感器 并介绍了传感器在温度 湿度 横向灵敏度 电 缆噪声以及接地回路噪声等方面的抗干扰问题 在从理论方面分析基于p v d f 传 感器的动态称重系统的称重原理及影响因素 研究确定了动态称重系统的算法问 题 第三章介绍了车辆轮迹线横向位置研究的意义以及传统的检测方式所存在的 问题 设计了传感器的布设方式 研发了一套可检测车辆轮迹线横向位置的动态 称重系统 即在提高动态称重结果的同时 实现对轮迹线横向位置的检测 以 l a b v i e w 的汇编语言 完成了系统的软件设计 对采集到的信号 能完成车辆速度 轴重 总重 轴距 轮迹线横向位置的分析计算 第四章针对研发的可检测车辆轮迹线横向位置的动态称重系统 在实验室室 内设计了实验方案 采用实验室实验验证了所研发的动态称重系统和系统算法的 可行性 以黄山市西区二号路占川河桥为背景 进行了现场实验验证所研发的压 电薄膜轴动态称重系统 并详细讨论了压电薄膜轴动态称重系统现场安装所应该 注意的问题 第五章是结论与展望 是全文的总结 简要阐述了本文所完成的主要工作 总结出了基于压电薄膜轴传感器的动态称重系统的优点以及目前所存在的不足 并对后续研究的方向作一展望 8 万方数据 第二章p v d f 传感器的称重原理 第二章压电薄膜轴传感器的称重原理 压电传感器是根据压电材料制成的 压电材料能够实现电能与机械能的相互 转化 基于压电材料的这一性能 并且具有价格低廉 制作简单 灵敏度高等一 系列优点 其在电学 声学 热学等领域应用广泛 材料所具有的压电特性称为 压电效应 并被分为两种类型 正压电效应和逆压电效应 某些压电材料 在一点方向上受到外来压力时 材料会发生变形 其内部结 构会发生极化现象 同时材料的某些表面会有电荷堆积 当外力撤销后 材料又 会回到不带电的状态 这种将机械能转变成电能的现象称为正压电效应 情况相 反时 即在压电材料的极化方向上旌加外加电场 材料将发生机械变形 当外加 电场撤销后 材料的变形随之消失 这种将电能转化成机械能的现