基于粘貼式應(yīng)變傳感器的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)

陳廣華 鞠 娜 楊 飛 李建偉

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京 100044)

基于粘貼式應(yīng)變傳感器的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)

陳廣華 鞠 娜 楊 飛 李建偉

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院,北京 100044)

針對車輛超載運(yùn)輸,深入研究了車載稱重技術(shù),設(shè)計(jì)了基于車載稱重裝置的短消息技術(shù)的車輛超載監(jiān)測系統(tǒng).利用安裝在汽車鋼板彈簧上的粘貼式應(yīng)變傳感器測量車輛鋼板彈簧承受的載荷信息,計(jì)算顯示車輛總載荷,在車輛超載的情況下車輛超載監(jiān)測裝置啟動車載短消息終端以短消息形式發(fā)送超載信息,并將數(shù)據(jù)提供給相關(guān)部門.系統(tǒng)經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證,能夠準(zhǔn)確地檢測出車輛的載重狀態(tài),可用于交通部門和路政部門對載重車輛進(jìn)行收費(fèi)、管理和處罰.

應(yīng)變傳感器;超載;單片機(jī);鋼板彈簧;監(jiān)測系統(tǒng)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,我國公路運(yùn)輸中的超載超限問題也凸顯出來,超載超限問題已成為危及人民群眾生命安全和國家財(cái)產(chǎn)安全,影響社會經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)、健康發(fā)展的一個(gè)突出社會問題.車輛稱重技術(shù)的落后使得治理車輛超載的效果一直不顯著.因此提高車輛稱重技術(shù)成為了解決這一問題的關(guān)鍵[1-3].

本文利用鋼板彈簧懸架的變形量與車輛載重的對應(yīng)關(guān)系,獲得在車輛正常行駛情況下的載重信息.設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式系統(tǒng)和粘貼式應(yīng)變傳感器的車輛超載動態(tài)監(jiān)測裝置.在車輛自由運(yùn)行的過程中,檢測車輛的載重情況.并利用 SMS(Short Messaging Service)技術(shù),實(shí)現(xiàn)車輛身份信息和超載信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測[4-7].

1 車輛載重監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

基于 AT89C52單片機(jī),采集車身浮動辨識電路輸出的開關(guān)量及加速度傳感器信號,判斷車輛運(yùn)動狀態(tài).當(dāng)車廂浮動正常并且車輛勻速行駛時(shí),由應(yīng)變傳感器采集 4路載重信息,經(jīng)單片機(jī)處理后存儲車輛載重信息并將其顯示在液晶顯示屏上,每隔30s刷新一次,當(dāng)車體振動幅度超過預(yù)設(shè)值或非勻速行駛時(shí),通過軟件實(shí)現(xiàn)上次采樣信息的 5s延時(shí),間隔 5 s重新檢測車輛運(yùn)行狀態(tài).車輛持續(xù)超載時(shí),SMS通信裝置將車輛信息以及超載信息以短消息形式發(fā)送給管理中心,管理中心監(jiān)視車輛超載情況,并把數(shù)據(jù)提供給相關(guān)部門,系統(tǒng)構(gòu)成如圖 1所示.

圖 1 車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由傳感器組、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)信息處理單元及 GSM通信模塊[8]構(gòu)成.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2所示.

圖 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 稱重傳感器的研制

傳感器組包括加速度傳感器,車廂浮動繼電器和稱重傳感器.加速度傳感器和車廂浮動繼電器采用普通市售傳感器即可滿足要求,主要是用來檢測車輛的加速度和車廂浮動情況,以消除車輛振動和重心移動對檢測結(jié)果造成的影響,避免產(chǎn)生沖擊干擾.稱重傳感器用來檢測車體的載重,采用應(yīng)變片電阻粘貼的方法實(shí)現(xiàn),需要自行研制,下面介紹其檢測原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).

2.1.1 粘貼式應(yīng)變傳感器檢測原理[9]

目前廣泛應(yīng)用的稱重傳感器都是利用地球的重力作用,檢測物體的重力在垂直方向上造成的承重物應(yīng)變來計(jì)算出物體的質(zhì)量.本文設(shè)計(jì)的粘貼式應(yīng)變傳感器粘貼在鋼板彈簧表面,傳感器可以通過檢測鋼板彈簧表面應(yīng)變測得鋼板彈簧的簧載質(zhì)量.

由于鋼板彈簧弦長的變化與板簧承載量成線性關(guān)系.由微積分原理可知,鋼板彈簧中的一固定小段 AB的長度變化也與板簧承載量成線性關(guān)系.因此,可以通過檢測 AB的長度變化得到車輛的載重信息.

本文用電阻應(yīng)變片檢測 AB段的長度變化.電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng),即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí),其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化,即“應(yīng)變效應(yīng)”.電阻應(yīng)變效應(yīng)的理論公式[10]如下:

式中,ρ為電阻率,Ω·mm2/m;L為金屬絲的長度,m;S為金屬絲的截面積,mm2.

由式(1)可知,金屬絲在承受應(yīng)力而發(fā)生機(jī)械變形的過程中,ρ,L,S三者都要發(fā)生變化,從而必然引起金屬絲電阻值的變化.當(dāng)受外力伸張時(shí),長度增加,截面積減小,電阻值增加;當(dāng)受壓力縮短時(shí),長度減小,截面積增大,電阻值減小.因此,只要能測出電阻值的變化,便可知金屬絲的應(yīng)變情況,這種轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中,R為金屬絲電阻值的變化量;K0為金屬材料的應(yīng)變靈敏系數(shù),主要由實(shí)驗(yàn)方法確定,且在彈性極限內(nèi)基本為常數(shù)值;ε為金屬材料的軸向應(yīng)變值,即 ε=ΔL/L,因此又稱 ε為長度應(yīng)變值,對金屬絲而言,其值在 0.24～0.40之間.

由式(2)可知,當(dāng)鋼板彈簧表面受外力作用時(shí),就會產(chǎn)生微小機(jī)械變形,粘貼在其表面上的應(yīng)變片也隨之發(fā)生相同的變化,同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化.這樣,電阻應(yīng)變片就將力學(xué)量轉(zhuǎn)換成了電阻的變化量輸出.

由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小,要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來,就要把電阻相對變化 ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓的變化,本文采用直流恒壓電橋測量電路來實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)換.應(yīng)變電橋 AC兩端接直流電源,BD兩端為電橋輸出端,應(yīng)變電橋如圖 3所示.

車輛承載后,鋼板彈簧的變形導(dǎo)致粘貼在彈簧表面的傳感器變形,傳感器中的應(yīng)變片受力變形.其中橋臂電阻 R1,R4受壓應(yīng)變,R2,R3受拉應(yīng)變.根據(jù)全橋差動電路的原理,應(yīng)變電橋輸出電壓為

圖 3 應(yīng)變電橋

本設(shè)計(jì)中,應(yīng)變電橋中所用應(yīng)變片的型號相同,則有

應(yīng)變片受力變形時(shí),一般有

則有

系統(tǒng)通過檢測 ΔU的變化,則可間接檢測車體載重量[10].由于應(yīng)變片機(jī)械變形量很小,所以ΔU值非常小,需要經(jīng)過放大處理才能將信號進(jìn)行 AD轉(zhuǎn)換,進(jìn)入微處理器進(jìn)行處理.放大功能由高精度儀表專用放大器 AD620實(shí)現(xiàn)[11].電路原理如圖 4所示.

圖 4 放大電路原理圖

2.1.2 AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

稱重傳感器由彈性基底、電阻應(yīng)變片、信號調(diào)理電路和保護(hù)層組成[9].其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖 5 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

基底采用彈性橡膠制成,它應(yīng)具有良好的彈性特性、足夠的精度和穩(wěn)定性,在長期使用中和溫度變化時(shí),都應(yīng)保持穩(wěn)定的特性.本文選用 CGF2462P硫化橡膠制成彈性基座,基座厚度為4mm,彈性模量為 7.84MPa,保護(hù)層為硅膠涂覆層.應(yīng)變片型號為 BE(BA)350-6AA,按照電橋的要求對稱貼在基底上.

使用時(shí)先用四氯化碳清除鋼板彈簧表面油污,并用 0號砂布打磨除銹并用溶液進(jìn)行清洗,然后將傳感器粘貼在鋼板彈簧表面[12].

2.1.3 汽車鋼板彈簧應(yīng)變與荷重關(guān)系分析

該傳感器的制作選用具有 20%變形量的應(yīng)變片,一般鋼板彈簧的最大變形量小于 20%,在本文選用的應(yīng)變片測量范圍之內(nèi).

對于特定的鋼板彈簧,其剛度系數(shù)、彎曲跨距和板簧厚度都是固定值,汽車載荷重量和鋼板彈簧應(yīng)變的關(guān)系為

式中,α為鋼板彈簧相關(guān)系數(shù),由鋼板彈簧厚度、剛度和彎曲跨距決定;Δε為鋼板彈簧表面應(yīng)變;k為鋼板彈簧剛度,N/mm;l為鋼板彈簧跨距,mm;h為鋼板彈簧厚度,mm;g為重力加速度.

2.2 信號處理電路設(shè)計(jì)

信號處理電路包括穩(wěn)壓電源、信號調(diào)理與采集、傳感器測試、微控制器、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示和超載報(bào)警模塊.

信號調(diào)理部分完成對應(yīng)變片傳感器檢測到的微弱電壓進(jìn)行放大、整形、濾波.經(jīng)過調(diào)理的電壓信號由 ADC0809實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,ADC0809是 8位逐次逼進(jìn)型轉(zhuǎn)換芯片,具有 8路輸入,轉(zhuǎn)換速度為100μs,轉(zhuǎn)換精度滿足要求.微處理器采用低電壓、高性能 CMOS 8位 AT89C52單片機(jī),片內(nèi)含8KB的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲器和256字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器,片內(nèi)置通用 8位中央處理器和 Flash存儲單元.單片機(jī)將采集到的車輛載重信息進(jìn)行處理,將其處理結(jié)果在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示,當(dāng)車輛超載時(shí)啟動聲光報(bào)警并通過短消息發(fā)送到車輛超載監(jiān)測管理平臺.

2.2.1 AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)采集

信號調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱信號轉(zhuǎn)化成了 1～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號,但是,CPU接收和處理這些信號,還要通過 AD轉(zhuǎn)換.本文采用 ADC0809實(shí)現(xiàn) AD轉(zhuǎn)換功能.ADC0809與 CPU的接口電路如圖 6所示.

2.2.2 液晶顯示

本文采用串口方式控制,YLF12232與微控制器的接口方式如圖 7所示.

圖 6 ADC0809接口電路

圖 7 YLF12232接口電路

YLF12232F液晶顯示器是一種內(nèi)置 8 192個(gè)16×16點(diǎn)漢字庫和 128個(gè) 16×8點(diǎn) ASCII字符集圖形點(diǎn)陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及 128×32全點(diǎn)陣液晶顯示器組成.可完成圖形顯示,也可以顯示 7.5×2個(gè)(16×16點(diǎn)陣)漢字,與外部 CPU接口采用并行或串行方式控制.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示和超載報(bào)警工作.程序采用 C51語言編寫[13].

監(jiān)測主程序包括系統(tǒng)自檢、信號采集與處理、顯示報(bào)警及短消息發(fā)送.針對車輛振動的干擾,可以采用延時(shí)與車輛運(yùn)行狀態(tài)檢測結(jié)合的方式解決.監(jiān)測主程序流程如圖 8.

圖 8 監(jiān)測程序流程圖

4 系統(tǒng)試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)測試

以北汽福田車輛股份有限公司 BJ1046V8JD6輕型載貨汽車進(jìn)行系統(tǒng)測試,其額定載重為1.5 t,采用250kg沙袋為載重單位,對系統(tǒng)進(jìn)行測試,從而評估該系統(tǒng)的性能.

實(shí)驗(yàn)過程中,車輛在平整路面上以 20 km/h的速度行使,在車輛上不斷加載沙袋,將液晶顯示屏上顯示的車輛實(shí)際載荷、前軸靜態(tài)載荷、后軸靜態(tài)載荷、總靜態(tài)載荷及管理平臺顯示的車輛超載情況如表 1所示.

表 1 測試數(shù)據(jù) t

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差分析可以看出,車輛載重量在額定載重附近時(shí),檢測精度最高,隨著載重量偏離額定載重,檢測精度降低.

系統(tǒng)經(jīng)過多次測試,測量誤差均在 2%內(nèi),滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度要求.

5 結(jié) 論

車輛超載監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了車輛超載監(jiān)測裝置,完成了傳感器組、車載主控單元和車載短消息終端的軟硬件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了車輛超載動態(tài)監(jiān)測管理平臺,完成了短消息收發(fā)的設(shè)計(jì).

車輛載重監(jiān)測系統(tǒng)已研制出樣機(jī),實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用效果良好.實(shí)踐證明,該系統(tǒng)可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),能適應(yīng)車輛運(yùn)行的惡劣環(huán)境;系統(tǒng)安裝方便,操作簡單易行,安裝后不會改變車輛平穩(wěn)性能;實(shí)現(xiàn)車輛載重的動態(tài)全程監(jiān)測;檢測精度高,能夠準(zhǔn)確地反映車輛的載重狀態(tài),可用于交通部門和路政部門對載重車輛進(jìn)行收費(fèi)、管理和處罰,從而有利于治理超載超限,營造一個(gè)良好的物流環(huán)境.該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛的智能管理,具有廣泛的應(yīng)用前景.

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(編 輯:趙海容)

Monitoring system for vehicle overloading base on paste-type strain sensor

Chen Guanghua Ju Na Yang Fei Li Jianwei

(School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

The on-board weighing technology was studied for the overloading of vehicle.A monitoring system was designed for overloading based on the on-board weighing device and short message technology.The system used paste-type strain sensor that installed in vehicle's leaf spring to obtain load on the leaf spring and then calculated and displayed the total load of vehicle.When vehicle is overloaded the monitoring device control on-board short message terminals to send a short message of overloading,also it provided data to the relevant departments.The system can accurately detect the vehicle load after repeated verification,which can be used for the departments of transportation and highways to charge,manage and punish the loading vehicle.

strain sensor;overloading;single chip;leaf spring;monitoring system

U 46;TH 7

A

1001-5965(2011)04-0409-06

2010-01-14

陳廣華(1966-),女,天津?qū)氎嫒?高級工程師,ghchen1@bjtu.edu.cn.