集成化應變稱重系統研究與應用

路新一

(太原理工大學物理學院,山西長治 046000)

集成化應變稱重系統研究與應用

路新一

(太原理工大學物理學院,山西長治 046000)

根據震動的瞬時非線性特點,提出采用振動信號的本征模函數對實測信號進行特征頻帶識別。根據壓力彈性傳感器分布,確定應變片的的分布區和具體位置,組成差動全橋電路,提高了偏載精度。對提取后的信號進行計算后能得到準確的軸重值。

動態稱重 信號處理 集成化稱重板 頻率響應

因貨運卡車超載而導致公路路面嚴重損壞的報道經常見諸報端,在國內存在礦產資源的地方在某些國道主干線以及主要承載大宗貨物運輸的公路上,車輛超載運輸對路橋基礎、交通安全設施造成了極大的危害。50%的特大交通事故與超載有直接關系,70%的道路安全事故是由于車輛超載引發的。針對日益嚴重的公路車輛超載狀況,交通部2000年以2號令形式頒布了《超限運輸車輛行駛公路管理規定》,對超載現象進行治理。

目前獲取車輛重量信號的常用動態稱重傳感器主要有:壓電薄膜式、電容式和彎曲盤式。本項目旨在研制一種通過車輪將重量傳遞給稱重裝置,高精度動態稱重。可置于任意路面,操作簡單、便于稽查、隨時測量。集成化應變稱重系統是動態稱重系統的核心部分,其中動態響應、偏載精度特性直接決定整個動態稱重系統的工作性能與測量精度。

該集成化動態稱重儀的設計要求有:(1)輪胎作用在稱重儀上時,應變片測量區的所有應變總和誤差控制在允許的1%內。(2)能通過測量分析動態車輪作用力,估算出車輛的車速、質量等。(3)有一定的超載冗余度。

1 集成化動態稱重儀設計

圖1

圖2

集成化稱重儀的工作原理,是通過傳感器彈性變形將載荷檢測出來,再通過數據采集卡采集信號,將采集后的信號送至處理器TMS320處理,最后顯示車輛的靜態載荷。該稱重系統采取雙通道數據采集。稱重板傳感器也是彈性元件,對傳感器應變產生的電壓信號進行采集,材料的選擇對測量精度有著重要的影響,同時要對稱重儀的高度作要求,以減少高度引起的靜態質量誤差。

設計系統如圖1所示。其中核心處理器TMS320,采用新的C54X+CPU,擁有40位算術邏輯運算單元,其17*17位并行乘法器與40位專用加法器相連,非常適合數據吞吐量大的動態稱重系統。芯片上集成有一個12位ADS,具有16通道復用輸入接口,最快轉換周期位60ns。其串口支持16級接受和發送FIF0,有一個16位波特率選擇寄存器,靈活性極大。AD/DA轉換選擇轉換速度快、精度高的數模轉換芯片AD7714。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

表1

電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理:彈性體在外力作用下產生彈性形變,使黏貼在它表面的電阻應變片也隨之產生形變,電阻應變片形變后,它的阻值將發生變化,再經相應的測量電路把這一電阻變化轉化為電信號,從而完成將外力轉化為電信號的過程。

實際集成化成中班的幾何模型如圖2所示,在底板的開槽處黏貼應變片并且通過合理的組橋就可以形成集成化動態稱重系統。

在稱重板的開槽區域采用集中貼片,兩應變片串聯作為差動全橋的1個橋臂,4個橋臂組成差動全橋電路,如圖3。

此方案可明顯提高貼片的準確率,并能有效降低偏載影響程度。采用這種組橋方式可提高集成化稱重板的線性應變,不必保證受拉應變與受壓應變變化相同,靈敏度比單臂變化量提高4倍,且消除了溫度效應。在設計中為了使負荷得到平衡和很好的緩沖,在集成化稱重板剛性支承處裝有彈性緩沖裝置,彈性支撐點分別與相應的應變區組成相應的獨立電橋,這樣可以起到補償電路的作用,從而進一步降低偏載的影響程度。

2 信號處理

EMD是1998年提出的基于經驗的模態分解方法。該方法認為,任何信號都是由不同的固有模式函數IMF的合成,因此可以將信號中的各階IMF分解出來。把復雜信號函數分解為有限的內稟模態函數之和,每一階IMF是隨信號本身變化而變化的,而殘余量反映了信號的偏移量或穩態值。

每一階段的IFM有如下方法篩選到:

(1)對于要分解的信號y(t),找出y(t)上所有的極值點,用線條將所有的局部極值連接起來形成包絡曲線,確保所有的點在上下包絡曲線之間。定義上下包絡曲線的均值為x(t)。y(t)與 x(t)的差定義為z(t)。如果h(t)滿足以下兩個條件:①在任一點處上下包絡曲線的的均值為零;②極值點的個數與穿越零點的次數相等。如果結果不滿足上述條件,則重新進行篩選,直到選出符合條件的z(t)。

(2)假定得到滿足要求的z(t),設定第一階段的IMF分量為g(t)。然后將y(t)與g(t)的差h(t)作為新的信號重新作上述處理,得到第二階段的IMF分量。

根據這個思路將EMD用于軸重信號處理,濾除信號中的動態部分,而求出與真實軸重信號吻合的穩態部分。

根據EMD方法原理,首先要確定采樣信號中軸重信號的范圍,原始采樣信號范圍如圖4所示。信號從零上升到第一個極大值點到最后一個極大值點回到到零點反映了載荷從接觸稱重儀到進入稱重儀,最后脫離稱重儀的過程。由于篩選采樣過程中的有效信號為載荷有效通過動態稱重儀時觸發的信號,故對采集信號進行截取,得到有要的處理信號,如圖5所示。

采用EMD方法對被處理信號進行分解,有MATLAB中編寫M函數,如圖6所示。以車速為4.95km/h為例進行EMD分解。待過程平穩提取剩余分量h(t),如圖7所示。

5組實測數據,每組32萬采樣點數,均以上述信號為例,分析結果如表1所示,表中顯示在車速5～8km/h范圍內,誤差為3%。

3 結語

本課題開發了用于公路車輛超載檢測的智能集成化車輛行駛稱重儀,本稱重儀是由稱重傳感器、支撐、稱臺三部分組成的集成化稱重系統,本系統的數據采集、處理部分是由穩壓系統、集成化稱重板、A/D采集系統、放大系統組成。每輛車可實時采集包括單軸重、軸數、軸間距、總軸距、車長、車速等主要交通數據,是目前測量精度較高的系統之一。

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