基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數據采集系統應用研究

李繼亮

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 210017)

1 壓電薄傳感器動態稱重

隨著傳感器技術、信號傳輸與存儲技術以及數據分析的快速發展，橋梁健康監測系統日益成熟，該系統可以及時采集結構的響應，及時發現橋梁損傷，為橋梁維護提供技術依據，輔助橋梁日常交通管理，從而確保橋梁運營安全[1-2]。

車輛軸載數據監測是中小橋梁結構安全狀態評價技術的一個重要組成部分，也是評估超載的關鍵，超載嚴重會造成橋梁嚴重損傷[3]。建立一套能夠在中小橋梁上布設，全天候監測的、價格低廉的、精度較高的實時軸載數據采集系統進行全天候軸載數據采集，對橋梁的建設、輔助養護和管理具有重要意義。壓電聚偏氟乙烯PVDF高分子膜(壓電薄膜)，在收到拉伸或者彎曲的強制變形時，薄膜上下電極表面之間就會產生一個電信號(電荷或電壓)，電信號的大小和變形程度成比例。對壓電薄膜縱向施加一個很小的力時，橫向上會產生很大的應力。因此，壓電薄膜對動態應力非常敏感，28μm厚的PVDF的靈敏度典型值為10～15mV/微應變。因此適用于大車流量，高速車載的動態稱重[4]。此外，PVDF 壓電薄膜傳感器具有體積小，響應快，安裝維護方便，成本低廉的獨特優勢，是近年來興起的廣受歡迎的一種車輛動態秤重技術。能夠實現在間斷交通的情況下大量車流的準確稱重，大幅提高車輛稱重的效率。本系統的研發應用具有巨大的工程應用前景。

2 系統組成

基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數據采集系統包括前端數據采集子系統、傳輸子系統、后臺數據管理子系統。系統以壓電薄膜傳感器作為采集終端，結合信號波形特性創建數據采集模型，獲取高速行駛車輛的軸重、軸數、軸距、車速、車輛總重等其他交通信息[5]，通過傳輸子系統將前端采集數據發送至后臺數據管理子系統中，實現車輛軸載與超限數據的查詢統計。

2.1 前端數據采集子系統

稱重傳感器采用目前應用于高速動態稱重的壓電薄膜傳感器，壓電薄膜材料是一種經過強電場極化后將動能轉化為電能的材料，其外觀如圖1所示。車輛經過壓電薄膜傳感器時，產生一個與施加到傳感器上的壓力成正比的模擬信號，傳感器會產生一個新的電子脈沖。稱重的檢測原理就是對傳感器受力產生的信號積分。為采集車速信息，通常在每條車道上安裝兩條傳感器(一般相距3m，可根據實際需求調整)，傳感器之間距離已知，用距離除以兩個傳感器信號的時間周期，即可得到車速[6]。

圖1 壓電薄膜式稱重傳感器

前端數據采集子系統由太陽能電源模塊、處理器模塊、信號調理等模塊組成，實時動態采集車輛通過傳感器時的軸重、車輛總重與車速等信息。采集終端硬件架構如圖2所示。太陽能電源模塊能夠滿足10d以上的系統供電，布設地點可以不受供電條件限制。

圖2 采集終端硬件結構示意圖

2.2 傳輸子系統

數據傳輸子系統主要解決前端采集的數據傳輸到中心的通信方式，需要選擇高效、可靠的通信線路，傳輸子系統采用GPRS傳輸模塊發送數據到后臺數據中心。傳輸模塊的設計需要對采集終端通信數據量進行分析，按照傳輸需求設計[7]。傳輸子系統中可以通過配置參數配置定時采集發送，也可通過觸發某種條件發送。

2.3 后臺數據管理子系統

后臺數據管理子系統包括實時數據監測、軸載數據查詢、超限數據查詢、軸載數據分析、超限數據分析、系統管理六大模塊。實現數據接收、存儲、查詢、統計與分析[8]。用戶可對前端設備采集的信息進行實時監測，并可按照安裝位置、車型、時段等方面進行車輛軸載與超限數據的統計分析，還能對前端設備電池電量與路面溫度進行監控[9-10]。后臺數據管理子系統界面如圖3所示。

3 系統驗證

在內場驗證的基礎上，選擇在S249宿遷至新沂段葉莊收費站辦公區以北150m處安裝公路軸載數據采集系統。

系統布設成功后，選擇標準車輛對系統自行標定，標定流程如下：

(1)選車：選擇標定車輛，要求載貨均勻，車況良好。

(2)稱重：標定車在地磅上靜態稱重，記錄重量值作為參考。

(3)標定：標定車以不同速度(30～70km/h)勻速駛過斷面，每個速度下行駛3遍，系統調至標定工作狀態，采集每次行車的動態重量。

(4)計算：記錄下各次采集值，并與基準重量值比較，擬合得出靈敏度系數，保存至系統軟件。

(5)校驗：標定車以不同速度(30～70km/h)駛過斷面，每個速度下行駛1遍，將系統輸出值與基準值比較，以驗證標定效果。

圖3 實時數據監測頁面

(6)應用：若標定后系統誤差在合理范圍內，則接受此次標定系數，系統切換至正常采集模式，即可應用新標定系數進行車輛軸載信息采集和上傳。

稱重所得的標準軸重為：2.01t，4.98t，5.01t，10.03t，15.01t，19.98t，24.95t，29.94t。采用以上軸重車輛校驗壓電薄膜傳感器精度。將每個速度下的均值繪制散點圖如圖4(a),并進一步計算相對軸重誤差值，作箱型圖如圖4(b)。

圖4 軸重標定結果

由圖4可知，采用壓電薄膜傳感器實測所得的軸重數據和校驗車輛的標準軸重非常接近，最大誤差不超過±3%，且相對誤差整體上隨車速增加具有遞增趨勢，這是由于較高車速下，車輛對地面沖擊效應更為顯著，對測試結果存在不良影響。但70km/h速度以下的整體精度仍大于96%，滿足工程應用要求。

此外，通過大量的現場試驗，對壓電薄膜傳感器軸載系統的其他技術參數也進行了詳細的評估，取得本系統主要技術指標如下：

工作模式:支持單車數據上傳、單車波形上傳、定時打包上傳、手動采集車輛信息等4種工作模式。

軸載測量范圍: 0～30t/軸；軸載測量精度:≥93%。

速度測量范圍: 5～200km/h；速度測量誤差:±1km/h。

軸間距測量范圍: 0～20m；軸間距測量精度: >98%。

車長測量范圍: 0～25m；車長測量精度: >95%。

車流量計數: >98%；車型分類:機動車車型一級分類；跨道識別率:≥90%。

傳感器一致性誤差:≤10%；傳感器溫度漂移靈敏性:<0.2%。

系統穩定工作的環境參數：工作溫度為-20℃～+80℃，工作濕度為0～90%，

工作時間：7×24h；無障礙運行時間(MTBF)：≥20000h；使用壽命： 5年以上。

試驗過程中也發現車輛受到路面溫度和行車速度的影響，后期將以一年為采集周期，通過進一步標準車型的數據測試修正采集模型。通過公路軸載數據采集系統在現場長期運行，進一步驗證從數據采集、傳輸、接收、存儲到分析五大過程。

4 總結與展望

重點介紹了壓電薄膜傳感器在公路軸載數據采集中的應用，包括基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數據采集系統的系統組成，各模塊功能；進一步展示了后臺監測系統，最后給出了系統驗證的步驟和系統運行的各項參數指標。基于壓電薄膜傳感器的公路軸載數據采集系統造價低廉，開發安裝方便，值得類似項目借鑒應用。為進一步提高系統的測量精度，可采用斜率閾值法對采集的波形進行零點參考值確定，并利用速度與曲線面積求得軸重重量，并開發信號采集電路。同時需要分析壓電薄膜軸重測量精度受溫度和速度的影響程度，建立軸重數據與溫度和速度之間的誤差模型，研究軸重數據與兩者之間的補償方法。綜合來看，本稱重系統原理明確，安裝方便，后臺系統完善，同時精度較高，可以很好地實現動態稱重的目的。