基于PCI-6013汽车动态轴重系统设计与实现
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[关键词] PCI-6013;动态测量;轴重;轴距
1引言
大量超过公路、桥梁限载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《公路沥青路面设计规范》和《公路水泥路面设计规范》进行理论计算,当车辆轴载质量超过标准轴载质量一倍时,车辆行驶沥青路面一次相当于标准车辆行驶256次;车辆行驶水泥路面相当于标准车辆行驶65536次,可见超限运输车辆对路面的损坏是成几何级数增加的。研究和实践结果表明,轴重的超限会使水泥路面的使用年限缩短40%左右,沥青路面缩短20%-30%左右。一条设计寿命15年的高速公路,如经常进行超限运输,则一般只能使用8年左右。超限超载运输车辆还严重影响桥梁的使用寿命,使得很多应在桥梁使用中、后期才发生的病害提前发生,缩短了桥梁的使用寿命,甚至造成桥梁垮塌、人员伤亡的恶性事故,社会影响极为恶劣。据统计,目前全国公路干线每年因车辆超限超载造成的损失超过300亿元。在路面上建立长期动态轴重自动监测系统,对过往车辆的轴重、速度、轴距、轴数等进行测量,对车辆进行分类和各种统计分析,对治理超限超载、评估公路、桥梁状态具有非常重要的意义。
2 方案设计
系统的组成框图如图1所示:
图1 系统组成框图
轴重传感器采用美国Measurement Specialties公司生产的Roadtrax BL压电薄膜交通传感器,该传感器被用于动态称重(WIM)、检测车轴数、轴距、车速监控、车型分类、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通信息采集(道路监控)。它具有电容式、无源、高信噪比、大信号等特点。
压电材料在受到外力时,会产生与作用力成正比的电荷信号。利用这一现象,我们将其埋设于路面内,让通过汽车碾压,车轮的重力使其产生输出信号。为了精确测量汽车轴重,必须尽可能使汽车一根车轴上的轮胎同时压上传感器,轴重传感器要垂直于车辆行进方向安装,曲线路面要沿着半径方向安装。
由于传感器的输出信号属电荷信号,非常微弱,内部阻抗极大,所以要通过场效应管对信号进行阻抗变换,然后进行信号的放大、滤波等,调理之后的信号送到PCI-6013数据采集卡,进行相应的A/D转换。
动态轴重测量系统需要长期运行,其计算机选用工业控制用机。数据采集选用美国NI公司生产的PCI-6013多功能数据采集卡。它的主要特性有:200KS/S采样率,16位精度的16路模拟输入,2路模拟输出,8条数字I/O线(5VTTL/CMOS),2路24位的定时/计数器,数字触发,4组不同的模拟输入范围,NI-DAQ驱动程序可简化配置过程。PCI-6013数据采集卡有100MΩ的输入阻抗,保证输入负载不会影响进入的信号,从而提高数据精确度。工控机上的数据采集软件对采集到的轴重信号进行分析处理,得到运载汽车的轴重、轴数、车速和轴距等活载信息,并将这些数据发送给服务器入库。
动态轴重服务器采用SQL Server2000存储过往车辆的动态活载信息,以供查询和分析统计。数据信息查询和管理系统在.Net平台上构建,采用B/S模式。
系统的测量方案如图2所示:
图2 系统测量方案
3 信号采集分析及其软件实现
系统软件实现主要采用NI公司的Lab VIEW7.0。系统主要分析处理算法用VC++6.0以DLL形式实现,便于系统维护。系统假设车速在3m或小于3m的距离内基本上匀速的。基于这个假设,在不用额外安装传感器来判别车来车走情况下,使得整个汽车活载测量系统得以简化。
下面以一辆2轴车为例介绍一下汽车轴重、轴距和车速的计算。图3是一辆2轴车先后压上两个传感器后的理想信号。由于Roadtrax BL的信号大、高信噪比,再加上调理电路,现实情况下信号也很接近理想情况。汽车先压上传感器1,后压传感器2。汽车前轴压上传感器1产生波峰①,压上传感器2产生波峰③,波峰④是车辆后轴离开测试区域前压上传感器2产生的。数据采集卡各个通道的数据采集率K相同,故采集到的信号个数相同。同一车道上两传感器相距d,一般取3m。图2中N1、N2、N3、N4是波峰对应在信号序列中的位置。以下是计算表达式:
车辆前轴过完两个传感器的时间t=(N2-N1)/ K或者t=(N2-N1 +N4-N3)/(2*K);
车辆的车速V=d / t;车辆轴距J=(N4-N1)*V/K;
前轴轴重W1=S1n1+S1n1+1+…+S1n2或W1=(S1n1+S1n1+1+…+S1n2+ S2n3+S2n3+1+…+S2n4)/2,即进行软积分,后轴轴重同理;
图3 理想轴重信号
图4 工作流程图
在本系统中,现实情况比较复杂。从DAQ卡采集到的数据中,可能会不包含轴重信号,即现有缓冲区中轴对不完整,还不足以分析活载情况,这时就要对汽车轴重信号的归属问题进行判别。一般情况下,可以结合汽车车速和轴距这两个方面综合考虑。汽车的分类,我们考虑汽车总轴重、单个轴重和轴距三个因素,将汽车分为小中大三种类型。整个软件的工作流程图如图4所示。
图5显示的是轴重的信息查询系统。轴重传感器安装在高速公路的行车道和超车道上。其中汽车的轴距和各根轴重没有列出,可以通过点击上桥时间的链接来查看。
4 结束语
本文作者创新点是利用比较少的传感器,实现了汽车轴重动态、准确的测量并将所测得的数据通过以太网发送,实现长距离的数据传输。
本系统是在研项目新原高速公路小沟特大桥长期健康监测的一部分,已经投入运行。系统除了能够自动测量汽车总重量和汽车轴数之外,还能自动测量单根轴重,车速,汽车轴距。系统运行稳定,所测汽车活载的误差很小,线性度好,很好地满足了社会的要求。