基于PCI-6013汽車動態(tài)軸重系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
[關(guān)鍵詞] PCI-6013；動態(tài)測量；軸重;軸距
1引言
大量超過公路、橋梁限載的運輸車輛在公路上行駛，致使公路嚴重損壞，大大地縮短了其使用年限。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》和《公路水泥路面設(shè)計規(guī)范》進行理論計算，當車輛軸載質(zhì)量超過標準軸載質(zhì)量一倍時，車輛行駛瀝青路面一次相當于標準車輛行駛256次；車輛行駛水泥路面相當于標準車輛行駛65536次，可見超限運輸車輛對路面的損壞是成幾何級數(shù)增加的。研究和實踐結(jié)果表明，軸重的超限會使水泥路面的使用年限縮短40%左右，瀝青路面縮短20%-30%左右。一條設(shè)計壽命15年的高速公路，如經(jīng)常進行超限運輸，則一般只能使用8年左右。超限超載運輸車輛還嚴重影響橋梁的使用壽命，使得很多應(yīng)在橋梁使用中、后期才發(fā)生的病害提前發(fā)生，縮短了橋梁的使用壽命，甚至造成橋梁垮塌、人員傷亡的惡性事故，社會影響極為惡劣。據(jù)統(tǒng)計，目前全國公路干線每年因車輛超限超載造成的損失超過300億元。在路面上建立長期動態(tài)軸重自動監(jiān)測系統(tǒng)，對過往車輛的軸重、速度、軸距、軸數(shù)等進行測量，對車輛進行分類和各種統(tǒng)計分析，對治理超限超載、評估公路、橋梁狀態(tài)具有非常重要的意義。
2 方案設(shè)計
系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示：
圖1 系統(tǒng)組成框圖
軸重傳感器采用美國Measurement Specialties公司生產(chǎn)的Roadtrax BL壓電薄膜交通傳感器，該傳感器被用于動態(tài)稱重（WIM）、檢測車軸數(shù)、軸距、車速監(jiān)控、車型分類、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通信息采集（道路監(jiān)控）。它具有電容式、無源、高信噪比、大信號等特點。
壓電材料在受到外力時，會產(chǎn)生與作用力成正比的電荷信號。利用這一現(xiàn)象，我們將其埋設(shè)于路面內(nèi)，讓通過汽車碾壓，車輪的重力使其產(chǎn)生輸出信號。為了精確測量汽車軸重，必須盡可能使汽車一根車軸上的輪胎同時壓上傳感器，軸重傳感器要垂直于車輛行進方向安裝，曲線路面要沿著半徑方向安裝。
由于傳感器的輸出信號屬電荷信號，非常微弱，內(nèi)部阻抗極大，所以要通過場效應(yīng)管對信號進行阻抗變換，然后進行信號的放大、濾波等，調(diào)理之后的信號送到PCI-6013數(shù)據(jù)采集卡，進行相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換。
動態(tài)軸重測量系統(tǒng)需要長期運行，其計算機選用工業(yè)控制用機。數(shù)據(jù)采集選用美國NI公司生產(chǎn)的PCI-6013多功能數(shù)據(jù)采集卡。它的主要特性有：200KS/S采樣率，16位精度的16路模擬輸入，2路模擬輸出，8條數(shù)字I/O線（5VTTL/CMOS），2路24位的定時/計數(shù)器，數(shù)字觸發(fā)，4組不同的模擬輸入范圍，NI-DAQ驅(qū)動程序可簡化配置過程。PCI-6013數(shù)據(jù)采集卡有100MΩ的輸入阻抗，保證輸入負載不會影響進入的信號，從而提高數(shù)據(jù)精確度。工控機上的數(shù)據(jù)采集軟件對采集到的軸重信號進行分析處理，得到運載汽車的軸重、軸數(shù)、車速和軸距等活載信息，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器入庫。
動態(tài)軸重服務(wù)器采用SQL Server2000存儲過往車輛的動態(tài)活載信息，以供查詢和分析統(tǒng)計。數(shù)據(jù)信息查詢和管理系統(tǒng)在.Net平臺上構(gòu)建，采用B/S模式。
系統(tǒng)的測量方案如圖2所示：
圖2 系統(tǒng)測量方案
3 信號采集分析及其軟件實現(xiàn)
系統(tǒng)軟件實現(xiàn)主要采用NI公司的Lab VIEW7.0。系統(tǒng)主要分析處理算法用VC++6.0以DLL形式實現(xiàn)，便于系統(tǒng)維護。系統(tǒng)假設(shè)車速在3m或小于3m的距離內(nèi)基本上勻速的?；谶@個假設(shè)，在不用額外安裝傳感器來判別車來車走情況下，使得整個汽車活載測量系統(tǒng)得以簡化。
下面以一輛2軸車為例介紹一下汽車軸重、軸距和車速的計算。圖3是一輛2軸車先后壓上兩個傳感器后的理想信號。由于Roadtrax BL的信號大、高信噪比，再加上調(diào)理電路，現(xiàn)實情況下信號也很接近理想情況。汽車先壓上傳感器1，后壓傳感器2。汽車前軸壓上傳感器1產(chǎn)生波峰①，壓上傳感器2產(chǎn)生波峰③，波峰④是車輛后軸離開測試區(qū)域前壓上傳感器2產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)采集卡各個通道的數(shù)據(jù)采集率K相同，故采集到的信號個數(shù)相同。同一車道上兩傳感器相距d，一般取3m。圖2中N1、N2、N3、N4是波峰對應(yīng)在信號序列中的位置。以下是計算表達式：
車輛前軸過完兩個傳感器的時間t=（N2-N1）/ K或者t=(N2-N1 +N4-N3)/(2*K)；
車輛的車速V=d / t；車輛軸距J=（N4-N1）*V/K；
前軸軸重W1=S1n1+S1n1+1+…+S1n2或W1=（S1n1+S1n1+1+…+S1n2+ S2n3+S2n3+1+…+S2n4）/2，即進行軟積分，后軸軸重同理；
圖3 理想軸重信號
圖4 工作流程圖
在本系統(tǒng)中，現(xiàn)實情況比較復(fù)雜。從DAQ卡采集到的數(shù)據(jù)中，可能會不包含軸重信號，即現(xiàn)有緩沖區(qū)中軸對不完整，還不足以分析活載情況，這時就要對汽車軸重信號的歸屬問題進行判別。一般情況下，可以結(jié)合汽車車速和軸距這兩個方面綜合考慮。汽車的分類，我們考慮汽車總軸重、單個軸重和軸距三個因素，將汽車分為小中大三種類型。整個軟件的工作流程圖如圖4所示。
圖5顯示的是軸重的信息查詢系統(tǒng)。軸重傳感器安裝在高速公路的行車道和超車道上。其中汽車的軸距和各根軸重沒有列出，可以通過點擊上橋時間的鏈接來查看。
4 結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點是利用比較少的傳感器，實現(xiàn)了汽車軸重動態(tài)、準確的測量并將所測得的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送，實現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳輸。
本系統(tǒng)是在研項目新原高速公路小溝特大橋長期健康監(jiān)測的一部分，已經(jīng)投入運行。系統(tǒng)除了能夠自動測量汽車總重量和汽車軸數(shù)之外，還能自動測量單根軸重，車速，汽車軸距。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，所測汽車活載的誤差很小，線性度好，很好地滿足了社會的要求。
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