1、基于压电石英称重传感器的动态称重系统设计研究张铁异 1,2，王明霞 1，周晓蓉 1,2，宋孟天 1(1.广西大学机械工程学院, 广西 南宁 530004；2.广西制造系统与先进制造技术重点实验室, 广西 南宁 530004)摘 要:针对高速公路动态称重系统中测量精度和车辆通行速度之间的矛盾，分析了汽车动态称重系统中影响测量精度的各种因素，进行了动态称重系统的硬件部分分析设计。然后对动态称重系统的数据做进一步的处理，并采用奇异谱分析(Singular Spectrum Analysis,简记为 SSA)算法进行最后的计算，提高最终结果的精度。研究结果有助于保证动态称重系统的长时间正常高效运行，使
2、公路运输的管理有序和交通流畅。关键词：压电石英；传感器；动态称重；SSA 算法 Vehicle Vibration Signal Analysis Scheme and Choose of Hardware Based on Virtual InstrumentZHANG Tie-yi1,2, WANG Ming-xia1, ZHOU Xiao-rong1,2, SONG Meng-tian1(1. School of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004 , China;2. Guangxi key Labora
3、tory of Manufacturing System and Advanced Manufacturing Technology, Nanning 530004,China)Abstract：According to contradiction between the measuring accuracy of the Highway Weigh-in-Motion systems and the vehicle traffic speed, various factors affecting the measuring accuracy of the Highway Weigh-in-M
4、otion systems are analyzed. The hardware of Weigh-in-Motion systems are emphatically analyzed and designed, then the data of Weigh-in-Motion systems are disposed. Finally, the Singular Spectrum Analysis are applied to do the final calculation, and the accuracy of final results are improved. The resu
5、lts are helpful to guarantee the long-time normal and efficient operation of Weigh-in-Motion systems, which makes highway transportation system orderly and smooth.Keywords: Piezoelectric Quartz ; Sensor; Weigh-in-Motion; Singular Spectrum Analysis1 引言车辆在运动过程中伴随着随机载荷和冲击载荷，导致了汽车运动的复杂性。诸多外界因素的影响，也增加了汽车
6、运动的复杂程度，同时也给动态称重带来了诸多问题。影响汽车动态称重精度的主要动态因素 1为:汽车的振动:引起汽车振动的原因是多种多样的，最重要的是汽车自身造成的，如:发动机偏心转动引起的周期性振动，由轮胎花纹引起的周期性振动，由油料燃烧不均匀引起的随机振动以及驾驶员操纵不稳定引起的不均匀振动。路面的不平整度或称重平台造成的不平度:汽车振动还有强迫振动形式，比如因路面不平整度导致的振动。地面表面的崎岖不平在公路和机场工程中被称为不平整度。当车轮与路面接触时，由于轮胎的弹性碾平作用，使得路面不平整度的高频成份对汽车的振动影响甚微，因而低频信号在汽车的振动中起着主导作用。汽车的行驶速度:随着速度增加，
7、随机载荷增多，且由于地面与车辆的祸合振动增大，故速度是一个影响动态精度的因素。加速度:当车辆加速或者减速时，弹性元件就会储存或释放一定能量，使车辆自身产生震动或震荡 2，将伴随两类干扰运动。因此需要选择恰当的称重传感器，设计能够减少或消除干扰的称重平台结构，同时选择恰当的放大器将采样信号放大处理，并采取 SSA 算法进行出具计算，最终将误差控制在规定以内。来稿日期：2013-10-01基金项目：广西青年基金项目（2010GXNSFB013005 ） ；广西教育厅项目（ 2013YB013） ；广西重点实验室项目（12-071-11S05） ；广西大学博士启动基金（C010015）作者简介：周晓
8、蓉， （1977-） ，女，副教授，博士，主要研究方向：机械工程与结构动力学2 动态称重硬件系统设计2.1 动态称重系统平台组成原理动态称重系统的硬件平台主要由四大部分组成，如图 1：硬件滤波模块信号放大模块A/D 转换模块重量信号称重平台计算机系统显示单元图 1 动态称重系统2.2 称重传感器的选择目前在国内外动态称重系统实际应用中，主要有以下几种 3：弯板式传感器、共聚化合物式压电传感器、电容式传感器、桥式称重平台、光纤传感器、整体型数字式智能称重传感、压电石英式传感器 4。压电石英式传感器的温漂极小，低速、高速状态下都可进行称量，同时石英的物理特性比较稳定，其灵敏度随时间变化较小。石英晶
9、体具有把敏感元件（如图 2 所示）整个表面上的载荷进行积分的能力。选择压电石英称重传感器作为动态称重系统的轴载称重传感器，能够提高称重系统的动态精度。图 2 石英晶体圆片压电石英称重传感器 5的结构如图 3 所示， 图 4、5 为石英晶体 WIM 传感器结构和外观，采用整体封装结构。石英晶体WIM 传感器在水泥和沥青混凝土两种路面均可埋设（图 6） ，依照图 6 所示的截面安装尺寸，在路面切割 7cm 宽的安装槽，开挖深度仅 5cm，可以在各种路面安装，包括桥面。1.石英晶体片 2.电极板 3.上压板 4.外壳 5.信号输出插座图 3 压电石英称重传感器结构截面图图 4 石英晶体压电称重器件图
10、 5 石英晶体压电称重体图 6 埋设于路表的传感器 与石英晶体传感器的配套电荷放大器装置，如图 7 所示，A/D 转换器用于将时间上离散、幅值上连续的模拟信号转换成幅值也离散的数字信号，并送入计算机中处理。计算机接受 A/D 送入的信号，并进行信号存储和处理。图 7 与石英晶体传感器配套的电荷放大器2.3 硬件电路动态称重系统的硬件设计主要包括:压电石英式传感器、放大电路模块、滤波电路模块、模/数（A/D）转换模块、TMS320C6416 信号处理模块、存储器模块、PCI 接口模块、电源电路模块,其组成框如图 8 所示。按照系统硬件设计的要求和设计思路，依据系统硬件组成情况设计的硬件电路如图
11、9 所示。DSPTMS320C6416PCI 接口芯片9052PCI总线PC机模/数转换ADS5517压电传感器9195 型放大电路滤波电路图 8 系统硬件组成框图图 9 系统硬件电路图3 动态称重系统的软件设计汽车动态称重系统的软件设计主要包括：主程序设计、数据程序采集、数据处理、动态数据融合、显示程序、通信程序等。软件的设计要遵循 模块化、用户化、开放性和网络化、实用经济性等原则 6。软件利用 Delphi 语言编写，把实时数据存储在文本文件中，然后调用并处理文本文件中的实时数据，处理结果放在数据库中以便查询。数据采集软件设计的流程图如图 10 所示，其中用户界面如图 11 所示；数据存储
12、管理子系统对采集的数据进行处理后的结果存储管理，以备后续调用和查询，如图 12 所示；称重收费子系统利用测量数据根据相关算法计算车辆总重,系统界面可直接显示车辆总重,并可通过输入收费标准,实时显示需缴纳的费用,所包含的数据信息作为打印票据内容，其界面如图 13 所示。4 数据处理算法SSA 算法采用奇异谱分析(简记 SSA)算法对采集的信号进行处理。将序列中隐含的波形信号从噪声系统中提取出来,选择合适的经验正交函数和主分量来重构信号 7。为了获得最优的降噪效果,最重要的就是选择最优的重构阶次 p。如图 14 所示。采用 SSA 算法对数据处理能够达到设计要求，保证高精度的要求。图 10 数据采
13、集子系统流程图 12 数据存储管理子系统的显示界面图 14 SSA 算法的动态称重算法流程图5 结论本文分析了传感器的原理以及压电石英称重传感器的优越性，并针对系统本身的特点和要求选择合适的传感器。其次，选择合适的与压电石英传感器配套的放大器，选择符合要求的 A/D 转换器。再次，设计和选择动态称重系统的软件平台，采用适YN启动 A/D查询方式 A/D 状态读取并处理 A/D 数据开始需要改变频率参数后再采集吗？结束合压电石英传感器的数据处理方法即 SSA算法，真正最大限度的提高了最终测量结果。参考文献1 李晓宝,简水珍,彭恢湘.压电石英称重传感器在公路动态称重中的应用J.公路与汽运:2012
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