公路车辆动态称重仪的研究与设计

　　0　引言

　　公路车辆动态称重(HighwayWeigh-in-Mo2tion),是指车辆以一定的车速通过称重平台(传感器),称重仪依次测量出各个轴重或轮重,最后把各轴重或轮重累加而得到整车重量的称重方式。动态称重与停车状态下的静态称重相比,其主要特点是节省时间、效率高、成本低,并且称重时不对正常的交通造成较大的影响。

　　该文着重讨论应变式传感器(利用形变测量)的固定式轴重衡的车辆动态称重技术,其最大的通行车速一般在30 km/h以下。在国内,目前阶段的动态称重精度还较低,一般实际应用中的称重平均误差从±5%到±10%不等,相应的置信度为95%。

　　因此,如何提高称重精度,就成了车辆动态称重系统中的技术难点和关键。

　　文中首先研究了目前车辆动态称重的基本算法。采集了大量现场过车的实验数据,利用Matlab数学工具软件,对其进行了充分的分析和模拟运算,提出了一种工程实用的曲线拟合算法,最后运用线性最小二乘法,实现了该算法,并采用该算法设计了先进的动态称重仪。

　　1　主要称重算法

　　事实上,在动态称重中引起测量误差的主要来源是周期性低频干扰,例如车辆在秤台上的颠簸、秤台的固有振动等。而且,这种周期性低频干扰对测量结果造成的误差约占到总误差的90%[2]。图1所示为车辆在不同车速段下的典型称重信号的时域和频域波形图。为了叙述的方便,把车速进行一定的划分,规定0~10 km/h为低速段, 10~20 km/h为中速段, 20~30 km/h为高速段。

　　从图1可以看出,低频干扰对采集信号的影响较大。因此,如何有效的去除这种周期性低频干扰是各种称重算法研究的重中之重。由其他因素引起的误差,可以采取双秤台、称量两遍求平均的办法来提高称重精度。

　　1·1　平均值法

　　平均值法是指把一个车轴从上秤到下秤期间的所有采集数据的平均值作为测量值的方法。适用于车速在3 km/h以下,车速过高或采集信号里含有低频的动载分量时,则该法很难满足精度要求。

　　1·2　低通滤波法

　　低通滤波法是指把一个车轴从上秤到下秤期间所有采集的数据先经过低通滤波,最后把其最大值作为测量值的方法。低通滤波可以采取模拟或数字的方法。由于周期性低频干扰信号的频率可以低至3Hz左右[2],所以该方法具有较大的局限性。

　　1·3　数学模型法

　　数学模型法是根据动态称重系统的动力学原理和车辆动载实验数据,建立动态称重信号的精确数学模型[3],如式(1)所示:

　　式中Y(t)为称重信号的数学模型;A0为由稳态荷载沿称重平台移动时引起的称重信号变化率;An为称重信号中不同频率成份动载的幅值随时间的变化率;fn为不同频率成份动载的频率;Φn为不同频率成份动载的相位;p为动载周期干扰所包含的不同频率成分的个数。实际上,取p<3即可使干扰抑制比大于30~40 dB[3]。