基于PCI-6013汽車(chē)動(dòng)態(tài)軸重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

[摘要] 本文以介紹了一個(gè)基于PCI-6013用于動(dòng)態(tài)測(cè)量的軸重系統(tǒng)，討論了軸重系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成，同時(shí)給出了系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)還能夠自動(dòng)測(cè)量車(chē)速和軸距以及對(duì)車(chē)型分類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和適用性。
[關(guān)鍵詞] PCI-6013；動(dòng)態(tài)測(cè)量；軸重;軸距

　　2 方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示：

　　軸重傳感器采用美國(guó)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(dòng)態(tài)稱(chēng)重（WIM）、檢測(cè)車(chē)軸數(shù)、軸距、車(chē)速監(jiān)控、車(chē)型分類(lèi)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車(chē)區(qū)域監(jiān)控、交通信息采集（道路監(jiān)控）。它具有電容式、無(wú)源、高信噪比、大信號(hào)等特點(diǎn)。

　　壓電材料在受到外力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與作用力成正比的電荷信號(hào)。利用這一現(xiàn)象，我們將其埋設(shè)于路面內(nèi)，讓通過(guò)汽車(chē)碾壓，車(chē)輪的重力使其產(chǎn)生輸出信號(hào)。為了精確測(cè)量汽車(chē)軸重，必須盡可能使汽車(chē)一根車(chē)軸上的輪胎同時(shí)壓上傳感器，軸重傳感器要垂直于車(chē)輛行進(jìn)方向安裝，曲線(xiàn)路面要沿著半徑方向安裝。

　　由于傳感器的輸出信號(hào)屬電荷信號(hào)，非常微弱，內(nèi)部阻抗極大，所以要通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)信號(hào)進(jìn)行阻抗變換，然后進(jìn)行信號(hào)的放大、濾波等，調(diào)理之后的信號(hào)送到PCI-6013數(shù)據(jù)采集卡，進(jìn)行相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換。

　　動(dòng)態(tài)軸重測(cè)量系統(tǒng)需要長(zhǎng)期運(yùn)行，其計(jì)算機(jī)選用工業(yè)控制用機(jī)。數(shù)據(jù)采集選用美國(guó)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(xiàn)（5VTTL/CMOS），2路24位的定時(shí)/計(jì)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(dòng)程序可簡(jiǎn)化配置過(guò)程。PCI-6013數(shù)據(jù)采集卡有100MΩ的輸入阻抗，保證輸入負(fù)載不會(huì)影響進(jìn)入的信號(hào)，從而提高數(shù)據(jù)精確度。工控機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件對(duì)采集到的軸重信號(hào)進(jìn)行分析處理，得到運(yùn)載汽車(chē)的軸重、軸數(shù)、車(chē)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(kù)。

　　動(dòng)態(tài)軸重服務(wù)器采用SQL Server2000存儲(chǔ)過(guò)往車(chē)輛的動(dòng)態(tài)活載信息，以供查詢(xún)和分析統(tǒng)計(jì)。數(shù)據(jù)信息查詢(xún)和管理系統(tǒng)在.Net平臺(tái)上構(gòu)建，采用B/S模式。

　　系統(tǒng)的測(cè)量方案如圖2所示：

　　3 信號(hào)采集分析及其軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)軟件實(shí)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(shí)現(xiàn)，便于系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)假設(shè)車(chē)速在3m或小于3m的距離內(nèi)基本上勻速的?；谶@個(gè)假設(shè)，在不用額外安裝傳感器來(lái)判別車(chē)來(lái)車(chē)走情況下，使得整個(gè)汽車(chē)活載測(cè)量系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。

　　下面以一輛2軸車(chē)為例介紹一下汽車(chē)軸重、軸距和車(chē)速的計(jì)算。圖3是一輛2軸車(chē)先后壓上兩個(gè)傳感器后的理想信號(hào)。由于Roadtrax BL的信號(hào)大、高信噪比，再加上調(diào)理電路，現(xiàn)實(shí)情況下信號(hào)也很接近理想情況。汽車(chē)先壓上傳感器1，后壓傳感器2。汽車(chē)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(chē)輛后軸離開(kāi)測(cè)試區(qū)域前壓上傳感器2產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)采集卡各個(gè)通道的數(shù)據(jù)采集率K相同，故采集到的信號(hào)個(gè)數(shù)相同。同一車(chē)道上兩傳感器相距d，一般取3m。圖2中N1、N2、N3、N4是波峰對(duì)應(yīng)在信號(hào)序列中的位置。以下是計(jì)算表達(dá)式：

　　車(chē)輛前軸過(guò)完兩個(gè)傳感器的時(shí)間t=（N2-N1）/ K或者t=(N2-N1 +N4-N3)/(2*K)；

　　車(chē)輛的車(chē)速V=d / t；車(chē)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(jìn)行軟積分，后軸軸重同理；

　　 在本系統(tǒng)中，現(xiàn)實(shí)情況比較復(fù)雜。從DAQ卡采集到的數(shù)據(jù)中，可能會(huì)不包含軸重信號(hào)，即現(xiàn)有緩沖區(qū)中軸對(duì)不 完整，還不足以分析活載情況，這時(shí)就要對(duì)汽車(chē)軸重信號(hào)的歸屬問(wèn)題進(jìn)行判別。一般情況下，可以結(jié)合汽車(chē)車(chē)速和軸距這兩個(gè)方面綜合考慮。汽車(chē)的分類(lèi)，我們考慮汽車(chē)總軸重、單個(gè)軸重和軸距三個(gè)因素，將汽車(chē)分為小中大三種類(lèi)型。整個(gè)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(xún)系統(tǒng)。軸重傳感器安裝在高速公路的行車(chē)道和超車(chē)道上。其中汽車(chē)的軸距和各根軸重沒(méi)有列出，可以通過(guò)點(diǎn)擊上橋時(shí)間的鏈接來(lái)查看。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是利用比較少的傳感器，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)軸重動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確的測(cè)量并將所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸。

　　本系統(tǒng)是在研項(xiàng)目新原高速公路小溝特大橋長(zhǎng)期健康監(jiān)測(cè)的一部分，已經(jīng)投入運(yùn)行。系統(tǒng)除了能夠自動(dòng)測(cè)量汽車(chē)總重量和汽車(chē)軸數(shù)之外，還能自動(dòng)測(cè)量單根軸重，車(chē)速，汽車(chē)軸距。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，所測(cè)汽車(chē)活載的誤差很小，線(xiàn)性度好，很好地滿(mǎn)足了社會(huì)的要求。