一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，该基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法包括以下步骤：采用首波判读原理，由称重板上的各传感器的应变增量信息判断车轮通过与否，毋需设地感线圈对通过车辆进行触发；首波的起跳点为车轮载踏上称重板的开始时刻，并通过前后两车轮轴出现的时间间隔、速度差信息进行前后车辆分割；实时处理通过车辆的时间、车速、轮重、轴重、轴间距信息；当某个传感器出现故障时，自动报警，并利用插值技术重新计算应变输出。本发明单轮荷载的误差为±25％，车辆总重的误差为±10％，单轮最大载荷150kN，将传统的弯板式动态称重方法与优良的光纤传感技术进行结合，具有一定的先进性和实际应用价值。
【专利说明】一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法
【技术领域】
[0001]本发明属于动态称重【技术领域】，尤其涉及一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法。
【背景技术】
[0002]汽车荷载标准是进行公路桥梁设计、承载能力检测评估的重要依据，而实际公路桥梁上的汽车荷载状况与现行规范标准的差异较大，由此引发桥梁的各种病害十分多见。
[0003]过去由于技术和手段的限制，对汽车荷载的调查主要以人工调查的方式进行，这在样本的代表性和容量等方面均存在不足，制约着对实际公路上汽车荷载的研究。由于对实际汽车荷载的观测资料较少，进行桥梁的各种工作基本上采用规范给定的汽车荷载标准，其结果往往与实际不符合是显然的。
[0004]随着电子技术的发展，利用动态汽车称重方法(WIM)进行汽车荷载等信息进行自动化、大容量的调查采集成为可能，且在实际中的应用也日益广泛，这为汽车荷载等的研究工作提供有利条件。
[0005]国外到20世纪90年代基本形成成熟的WM产品及相应的技术标准。国内对此的研究起步晚且时间短，其测试精度不高、车辆通过速度低且耐用性也不能满足实际工作的需要，关键元件仍然以进口为主。
[0006]WIM主要有压电式、电容式和弯板应变式三种，从称重方法精度、年平均使用费、可靠性、使用寿命等技术经济指标进行对比发现，弯板应变式WIM具有较大优势。
[0007]目前弯板应变式WIM主要以电阻应变片式作为敏感元，易受电磁干扰影响、电绝缘性差等不足，在现场潮湿的工作环境中容易出现异常。而光纤光栅传感器具有抗电磁干扰强、电绝缘性好、耐腐蚀能力强、性能稳定、安全性能好等优点，可以弥补电阻应变测量的不足，近年来在土木工程中的应用逐渐增多。而利用光纤光栅传感技术进行汽车动态称重方法的研究，由于受到解调仪解调速度等的制约，目前以室内研究为主，且要求通过车辆的速度较低，不能满足现场高速测试需要，尚未有现场实际应用的报道或产品出现。
【发明内容】
[0008]本发明实施例的目的在于提供一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，旨在解决目前动态汽车称重方法以室内研究为主，且要求通过车辆的速度较低，不能满足现场高速测试需要，尚未有现场实际应用的报道或产品出现的问题。
[0009]本发明实施例是这样实现的，一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，该基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法包括以下步骤:
[0010]步骤一，采用首波判读原理，由称重板上的各传感器的应变增量信息判断车轮通过与否，毋需设地感线圈对通过车辆进行触发；
[0011]步骤二，首波的起跳点为车轮载踏上称重板的开始时刻，并通过前后两车轮轴出现的时间间隔、速度差信息进行前后车辆分割；[0012]步骤三，实时处理通过车辆的时间、车速、轮重、轴重、轴间距信息；
[0013]步骤四，自纠错功能，当某个传感器出现故障时，自动报警，并利用插值技术重新计算应变输出。
[0014]进一步，在步骤一中，采集各传感器首波到达之前的应变信号，平均值作为对车轮称重的基准应变，认为称重板在车轮载通过期间温度不变，消除了温度对应变测量的影响。
[0015]进一步，在步骤二中，车辆速度和前后轴间距的测量称重公式P = V.S/S0, V为车轮荷载在Y方向的移动速度，车轮在板宽B内移动过程中速度可视为均匀的为单位荷载作用下，板中心线上Y方向上的应变积分输出；S为移动车轮荷载作用下，板中心线上Y方向上的应变积分输出，车辆的行驶速度也参与轮载的计算，将两块称重板分别安装在行车道上的左右两侧，在行车方向间距为lm，由左右侧车轮分别通过称重板的时间差计算得车辆速度，对解调仪系统时间按微秒级读取，由测得的车辆速度和车辆前后轮轴通过称重板的时间差，可计算得车辆前后轮轴的间距。
[0016]进一步，称重板包括:弹性元件板、封装螺栓、封装板、光纤、下垫板、限位柱弹性；元件板设置在称重板的中间位置，封装螺栓设置在弹性元件板的前端和后端，封装版设置在弹性元件板的左右两侧，光纤设置在弹性元件板的下面，下垫板设置在弹性元件板的下面，限位柱设置在称重板的底部。
[0017]本发明提供的基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，通过以汽车荷载调查为立足点和出发点、无限长板理论为基础、光纤传感器技术的动态称重方法；单轮荷载的误差为±25%,车辆总重的误差为±10%,单轮最大载荷150kN。本发明将传统的弯板式动态称重方法与优良的光纤传感技术进行开创性结合，走出实验室迈向实际工程测试中，动态称重方法具有一定的先进性和实际应用价值，提高了桥梁的设计和综合服务水平，降低了桥梁的维护次数和维护成本，保障了交通运输的高效畅通和舒适性，具有较好的直接经济效益和社会效益。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明实施例提供的基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法流程图；
[0019]图2是本发明实施例提供的弯板式称重板原理示意图；
[0020]图3是本发明实施例提供的轮载作用下板中心线上的应变分布图；
[0021]图4是本发明实施例提供的承重板的结构示意图；
[0022]图5是本发明实施例提供的承重板的剖视图；
[0023]图中:1、弹性元件板；2、封装螺栓；3、封装板；4、光纤；5、下垫板；6、称重板；7、限位柱；
[0024]图6是本发明实施例提供的称重方法的实现流程图。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。[0027]如图1所不,本发明实施例的基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法包括以下步骤:
[0028]SlOl:采用首波判读原理，由称重板上的各传感器的应变增量信息判断车轮通过与否，毋需设地感线圈对通过车辆进行触发；
[0029]S102:首波的起跳点为车轮载踏上称重板的开始时刻，并通过前后两车轮轴出现的时间间隔、速度差信息进行前后车辆分割；
[0030]S103:实时处理通过车辆的时间、车速、轮重、轴重、轴间距等信息；
[0031]S104:自纠错功能，当某个传感器出现故障时，自动报警，并利用插值技术重新计算应变输出。
[0032]在步骤SlOl中，采集各传感器首波到达之前一定时间的应变信号，其平均值作为对该车轮称重的基准应变，认为称重板在车轮载通过期间其温度不变，消除了温度对应变测量的影响；
[0033]在步骤S102中，车辆速度和前后轴间距的测量称重公式P = V.S/S0表明，车辆的行驶速度也参与轮载的计算，对其准确测量十分必要。系统将两块称重板分别安装在行车道上的左右两侧，在行车方向间距为lm。由左右侧车轮分别通过称重板的时间差计算得车辆速度，为提高计算精度，对解调仪系统时间按微秒级读取。由测得的车辆速度和车辆前后轮轴通过称重板的时间差，可计算得车辆前后轮轴的间距。
[0034]本发明的具体步骤为:
[0035]称重板作为称重系统的传感装置，直接承载车轮荷载并产生应变，要求弹性性能好，均匀稳定性好，具有一定的强度和刚度，并在反复轮载作用下不会产生过大的塑性变形。经过比选，采用一种经过热处理工艺加工后的65Mn钢板作为弹性元件材料，经检验其极限抗拉强度达到783MPa，屈服强度626MPa，其冲击韧性和耐磨性能均良好。
[0036]称重系统的结构设计，由称重板的原理及其测试需要，称重板的宽度大小要求车辆轮载在其上滚动过程中车轮有全部作用在其上面的瞬间，过窄的板会使得车轮滚动过程中不能将全部荷载作用在板上而导致误差。根据对轮胎着地几何特征的研究结果，结合公路上的路幅宽度，选定两块尺寸为1875mmX320mmX8mm的称重板作为称重传感器，分别安装的行车道的左右两侧。
[0037]由于称重板工作时需要与周围的路桥结构物隔离，独立承载车轮荷载，并要求称重板的两长边固定，这样为称重板设计一个具有足够刚度的底座(下垫板)，如图4和图5所示，将称重板的长边采用双排螺栓固定在底座上。此外，为防止称重板过载产生过大变形，在称重板底座中间设置限位柱，限位柱与称重板之间的间隙以满足最大轮载作用的变形为宜；称重板6主要由:弹性元件板1、封装螺栓2、封装板3、光纤4、下垫板5、限位柱7 ；元件板I设置在称重板6的中间位置，封装螺栓2设置在弹性元件板I的前端和后端，封装板3设置在弹性元件板I的左右两侧，光纤4设置在弹性元件板I的下面，下垫板5设置在弹性元件板I的下面，限位柱7设置在称重板6的底部；
[0038]称重板的验算，考虑实际调查所得的最大轮载情况，选择75kN的单轮和150kN的双轮作用于称重板上，考虑轮胎的接触面积，分析得板的最大主应力分别为560MPa和535MPa，最大下挠分别为1.0mm和0.9mm。且称重板的一阶固有振动频率为1099Hz，远高于车辆的竖向振动频率，不会与通过的车辆发生共振，称重板的竖向抗弯刚度较高，在车辆通过后能迅速回归平衡位置。
[0039]称重板中心线上应变的测试，由称重板原理知,动态称重系统设计的核心是实现轮载在称重板上移动过程对板中心线上Y方向应变的测量，该应变采用光纤Bragg光栅应变传感器进行测量，其光栅中心波长为1525nm?1565nm，分辨率为0.5 μ ε。
[0040]图2所示的应变积分图面积Α，可将其离散为若干测点的应变，按数值分析理论进行数值逼近，为此在每块称重板中心线上共布置12个光纤光栅应变传感器，见图3。采用动态性能优良的SM130解调仪对反射光波进行解调，解调波长范围为1510nm?1590nm，稳定性2pm，重复性0.5pmF.S.，且具有自动校准功能，最高解调频率达1000Hz，以实现高速动态称重。
[0041]如图6所示，本发明利用Labview图形化编程语言，在解调仪采集程序接口的基础上，实现了动态称重系统的功能:
[0042]I)采用首波判读原理，由各传感器的应变增量信息判断车轮通过与否，毋需设地感线圈对通过车辆进行触发，首波的起跳点为车轮载踏上称重板的开始时刻，并通过前后两车轮轴出现的时间间隔、速度差等信息进行前后车辆分割；
[0043]2)采集各传感器首波到达之前一定时间的应变信号，其平均值作为对该车轮称重的基准应变，认为称重板在车轮载通过期间其温度不变，消除了温度对应变测量的影响；
[0044]3)实时处理通过车辆的时间、车速、轮重、轴重、轴间距等信息；
[0045]4)自纠错功能，当某个传感器出现故障时，自动报警，并利用插值技术重新计算应变输出，
[0046]车辆速度和前后轴间距的测量
[0047]称重公式P = V.S/S0, V为车轮荷载在Y方向的移动速度，车轮在板宽B内移动过程中其速度可视为均匀的为单位荷载作用下，板中心线上Y方向上的应变积分输出；S为移动车轮荷载作用下，板中心线上Y方向上的应变积分输出。表明，车辆的行驶速度也参与轮载的计算，对其准确测量十分必要，系统将两块称重板分别安装在行车道上的左右两侧，在行车方向间距为lm，由左右侧车轮分别通过称重板的时间差计算得车辆速度，为提高计算精度，对解调仪系统时间按微秒级读取，由测得的车辆速度和车辆前后轮轴通过称重板的时间差，可计算得车辆前后轮轴的间距。
[0048]结合以下验证和实施例对本发明做进一步的说明:
[0049]1、称重系统的验证与标定
[0050]分别对称重板和光纤光栅传感器组成的组装件进行静力性能和疲劳性能的试验，验证了系统的线性度、稳定性和可靠性。
[0051]将安装在现场的称重系统，分别利用经过地磅称量得轴重的小客车和货车进行现场对比实测，以检验系统的精度。表I和表2分别为小客车和货车进行现场实测结果，表3为美国ASTM标准委员会所制定的称重系统误差标准。对比结果表明，实测结果的误差均满足ASTM E1318标准的要求，且称量误差与车辆速度不存在相关性，所研制的称重系统可满足现场实测要求。
[0052]表I小客车的实测结果对比
[0053]
【权利要求】
1.一种基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，其特征在于，该基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法包括以下步骤: 步骤一，采用首波判读原理，由称重板上的各传感器的应变增量信息判断车轮通过与否，毋需设地感线圈对通过车辆进行触发； 步骤二，首波的起跳点为车轮载踏上称重板的开始时刻，并通过前后两车轮轴出现的时间间隔、速度差信息进行前后车辆分割； 步骤三，实时处理通过车辆的时间、车速、轮重、轴重、轴间距信息； 步骤四，自纠错功能，当某个传感器出现故障时，自动报警，并利用插值技术重新计算应变输出。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，其特征在于，在步骤一中，采集各传感器首波到达之前的应变信号，平均值作为对车轮称重的基准应变，认为称重板在车轮载通过期间温度不变，消除了温度对应变测量的影响。
3.如权利要求1所述的基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，其特征在于，在步骤二中，车辆速度和前后轴间距的测量称重公式P = V.S/S0, V为车轮荷载在Y方向的移动速度，车轮在板宽B内移动过程中速度可视为均匀的Atl为单位荷载作用下，板中心线上Y方向上的应变积分输出；s为移动车轮荷载作用下，板中心线上Y方向上的应变积分输出，车辆的行驶速度也参与轮载的计算，将两块称重板分别安装在行车道上的左右两侧，在行车方向间距为lm，由左右侧车轮分别通过称重板的时间差计算得车辆速度，对解调仪系统时间按微秒级读取，由测得的车辆速度和车辆前后轮轴通过称重板的时间差，可计算得车辆前后轮轴的间距。
4.如权利要求1所述的基于光纤光栅高速动态的汽车动态称重方法，其特征在于，称重板包括:弹性元件板、封装螺栓、封装板、光纤、下垫板、限位柱；元件板设置在称重板的中间位置，封装螺栓设置在弹性元件板的前端和后端，封装板设置在弹性元件板的左右两侦牝光纤设置在弹性元件板的下面，下垫板设置在弹性元件板的下面，限位柱设置在称重板的底部。
【文档编号】G01G19/03GK103994809SQ201410091018
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】王强 申请人:王强