基于PCI-6013汽车动态轴重系统设计与实现

1引言

大量超过公路、桥梁限载的运输车辆在公路上行驶，致使公路严重损坏，大大地缩短了其使用年限。根据《公路沥青路面设计规范》和《公路水泥路面设计规范》进行理论计算，当车辆轴载质量超过标准轴载质量一倍时，车辆行驶沥青路面一次相当于标准车辆行驶256次；车辆行驶水泥路面相当于标准车辆行驶65536次，可见超限运输车辆对路面的损坏是成几何级数增加的。研究和实践结果表明，轴重的超限会使水泥路面的使用年限缩短40%左右，沥青路面缩短20%-30%左右。一条设计寿命15年的高速公路，如经常进行超限运输，则一般只能使用8年左右。超限超载运输车辆还严重影响桥梁的使用寿命，使得很多应在桥梁使用中、后期才发生的病害提前发生，缩短了桥梁的使用寿命，甚至造成桥梁垮塌、人员伤亡的恶性事故，社会影响极为恶劣。据统计，目前全国公路干线每年因车辆超限超载造成的损失超过300亿元。在路面上建立长期动态轴重自动监测系统，对过往车辆的轴重、速度、轴距、轴数等进行测量，对车辆进行分类和各种统计分析，对治理超限超载、评估公路、桥梁状态具有非常重要的意义。

2 方案设计

系统的组成框图如图1所示：

图1 系统组成框图

轴重传感器采用美国Measurement Specialties公司生产的Roadtrax BL压电薄膜交通传感器，该传感器被用于动态称重（WIM）、检测车轴数、轴距、车速监控、车型分类、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通信息采集（道路监控）。它具有电容式、无源、高信噪比、大信号等特点。

压电材料在受到外力时，会产生与作用力成正比的电荷信号。利用这一现象，我们将其埋设于路面内，让通过汽车碾压，车轮的重力使其产生输出信号。为了精确测量汽车轴重，必须尽可能使汽车一根车轴上的轮胎同时压上传感器，轴重传感器要垂直于车辆行进方向安装，曲线路面要沿着半径方向安装。

由于传感器的输出信号属电荷信号，非常微弱，内部阻抗极大，所以要通过场效应管对信号进行阻抗变换，然后进行信号的放大、滤波等，调理之后的信号送到PCI-6013数据采集卡，进行相应的A/D转换。

动态轴重测量系统需要长期运行，其计算机选用工业控制用机。数据采集选用美国NI公司生产的PCI-6013多功能数据采集卡。它的主要特性有：200KS/S采样率，16位精度的16路模拟输入，2路模拟输出，8条数字I/O线（5VTTL/CMOS），2路24位的定时/计数器，数字触发，4组不同的模拟输入范围，NI-DAQ驱动程序可简化配置过程。PCI-6013数据采集卡有100MΩ的输入阻抗，保证输入负载不会影响进入的信号，从而提高数据精确度。工控机上的数据采集软件对采集到的轴重信号进行分析处理，得到运载汽车的轴重、轴数、车速和轴距等活载信息，并将这些数据发送给服务器入库。

动态轴重服务器采用SQL Server2000存储过往车辆的动态活载信息，以供查询和分析统计。数据信息查询和管理系统在.Net平台上构建，采用B/S模式。

系统的测量方案如图2所示：

图2 系统测量方案

3 信号采集分析及其软件实现

系统软件实现主要采用NI公司的Lab VIEW7.0。系统主要分析处理算法用VC++6.0以DLL形式实现，便于系统维护。系统假设车速在3m或小于3m的距离内基本上匀速的。基于这个假设，在不用额外安装传感器来判别车来车走情况下，使得整个汽车活载测量系统得以简化。

下面以一辆2轴车为例介绍一下汽车轴重、轴距和车速的计算。图3是一辆2轴车先后压上两个传感器后的理想信号。由于Roadtrax BL的信号大、高信噪比，再加上调理电路，现实情况下信号也很接近理想情况。汽车先压上传感器1，后压传感器2。汽车前轴压上传感器1产生波峰①，压上传感器2产生波峰③，波峰④是车辆后轴离开测试区域前压上传感器2产生的。数据采集卡各个通道的数据采集率K相同，故采集到的信号个数相同。同一车道上两传感器相距d，一般取3m。图2中N1、N2、N3、N4是波峰对应在信号序列中的位置。以下是计算表达式：

车辆前轴过完两个传感器的时间t=（N2-N1）/ K或者t=(N2-N1 +N4-N3)/(2*K)；

车辆的车速V=d / t；车辆轴距J=（N4-N1）*V/K；

前轴轴重W1=S1n1+S1n1+1+…+S1n2或W1=（S1n1+S1n1+1+…+S1n2+             S2n3+S2n3+1+…+S2n4）/2，即进行软积分，后轴轴重同理；

图3 理想轴重信号

图4 工作流程图

在本系统中，现实情况比较复杂。从DAQ卡采集到的数据中，可能会不包含轴重信号，即现有缓冲区中轴对不完整，还不足以分析活载情况，这时就要对汽车轴重信号的归属问题进行判别。一般情况下，可以结合汽车车速和轴距这两个方面综合考虑。汽车的分类，我们考虑汽车总轴重、单个轴重和轴距三个因素，将汽车分为小中大三种类型。整个软件的工作流程图如图4所示。

图5显示的是轴重的信息查询系统。轴重传感器安装在高速公路的行车道和超车道上。其中汽车的轴距和各根轴重没有列出，可以通过点击上桥时间的链接来查看。

4 结束语

本文作者创新点是利用比较少的传感器，实现了汽车轴重动态、准确的测量并将所测得的数据通过以太网发送，实现长距离的数据传输。

本系统是在研项目新原高速公路小沟特大桥长期健康监测的一部分，已经投入运行。系统除了能够自动测量汽车总重量和汽车轴数之外，还能自动测量单根轴重，车速，汽车轴距。系统运行稳定，所测汽车活载的误差很小，线性度好，很好地满足了社会的要求。