基于虛擬儀器技術(shù)的車(chē)載電容式稱(chēng)重傳感器分析

虛擬儀器(Vinual Instrument，簡(jiǎn)稱(chēng)VI)是日益發(fā)展的計算機硬、軟件和總線(xiàn)技術(shù)在向其他相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域密集滲透的過(guò)程中，與測試技術(shù)、儀器儀表技術(shù)密切結合共同孕育出的一項全新的成果。由于儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件都是由軟件形成，因此國際上把這類(lèi)新型的儀器稱(chēng)為“虛擬儀器”。它是利用微機的數據處理和圖形處理功能，將傳統物理儀器的專(zhuān)業(yè)化功能和面板控件軟件化，與檢測數據間的接口也通過(guò)計算機軟件來(lái)實(shí)現。從虛擬儀器顯示面板(如虛擬顯示屏、數碼顯示器和指示燈及示波器等，其在功能上與各種物理儀器相對應)可了解儀器的狀態(tài)，讀取測試結果進(jìn)行分析。

1 車(chē)輛稱(chēng)重傳感器概述

本文根據虛擬儀器的特點(diǎn)，利用電容稱(chēng)重傳感器的車(chē)輛載荷檢測裝置，以車(chē)輛緩沖減振機構中的板彈簧作為稱(chēng)重傳感器的彈性體，可隨時(shí)隨地進(jìn)行靜態(tài)或動(dòng)態(tài)檢測。在載荷作用下，汽車(chē)的緩沖減振機構(板彈簧)產(chǎn)生變形，安裝在特定位置電容傳感器兩極板間的距離發(fā)生變化，電容值變化，傳感器的輸出電壓也隨之發(fā)生變化?；谔摂M儀器從測試靜態(tài)性能的參數分析入手，分析在車(chē)輛靜止時(shí)貨物變化時(shí)電容傳感囂兩極板間電壓變化的規律，為測試動(dòng)態(tài)性能作參考。對特定的載荷對應的電壓值進(jìn)行分析，用虛擬儀器程序子VI的來(lái)進(jìn)行誤差分析和曲線(xiàn)擬合，既方便又直觀(guān)。電容稱(chēng)重傳感器的安裝如圖1所示。

電容上極板部件安裝在車(chē)架下部，左右居中；電容下極板部件安裝在輪軸中部的上方，與電容上極板上下對正。車(chē)輛的每根輪軸上方均安裝一套電容傳感器。

車(chē)輛稱(chēng)重系統各元素之間的關(guān)系如下：

在載荷作用下，汽車(chē)的緩沖減震機構(鋼板彈簧)產(chǎn)生變形，電容傳感器兩極板間的距離d發(fā)生變化，傳感器的電容值也隨之變化。預先標定出傳感器電路輸出電壓值與該輪軸載荷值之間的關(guān)系，以后就可以根據各輪軸傳感器電路的電壓值得到該輪軸的載荷質(zhì)量。將各輪軸的載荷質(zhì)量相加，可以得到整車(chē)載荷質(zhì)量。

2 試驗及數據分析

基于虛擬儀器的電容法檢測車(chē)輛載荷的靜態(tài)分析試驗是在黑豹SM1010型汽車(chē)上進(jìn)行。該車(chē)輛為兩軸鋼板彈簧結構，額定載荷為500 kg。靜態(tài)實(shí)驗過(guò)程中保持車(chē)輛處于水平狀態(tài)，兩輪分別垂直壓在SCS-2蛩電子數字平臺秤上。以100 kg砝碼作為標準單位載荷，對車(chē)輛裝載或卸載。試驗分為兩個(gè)行程(每行程又包括正反兩個(gè)方向)，按照如下順序裝載或卸載：

正向1——在車(chē)輛自由狀態(tài)下(無(wú)遲滯)，自空載逐漸裝載，直到傳感器輸出達到滿(mǎn)量程；
反向1——在正向1的基礎上，逐漸卸至空載；
正向2——在反向1的基礎上(有遲滯)，自空載逐漸裝載，直到輸出再次達到滿(mǎn)量程；
反向2——在正向2的基礎上，逐漸卸至空載。
根據試驗數據，分別求出兩個(gè)行程正反向傳感器輸出的算術(shù)平均值再求出總進(jìn)程算術(shù)平均值。經(jīng)虛擬儀器編程軟件LabVIEW平臺下編程顯示，程序框圖前面板如下。

軟件編程采用模塊化設計，主要包括曲線(xiàn)擬合模塊、直線(xiàn)擬合和誤差分析模塊等。誤差分析模塊中的最小二乘線(xiàn)性度、遲滯性誤差以及重復性誤差都采用子VI的形式，這為動(dòng)態(tài)參數的分析編程提供了很大的方便。誤差處理模塊主要是在分析數據的過(guò)程中，對數據的重復性誤差、最大標準偏差和遲滯性誤差等進(jìn)行分析處理。這些數據為后續的數據處理和電容稱(chēng)重傳感器補償系統編程作為依據，如重復性誤差編程如圖4所示。為了掌握加速度對電容法車(chē)輛載荷檢測的影響情況，根據預先標定出的載荷質(zhì)量與電容傳感器輸出電壓之間的對應關(guān)系，得到某一加速度(aH)下前、后輪軸以及整車(chē)的載荷質(zhì)量，結果見(jiàn)表1。

從表中敷據可知：制動(dòng)過(guò)程中，加速度aH=4 m／s2與aH=0 時(shí)相比，電容傳感器檢測到的前軸載荷質(zhì)量增大了122．5％，后軸減小了60．7％，整車(chē)載荷質(zhì)量增大了14.9％；加速過(guò)程中，加速度aH=1．78 m／s2與aH=0時(shí)相比，前軸載荷質(zhì)量減小了55．7％，后軸增大了14．6％，整車(chē)載荷質(zhì)量減小了14．4％。由此可見(jiàn)，加速度對車(chē)輛載荷檢測的影響很大，為了保證檢測結果的準確性，必須利用軟件補償。
根據表1中的數據繪制出的載荷質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

由以上分析系統顯示結果可知，電容式車(chē)輛稱(chēng)重裝置靜態(tài)時(shí)具有較好的重復性，但也存在著(zhù)一定的非線(xiàn)性誤差及較大的遲滯性，直接影響著(zhù)載荷檢測結果。引起非線(xiàn)性誤差的主要原因是電容相對變化量與極板之間的非線(xiàn)性的關(guān)系。而引起遲滯(包括反向行程不歸零)的主要有兩方面的原因：1)真實(shí)材料都在一定程度上存在遲滯現象；2)車(chē)輛載荷大小不同時(shí)，鋼板彈簧的高度和長(cháng)度隨載荷而變化，彈簧片之間產(chǎn)生摩擦，彈簧片兩端與車(chē)架連接處也產(chǎn)生摩擦。采用高彈性材料的鋼板彈簧、改進(jìn)機械設計、減小摩擦等辦法可減小遲滯影響。而利用軟件方式進(jìn)行非線(xiàn)性補償及遲滯性補償效果十分明顯。

3 結束語(yǔ)

基于虛擬儀器的車(chē)輛稱(chēng)重分析系統，具有操作方便，用戶(hù)界面友好，易編程等特點(diǎn)，盡管虛擬儀器沒(méi)有真正的儀表面板，但在功能上卻遠勝于傳統物理儀器。實(shí)踐證明基于虛擬儀器的車(chē)輛稱(chēng)重系統不僅適合于電容法檢測車(chē)輛載荷靜態(tài)測量分析，同時(shí)更適合于數據量更大的動(dòng)態(tài)測量分析。本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于利用虛擬儀器的軟件面板對電容法檢測車(chē)輛載荷靜態(tài)測量進(jìn)行誤差分析，不僅擺脫了那種列表統計易出錯的缺點(diǎn)，而且結果方便快捷直觀(guān)。