基于PCI-6013汽車(chē)動(dòng)態(tài)軸重系統設計與實(shí)現
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[摘要] 本文以介紹了一個(gè)基于PCI-6013用于動(dòng)態(tài)測量的軸重系統，討論了軸重系統的軟硬件構成，同時(shí)給出了系統的軟件實(shí)現。系統還能夠自動(dòng)測量車(chē)速和軸距以及對車(chē)型分類(lèi)進(jìn)行分類(lèi)，具有很強的實(shí)用性和適用性。
[關(guān)鍵詞] PCI-6013；動(dòng)態(tài)測量；軸重;軸距
大量超過(guò)公路、橋梁限載的運輸車(chē)輛在公路上行駛，致使公路嚴重損壞，大大地縮短了其使用年限。根據《公路瀝青路面設計規范》和《公路水泥路面設計規范》進(jìn)行理論計算，當車(chē)輛軸載質(zhì)量超過(guò)標準軸載質(zhì)量一倍時(shí)，車(chē)輛行駛瀝青路面一次相當于標準車(chē)輛行駛256次；車(chē)輛行駛水泥路面相當于標準車(chē)輛行駛65536次，可見(jiàn)超限運輸車(chē)輛對路面的損壞是成幾何級數增加的。研究和實(shí)踐結果表明，軸重的超限會(huì )使水泥路面的使用年限縮短40%左右，瀝青路面縮短20%-30%左右。一條設計壽命15年的高速公路，如經(jīng)常進(jìn)行超限運輸，則一般只能使用8年左右。超限超載運輸車(chē)輛還嚴重影響橋梁的使用壽命，使得很多應在橋梁使用中、后期才發(fā)生的病害提前發(fā)生，縮短了橋梁的使用壽命，甚至造成橋梁垮塌、人員傷亡的惡性事故，社會(huì )影響極為惡劣。據統計，目前全國公路干線(xiàn)每年因車(chē)輛超限超載造成的損失超過(guò)300億元。在路面上建立長(cháng)期動(dòng)態(tài)軸重自動(dòng)監測系統，對過(guò)往車(chē)輛的軸重、速度、軸距、軸數等進(jìn)行測量，對車(chē)輛進(jìn)行分類(lèi)和各種統計分析，對治理超限超載、評估公路、橋梁狀態(tài)具有非常重要的意義。
2 方案設計
系統的組成框圖如圖1所示：
軸重傳感器采用美國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）、檢測車(chē)軸數、軸距、車(chē)速監控、車(chē)型分類(lèi)、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車(chē)區域監控、交通信息采集（道路監控）。它具有電容式、無(wú)源、高信噪比、大信號等特點(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。利用這一現象，我們將其埋設于路面內，讓通過(guò)汽車(chē)碾壓，車(chē)輪的重力使其產(chǎn)生輸出信號。為了精確測量汽車(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(zhù)半徑方向安裝。
由于傳感器的輸出信號屬電荷信號，非常微弱，內部阻抗極大，所以要通過(guò)場(chǎng)效應管對信號進(jìn)行阻抗變換，然后進(jìn)行信號的放大、濾波等，調理之后的信號送到PCI-6013數據采集卡，進(jìn)行相應的A/D轉換。
動(dòng)態(tài)軸重測量系統需要長(cháng)期運行，其計算機選用工業(yè)控制用機。數據采集選用美國NI公司生產(chǎn)的PCI-6013多功能數據采集卡。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條數字I/O線(xiàn)（5VTTL/CMOS），2路24位的定時(shí)/計數器，數字觸發(fā)，4 組不同的模擬輸入范圍，NI-DAQ驅動(dòng)程序可簡(jiǎn)化配置過(guò)程。PCI-6013數據采集卡有100MΩ的輸入阻抗，保證輸入負載不會(huì )影響進(jìn)入的信號，從而提高數據精確度。工控機上的數據采集軟件對采集到的軸重信號進(jìn)行分析處理，得到運載汽車(chē)的軸重、軸數、車(chē)速和軸距等活載信息，并將這些數據發(fā)送給服務(wù)器入庫。
動(dòng)態(tài)軸重服務(wù)器采用SQL Server2000存儲過(guò)往車(chē)輛的動(dòng)態(tài)活載信息，以供查詢(xún)和分析統計。數據信息查詢(xún)和管理系統在.Net平臺上構建，采用B/S模式。
系統的測量方案如圖2所示：
3 信號采集分析及其軟件實(shí)現
系統軟件實(shí)現主要采用NI公司的Lab VIEW7.0。系統主要分析處理算法用VC++6.0以DLL形式實(shí)現，便于系統維護。系統假設車(chē)速在3m或小于3m的距離內基本上勻速的?；谶@個(gè)假設，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)活載測量系統得以簡(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。由于Roadtrax BL的信號大、高信噪比，再加上調理電路，現實(shí)情況下信號也很接近理想情況。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)測試區域前壓上傳感器2產(chǎn)生的。數據采集卡各個(gè)通道的數據采集率K相同，故采集到的信號個(gè)數相同。同一車(chē)道上兩傳感器相距d，一般取3m。圖2中N1、N2、N3、N4是波峰對應在信號序列中的位置。以下是計算表達式：
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；
在本系統中，現實(shí)情況比較復雜。從DAQ卡采集到的數據中，可能會(huì )不包含軸重信號，即現有緩沖區中軸對不 完整，還不足以分析活載情況，這時(shí)就要對汽車(chē)軸重信號的歸屬問(wèn)題進(jìn)行判別。一般情況下，可以結合汽車(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。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)現了汽車(chē)軸重動(dòng)態(tài)、準確的測量并將所測得的數據通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送，實(shí)現長(cháng)距離的數據傳輸。
本系統是在研項目新原高速公路小溝特大橋長(cháng)期健康監測的一部分，已經(jīng)投入運行。系統除了能夠自動(dòng)測量汽車(chē)總重量和汽車(chē)軸數之外，還能自動(dòng)測量單根軸重，車(chē)速，汽車(chē)軸距。系統運行穩定，所測汽車(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。
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