车辆轴载测试系统研发与轴载数据分析
发布时间：2021-06-08 20:14
近年来,我国交通运输和道路建设行业飞速发展,新改建道路里程不断增多,营运车辆数量也不断增加。为了能够准确进行交通量和车辆轴载数据统计,为路面结构设计和预防性养护提供数据支持,本论文基于PVDF压电膜传感器研发了一套联网版的车辆轴载动态称重系统,并搭建道路载荷大数据平台,能够实时获取道路的交通量及车辆轴载数据。本文首先详细介绍测试系统的硬件功能组成,分析了 PVDF压电膜传感器的工作原理,设计了信号处理电路对传感器信号进行处理,并通过单片机实现了信号的高速采集。基于地感线圈设计了 LC振荡电路,实现车辆位置的检测。设计数据存储及4G无线传输电路,实现了测试数据的实时存储和远距离传输等功能。在此基础上完成整个系统的集成、封装与功能测试。其次,利用封装的系统对车辆位置检测及车辆参数计算方法进行研究。提出基于地感线圈的车辆位置检测算法,通过多种抗干扰手段提高检测的鲁棒性,实现高速运行车辆位置的快速检测。设计车辆参数计算软件实现车辆轴重、车速、轴距及车辆轮迹线等参数的计算,并提出温度修正算法提高轴重测量精度。搭建道路载荷大数据平台实现参数的显示、查询、存储及分析。再次,通过道路试验对车速及路面温...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
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第２章车辆轴载测试系统硬件电路设计??＂?￣＂ｉ?｜??Ｋ电膜娜器１?＾压电膜传感器龍晋佶链?｜??ｆｋ电膜传感器２?ｃｔｉｔ＞谅号处？埋电路丨’?，丨?—］＜Ｊ＝ｉ实时时钟电路?｜??压电膜传感器３????Ｉ??丨?＜＝＞?数锯存储电路?｜??????ｎ?ｉ?Ｉ?数据传输攀儿?????１?＿?车辆位贾ｒＺ＾ｌｌｌｘ閉５如ＲＳ丄。舰錯宁?（ＤＴＵ）??丨賴圈Ｉ峨检酿路１?＞阶机０状态指示电路ｉ?￣￣Ｘ???—??１?４Ｇ??＜＝□电压检测电路?Ｕ??ＤＳ１８Ｂ２０?１，｜，１?－ｆｆ，｜ｎｎｒｔｌ－；?Ｉ?０?＿?狗幅?丨祕藏??溢度传感器＆?处理电路?＾???人数据＿ｆ台??伶感器?处珲电路??图２－２系统功能组成框图??２．２压电膜传感器信号处理电路设计??２．２．〗压电膜传感器的原理??压电膜传感器在受到车辆轮胎的压力后，晶体内部产生极化现象，在上下表??面产生极性相反、大小相等的电荷，将外界的力转化为电信号输出；当轮胎压力??卸掉后，传感器恢复到不带电状态。根据这一现象，压电膜传感器满足第一类压??电方程：??Ｄ，．?＝ｄ．．＜ｒｙ．＋￡＾Ｅ，?（２－１）??其中，??ｉ?＝１，２，３；＝１，２，３，４，５，６；?ｋ＝＼，２，３?；??Ｄ，．为电位移矩阵；??为压电应变常数矩阵；??为应力矩阵；??４为自由介电常数矩阵；??为电场强度矩阵。??传感器经过拉伸极化处理之后具有４ｍｍ点群的对称性，所以其压电应变常??数矩阵为：??１３??
第２章车辆轴载测试系统硬件电路设计??２．２．２压电膜传感器信号处理电路??ＰＶＤＦ压电膜传感器是高阻抗信号产生元件，输出的是电荷信号，需要通过??电荷放大电路将这种微弱的电荷信号转换为电压信号。研究表明，电荷放大器的??输出电压仅与传感器产生的电荷量和电路反馈电容有关，极少受其它干扰影响［５８］。??设计的电路需要保证运算放大器具有极高的输入阻抗和极低的偏置电流。因此，??本文考虑选用ＬＭＣ６６０设计电荷放大电路，如图２－３所示。器件的正向输入端接??入一个偏置电压（［／＜），反向输入端则接入传感器信号，通过电荷放大器（＾）将微??弱的电荷信号转换为电压信号（⑶），根据式（２－７）计算输出电压值。电压信号（⑶）??通过放大器（ｔ／ｊ？）进一步放大为电压信号计算公式为（２－８）。??ｕ〇＇＝?－?餐?（２＿７）??Ｔ１?－ＪＪ?／?＾４?＊＾５?＾４?＊?＾６?＾６?＼?ｔｊ?＾６?ｐ?〇＼??其中，??Ｇ为反馈电容，／？／、心、尺５和沁图２－３中的电阻。??电路中主要影响信号输出的器件主要是反馈电容（Ｃ／）和反馈电阻以７）。反馈??电容可将电荷信号转换为电压信号，反馈电阻并联在反馈电容两端，可以在电路??开路的时候提供直流反馈，减少零漂，提高系统稳定性。最后通过单片机采集放??大后的模拟量信号，计算得到车辆轴重、车速、轴距和轮迹线等数据。??Ｖｒｅｆ??ｌｅｅ??Ｔ?卜Ｔ??ｉｎｐｕｔ?Ｌｃ＝ｄ?１?ｖ〇ｉ??ＰＶＤＦ?ｓ—ｉ?□?ｔ??Ｕｏｊ??丄?ｔ?１??ＧＮＤ?－＝ｂ－?￣??。?ＧＮＤ?Ｇ＞Ｔ＞???１｜?１＝１??１＝１???Ｒｓ?Ｒ６???Ｃ＝
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国公路养护市场化的问题与发展建议[J]. 陈克鸿,陈冠雄. 中国公路. 2019(13)
[2]压电材料动态称重传感器的融合设计方法[J]. 刘小锋,冯志敏,胡海刚. 仪器仪表学报. 2019(04)
[3]港口道路轴载谱数据的采集与计算分析[J]. 马培建,张明,王伟旭,蒋青春. 黑龙江交通科技. 2018(10)
[4]加速度传感器信号数据处理中滤波算法的应用[J]. 张斐,刘志杰. 电脑与信息技术. 2018(03)
[5]动态车辆称重系统的算法研究[J]. 张惠芳,张海宁. 国外电子测量技术. 2017(07)
[6]车辆称重技术专利浅析[J]. 王媛. 建材与装饰. 2017(11)
[7]路面结构设计中的代表车型轴载换算研究[J]. 秦健. 上海公路. 2016(04)
[8]高精度阵列式压电石英动态称重系统研究[J]. 王磊,尹燕,周伟,王选仓. 中国公路学报. 2016(05)
[9]陕西省高速公路轴载特性区域划分[J]. 路鑫,梁武星. 交通运输研究. 2015(02)
[10]以电子汽车衡为平台的便携式动态轴重仪校准方法[J]. 胡梦龙. 计量与测试技术. 2014(06)
硕士论文
[1]车载式车辆荷载质量动态称重系统研发[D]. 宋文凤.长安大学 2018
[2]车载动态称重系统的研究与设计[D]. 李惠敏.太原理工大学 2016
[3]唐津高速公路通行能力研究及路网规划分析[D]. 王媛.天津大学 2015
[4]水泥基压电传感器动态称重系统研究[D]. 朱剑波.华南理工大学 2014
[5]基于压电薄膜轴传感器的动态称重系统的研发[D]. 孙秀雅.合肥工业大学 2014
[6]车辆与路面相互作用下路面结构动力分析[D]. 龙超.湖南大学 2013
[7]基于实测数据的高速公路随机车流仿真模拟理论及程序开发[D]. 高文博.长安大学 2010
[8]车辆动态称重仪表的设计[D]. 徐进.太原理工大学 2010
[9]基于实桥车辆调查的在役桥梁可靠度研究[D]. 安振源.长安大学 2010
本文编号：3219127
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１压电膜传感器实物图??ＰＶＤＦ，，
第２章车辆轴载测试系统硬件电路设计??＂?￣＂ｉ?｜??Ｋ电膜娜器１?＾压电膜传感器龍晋佶链?｜??ｆｋ电膜传感器２?ｃｔｉｔ＞谅号处？埋电路丨’?，丨?—］＜Ｊ＝ｉ实时时钟电路?｜??压电膜传感器３????Ｉ??丨?＜＝＞?数锯存储电路?｜??????ｎ?ｉ?Ｉ?数据传输攀儿?????１?＿?车辆位贾ｒＺ＾ｌｌｌｘ閉５如ＲＳ丄。舰錯宁?（ＤＴＵ）??丨賴圈Ｉ峨检酿路１?＞阶机０状态指示电路ｉ?￣￣Ｘ???—??１?４Ｇ??＜＝□电压检测电路?Ｕ??ＤＳ１８Ｂ２０?１，｜，１?－ｆｆ，｜ｎｎｒｔｌ－；?Ｉ?０?＿?狗幅?丨祕藏??溢度传感器＆?处理电路?＾???人数据＿ｆ台??伶感器?处珲电路??图２－２系统功能组成框图??２．２压电膜传感器信号处理电路设计??２．２．〗压电膜传感器的原理??压电膜传感器在受到车辆轮胎的压力后，晶体内部产生极化现象，在上下表??面产生极性相反、大小相等的电荷，将外界的力转化为电信号输出；当轮胎压力??卸掉后，传感器恢复到不带电状态。根据这一现象，压电膜传感器满足第一类压??电方程：??Ｄ，．?＝ｄ．．＜ｒｙ．＋￡＾Ｅ，?（２－１）??其中，??ｉ?＝１，２，３；＝１，２，３，４，５，６；?ｋ＝＼，２，３?；??Ｄ，．为电位移矩阵；??为压电应变常数矩阵；??为应力矩阵；??４为自由介电常数矩阵；??为电场强度矩阵。??传感器经过拉伸极化处理之后具有４ｍｍ点群的对称性，所以其压电应变常??数矩阵为：??１３??
第２章车辆轴载测试系统硬件电路设计??２．２．２压电膜传感器信号处理电路??ＰＶＤＦ压电膜传感器是高阻抗信号产生元件，输出的是电荷信号，需要通过??电荷放大电路将这种微弱的电荷信号转换为电压信号。研究表明，电荷放大器的??输出电压仅与传感器产生的电荷量和电路反馈电容有关，极少受其它干扰影响［５８］。??设计的电路需要保证运算放大器具有极高的输入阻抗和极低的偏置电流。因此，??本文考虑选用ＬＭＣ６６０设计电荷放大电路，如图２－３所示。器件的正向输入端接??入一个偏置电压（［／＜），反向输入端则接入传感器信号，通过电荷放大器（＾）将微??弱的电荷信号转换为电压信号（⑶），根据式（２－７）计算输出电压值。电压信号（⑶）??通过放大器（ｔ／ｊ？）进一步放大为电压信号计算公式为（２－８）。??ｕ〇＇＝?－?餐?（２＿７）??Ｔ１?－ＪＪ?／?＾４?＊＾５?＾４?＊?＾６?＾６?＼?ｔｊ?＾６?ｐ?〇＼??其中，??Ｇ为反馈电容，／？／、心、尺５和沁图２－３中的电阻。??电路中主要影响信号输出的器件主要是反馈电容（Ｃ／）和反馈电阻以７）。反馈??电容可将电荷信号转换为电压信号，反馈电阻并联在反馈电容两端，可以在电路??开路的时候提供直流反馈，减少零漂，提高系统稳定性。最后通过单片机采集放??大后的模拟量信号，计算得到车辆轴重、车速、轴距和轮迹线等数据。??Ｖｒｅｆ??ｌｅｅ??Ｔ?卜Ｔ??ｉｎｐｕｔ?Ｌｃ＝ｄ?１?ｖ〇ｉ??ＰＶＤＦ?ｓ—ｉ?□?ｔ??Ｕｏｊ??丄?ｔ?１??ＧＮＤ?－＝ｂ－?￣??。?ＧＮＤ?Ｇ＞Ｔ＞???１｜?１＝１??１＝１???Ｒｓ?Ｒ６???Ｃ＝
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国公路养护市场化的问题与发展建议[J]. 陈克鸿,陈冠雄. 中国公路. 2019(13)
[2]压电材料动态称重传感器的融合设计方法[J]. 刘小锋,冯志敏,胡海刚. 仪器仪表学报. 2019(04)
[3]港口道路轴载谱数据的采集与计算分析[J]. 马培建,张明,王伟旭,蒋青春. 黑龙江交通科技. 2018(10)
[4]加速度传感器信号数据处理中滤波算法的应用[J]. 张斐,刘志杰. 电脑与信息技术. 2018(03)
[5]动态车辆称重系统的算法研究[J]. 张惠芳,张海宁. 国外电子测量技术. 2017(07)
[6]车辆称重技术专利浅析[J]. 王媛. 建材与装饰. 2017(11)
[7]路面结构设计中的代表车型轴载换算研究[J]. 秦健. 上海公路. 2016(04)
[8]高精度阵列式压电石英动态称重系统研究[J]. 王磊,尹燕,周伟,王选仓. 中国公路学报. 2016(05)
[9]陕西省高速公路轴载特性区域划分[J]. 路鑫,梁武星. 交通运输研究. 2015(02)
[10]以电子汽车衡为平台的便携式动态轴重仪校准方法[J]. 胡梦龙. 计量与测试技术. 2014(06)
硕士论文
[1]车载式车辆荷载质量动态称重系统研发[D]. 宋文凤.长安大学 2018
[2]车载动态称重系统的研究与设计[D]. 李惠敏.太原理工大学 2016
[3]唐津高速公路通行能力研究及路网规划分析[D]. 王媛.天津大学 2015
[4]水泥基压电传感器动态称重系统研究[D]. 朱剑波.华南理工大学 2014
[5]基于压电薄膜轴传感器的动态称重系统的研发[D]. 孙秀雅.合肥工业大学 2014
[6]车辆与路面相互作用下路面结构动力分析[D]. 龙超.湖南大学 2013
[7]基于实测数据的高速公路随机车流仿真模拟理论及程序开发[D]. 高文博.长安大学 2010
[8]车辆动态称重仪表的设计[D]. 徐进.太原理工大学 2010
[9]基于实桥车辆调查的在役桥梁可靠度研究[D]. 安振源.长安大学 2010
本文编号：3219127
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