基于粘贴式应变传感器的车辆超载监测系统

陈广华 鞠 娜 杨 飞 李建伟

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044)

基于粘贴式应变传感器的车辆超载监测系统

陈广华 鞠 娜 杨 飞 李建伟

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院,北京 100044)

针对车辆超载运输,深入研究了车载称重技术,设计了基于车载称重装置的短消息技术的车辆超载监测系统.利用安装在汽车钢板弹簧上的粘贴式应变传感器测量车辆钢板弹簧承受的载荷信息,计算显示车辆总载荷,在车辆超载的情况下车辆超载监测装置启动车载短消息终端以短消息形式发送超载信息,并将数据提供给相关部门.系统经过反复的试验验证,能够准确地检测出车辆的载重状态,可用于交通部门和路政部门对载重车辆进行收费、管理和处罚.

应变传感器;超载;单片机;钢板弹簧;监测系统

随着国民经济的不断发展,运输产业的规模不断扩大,我国公路运输中的超载超限问题也凸显出来,超载超限问题已成为危及人民群众生命安全和国家财产安全,影响社会经济协调、健康发展的一个突出社会问题.车辆称重技术的落后使得治理车辆超载的效果一直不显著.因此提高车辆称重技术成为了解决这一问题的关键[1-3].

本文利用钢板弹簧悬架的变形量与车辆载重的对应关系,获得在车辆正常行驶情况下的载重信息.设计了一套基于嵌入式系统和粘贴式应变传感器的车辆超载动态监测装置.在车辆自由运行的过程中,检测车辆的载重情况.并利用 SMS(Short Messaging Service)技术,实现车辆身份信息和超载信息的远程监测[4-7].

1 车辆载重监测系统的设计原理

基于 AT89C52单片机,采集车身浮动辨识电路输出的开关量及加速度传感器信号,判断车辆运动状态.当车厢浮动正常并且车辆匀速行驶时,由应变传感器采集 4路载重信息,经单片机处理后存储车辆载重信息并将其显示在液晶显示屏上,每隔30s刷新一次,当车体振动幅度超过预设值或非匀速行驶时,通过软件实现上次采样信息的 5s延时,间隔 5 s重新检测车辆运行状态.车辆持续超载时,SMS通信装置将车辆信息以及超载信息以短消息形式发送给管理中心,管理中心监视车辆超载情况,并把数据提供给相关部门,系统构成如图 1所示.

图 1 车辆超载监测系统原理图

2 系统的硬件设计

系统的硬件主要由传感器组、信号调理电路、数据信息处理单元及 GSM通信模块[8]构成.系统硬件结构如图 2所示.

图 2 系统硬件结构图

2.1 称重传感器的研制

传感器组包括加速度传感器,车厢浮动继电器和称重传感器.加速度传感器和车厢浮动继电器采用普通市售传感器即可满足要求,主要是用来检测车辆的加速度和车厢浮动情况,以消除车辆振动和重心移动对检测结果造成的影响,避免产生冲击干扰.称重传感器用来检测车体的载重,采用应变片电阻粘贴的方法实现,需要自行研制,下面介绍其检测原理及结构设计.

2.1.1 粘贴式应变传感器检测原理[9]

目前广泛应用的称重传感器都是利用地球的重力作用,检测物体的重力在垂直方向上造成的承重物应变来计算出物体的质量.本文设计的粘贴式应变传感器粘贴在钢板弹簧表面,传感器可以通过检测钢板弹簧表面应变测得钢板弹簧的簧载质量.

由于钢板弹簧弦长的变化与板簧承载量成线性关系.由微积分原理可知,钢板弹簧中的一固定小段 AB的长度变化也与板簧承载量成线性关系.因此,可以通过检测 AB的长度变化得到车辆的载重信息.

本文用电阻应变片检测 AB段的长度变化.电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体材料在外界力作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化,即“应变效应”.电阻应变效应的理论公式[10]如下:

式中,ρ为电阻率,Ω·mm2/m;L为金属丝的长度,m;S为金属丝的截面积,mm2.

由式(1)可知,金属丝在承受应力而发生机械变形的过程中,ρ,L,S三者都要发生变化,从而必然引起金属丝电阻值的变化.当受外力伸张时,长度增加,截面积减小,电阻值增加;当受压力缩短时,长度减小,截面积增大,电阻值减小.因此,只要能测出电阻值的变化,便可知金属丝的应变情况,这种转换关系为

式中,R为金属丝电阻值的变化量;K0为金属材料的应变灵敏系数,主要由实验方法确定,且在弹性极限内基本为常数值;ε为金属材料的轴向应变值,即 ε=ΔL/L,因此又称 ε为长度应变值,对金属丝而言,其值在 0.24～0.40之间.

由式(2)可知,当钢板弹簧表面受外力作用时,就会产生微小机械变形,粘贴在其表面上的应变片也随之发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化.这样,电阻应变片就将力学量转换成了电阻的变化量输出.

由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,就要把电阻相对变化 ΔR/R转换为电压的变化,本文采用直流恒压电桥测量电路来实现该转换.应变电桥 AC两端接直流电源,BD两端为电桥输出端,应变电桥如图 3所示.

车辆承载后,钢板弹簧的变形导致粘贴在弹簧表面的传感器变形,传感器中的应变片受力变形.其中桥臂电阻 R1,R4受压应变,R2,R3受拉应变.根据全桥差动电路的原理,应变电桥输出电压为

图 3 应变电桥

本设计中,应变电桥中所用应变片的型号相同,则有

应变片受力变形时,一般有

则有

系统通过检测 ΔU的变化,则可间接检测车体载重量[10].由于应变片机械变形量很小,所以ΔU值非常小,需要经过放大处理才能将信号进行 AD转换,进入微处理器进行处理.放大功能由高精度仪表专用放大器 AD620实现[11].电路原理如图 4所示.

图 4 放大电路原理图

2.1.2 AD转换及数据采集传感器结构设计

称重传感器由弹性基底、电阻应变片、信号调理电路和保护层组成[9].其基本结构如图5所示.

图 5 传感器结构示意图

基底采用弹性橡胶制成,它应具有良好的弹性特性、足够的精度和稳定性,在长期使用中和温度变化时,都应保持稳定的特性.本文选用 CGF2462P硫化橡胶制成弹性基座,基座厚度为4mm,弹性模量为 7.84MPa,保护层为硅胶涂覆层.应变片型号为 BE(BA)350-6AA,按照电桥的要求对称贴在基底上.

使用时先用四氯化碳清除钢板弹簧表面油污,并用 0号砂布打磨除锈并用溶液进行清洗,然后将传感器粘贴在钢板弹簧表面[12].

2.1.3 汽车钢板弹簧应变与荷重关系分析

该传感器的制作选用具有 20%变形量的应变片,一般钢板弹簧的最大变形量小于 20%,在本文选用的应变片测量范围之内.

对于特定的钢板弹簧,其刚度系数、弯曲跨距和板簧厚度都是固定值,汽车载荷重量和钢板弹簧应变的关系为

式中,α为钢板弹簧相关系数,由钢板弹簧厚度、刚度和弯曲跨距决定;Δε为钢板弹簧表面应变;k为钢板弹簧刚度,N/mm;l为钢板弹簧跨距,mm;h为钢板弹簧厚度,mm;g为重力加速度.

2.2 信号处理电路设计

信号处理电路包括稳压电源、信号调理与采集、传感器测试、微控制器、数据存储、液晶显示和超载报警模块.

信号调理部分完成对应变片传感器检测到的微弱电压进行放大、整形、滤波.经过调理的电压信号由 ADC0809实现模数转换,ADC0809是 8位逐次逼进型转换芯片,具有 8路输入,转换速度为100μs,转换精度满足要求.微处理器采用低电压、高性能 CMOS 8位 AT89C52单片机,片内含8KB的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和256字节的随机存取数据存储器,片内置通用 8位中央处理器和 Flash存储单元.单片机将采集到的车辆载重信息进行处理,将其处理结果在液晶屏上实时显示,当车辆超载时启动声光报警并通过短消息发送到车辆超载监测管理平台.

2.2.1 AD转换及数据采集

信号调理电路将传感器输出的微弱信号转化成了 1～5V的标准信号,但是,CPU接收和处理这些信号,还要通过 AD转换.本文采用 ADC0809实现 AD转换功能.ADC0809与 CPU的接口电路如图 6所示.

2.2.2 液晶显示

本文采用串口方式控制,YLF12232与微控制器的接口方式如图 7所示.

图 6 ADC0809接口电路

图 7 YLF12232接口电路

YLF12232F液晶显示器是一种内置 8 192个16×16点汉字库和 128个 16×8点 ASCII字符集图形点阵液晶显示器,它主要由行驱动器/列驱动器及 128×32全点阵液晶显示器组成.可完成图形显示,也可以显示 7.5×2个(16×16点阵)汉字,与外部 CPU接口采用并行或串行方式控制.

3 系统软件设计

系统软件设计主要完成数据采集、数据处理、液晶显示和超载报警工作.程序采用 C51语言编写[13].

监测主程序包括系统自检、信号采集与处理、显示报警及短消息发送.针对车辆振动的干扰,可以采用延时与车辆运行状态检测结合的方式解决.监测主程序流程如图 8.

图 8 监测程序流程图

4 系统试验平台数据测试

以北汽福田车辆股份有限公司 BJ1046V8JD6轻型载货汽车进行系统测试,其额定载重为1.5 t,采用250kg沙袋为载重单位,对系统进行测试,从而评估该系统的性能.

实验过程中,车辆在平整路面上以 20 km/h的速度行使,在车辆上不断加载沙袋,将液晶显示屏上显示的车辆实际载荷、前轴静态载荷、后轴静态载荷、总静态载荷及管理平台显示的车辆超载情况如表 1所示.

表 1 测试数据 t

通过实验数据的误差分析可以看出,车辆载重量在额定载重附近时,检测精度最高,随着载重量偏离额定载重,检测精度降低.

系统经过多次测试,测量误差均在 2%内,满足系统设计精度要求.

5 结 论

车辆超载监测系统的设计实现了车辆超载监测装置,完成了传感器组、车载主控单元和车载短消息终端的软硬件设计,实现了车辆超载动态监测管理平台,完成了短消息收发的设计.

车辆载重监测系统已研制出样机,实验中应用效果良好.实践证明,该系统可靠性高,抗干扰能力强,能适应车辆运行的恶劣环境;系统安装方便,操作简单易行,安装后不会改变车辆平稳性能;实现车辆载重的动态全程监测;检测精度高,能够准确地反映车辆的载重状态,可用于交通部门和路政部门对载重车辆进行收费、管理和处罚,从而有利于治理超载超限,营造一个良好的物流环境.该系统实现了车辆的智能管理,具有广泛的应用前景.

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(编 辑:赵海容)

Monitoring system for vehicle overloading base on paste-type strain sensor

Chen Guanghua Ju Na Yang Fei Li Jianwei

(School of Mechanical,Electronic and Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)

The on-board weighing technology was studied for the overloading of vehicle.A monitoring system was designed for overloading based on the on-board weighing device and short message technology.The system used paste-type strain sensor that installed in vehicle's leaf spring to obtain load on the leaf spring and then calculated and displayed the total load of vehicle.When vehicle is overloaded the monitoring device control on-board short message terminals to send a short message of overloading,also it provided data to the relevant departments.The system can accurately detect the vehicle load after repeated verification,which can be used for the departments of transportation and highways to charge,manage and punish the loading vehicle.

strain sensor;overloading;single chip;leaf spring;monitoring system

U 46;TH 7

A

1001-5965(2011)04-0409-06

2010-01-14

陈广华(1966-),女,天津宝坻人,高级工程师,ghchen1@bjtu.edu.cn.