基于LabVIEW和.NET的动态轴重测量系统

吴 雨 桐

(西安科技大学高新学院，陕西 西安710000)

基于LabVIEW和.NET的动态轴重测量系统

吴 雨 桐

(西安科技大学高新学院，陕西 西安710000)

针对目前日益繁重的交通运输现象，为减免超重车辆对桥梁结构产生的不利影响，文中以压电式传感器为基础原件，通过LabVIEW编程来控制PCI-6013完成数据的采集及存储工作.结合现场实测数据，对整个动态轴重测量系统进行现场安装调试，结果表明，该系统能够很好地达到车辆数据动态采集的目的，具有良好的稳定性和可靠性，精度满足工程要求.

压电薄膜传感器;动态轴重测试系统;桥梁工程

1 背 景

桥梁作为跨越沟壑山涧或江河等不良地质的一个便捷构造物，在交通发展中起着不可替代的作用.随着经济的发展以及运营公司的利益，运输车辆超载超限现象日益普遍.结合当前的运输状况，如果桥梁上的荷载长期超限，桥梁结构表面及内部的损伤会逐渐增大，其动力冲击系数也会相应的提高，经过长时间的积累以后，必然会导致桥梁表面及内部破坏的出现，从而影响其使用寿命.

本文以廊涿高速上的某座桥梁为工程实例.在距离桥头100 m的路面上安装动态轴重测量系统，以便对行驶过的车辆进行数据采集、存储等工作，该系统的主要功效：(1)借助于传感器精确的感知桥梁上各类车辆的运行速度；(2)通过分析得到车辆的轴重、轮重、轴数、轴距等详细信息，最终确定出该车的车型，当车辆载重超限时触发报警装置，在车辆上桥前发出警报，避免了对桥梁造成的严重危害.从交通数据的调查统计的角度来看，这显得尤为重要，在动态方面来说，这也是目前国内研究的一个重点方向[1].

2 系统组成

动态轴重测量系统以压电式传感器为元件，以PCI-6013为连接装置，以LabVIEW来发布控制命令，结合图像抓拍相机，及达到了轴重数据的采集传输，又满足了存储的要求.

测量轴重所选用的传感器为压电复合薄膜传感器(美国Measurement Specialties公司生产)，该传感器具有无源、信号强度高等特点.该传感器的设计原理在于：传感器中的压电材料在外界动荷载的作用下，会产生与动荷载大小成正比的电荷信号.党路面有汽车通过时，路面的荷载会发生变化，埋设于路面内的压电复合薄膜传感器就会对外输出变化的电荷信号.在本研究中，为了更加精确的获得汽车的轴重，在汽车轮胎的地步同时也设置了压电薄膜传感器，该传感器安装要根据路面的实际状况进行区别，对于直线型路面，一般垂直于路面方向设置，对于曲线路面，一般沿径向设置.

由于压电复合薄膜传感器厚度较小，主要受构件变形的影响，实验过程中的车辆荷载值不足以使结构产生足够大的变形，所以其输出的电学信号较弱，必须采用电荷放大器对其电学信号进行放大，同时，在实际实验过程中，传感器受到的干扰较多，产生的信号比较杂乱，对收集的信号还需进行过滤，经过放大、过滤以后的信号通过数据采集卡进行采集，同时还要进行A/D的转换[2].该套测量系统的测量方案如图1所示：

图1 系统组成示意图

3 系统软件开发

轴重的数据是通过现场计算机运行的LabView程序采集处理后传送给上位机的.通过设置设备号，数据采样率，通道号及缓冲区大小即可.数据采集部分如图2所示：

图2 系统测量方案

接下来就是把采集到的数据进行转化从而得到需要的数据，因为LabView可以方便的调用动态链接库[3]，通过动态链接库能带来很大的方便，因此在这里，我们采用动态链接库DLL的形式.

(1)基本概念.

DLL(动态链接库)是一个程序模块，由于模块中封装了很多资源和实例，所以，该模块可以被很多程序共享.动态链接是相对于静态链接而言的.所谓静态链接是指把要调用的函数或者过程链接到可执行文件中，成为可执行文件的一部分.

(2)动态链接库的优点.

①共享代码、资源和数据.

②隐藏实现的细节.

(3)实现方法.

Run-time Dynamic Linking

文章提到的这种实现方法是指在编译之前如何调用动态链接库函数并未确定，在运行过程中结合实际情况去选择和调用函数，并用LoadLibrary和GetProcAddress动态获得动态链接库函数的入口地址.

主要代码如下：

/*参数说明

*NorthSignal：北面传感器，检测到的轴的位置序列

*dimSize2：南面传感器，检测到的轴的个数

*SouthSignal：南面传感器，检测到的轴的位置序列

*Speed：计算出来的车辆的速度，根据北面和南面传感器的第一个轴位置计算可得

*dimSize1：北面传感器，检测到的轴的个数

*numZhou：计算出来的轴数

*/declspec(dllexport)void JudgeCar(unsigned long NorthSignal,long dimSize2，

unsigned long SouthSignal,double*Speed,long dimSize1,

unsigned char*numZhou)//接口部分，此形式固定，在进行软件升级//的时候只需要修改下面的代码

{初始化要返回的值

//如果其中的某个传感器的轴数小于2,则不计算返回

if(dimSize2<2 || dimSize1<2)return;

//否则，首先计算出车速和轴距

//根据前两个轴的位置计算出瞬时车速和平均车速

CarSpeed1=(3*5 000.0)*3.6/(SouthSignal[0]-NorthSignal[0]);

CarSpeed2=(3*5 000.0)*3.6/(SouthSignal[1]-NorthSignal[1]);

CarSpeed=(CarSpeed1+CarSpeed2)/2;

计算出轴距

//此时前面的两根轴，已经是此辆车的一部分，即最少是2根轴

num=2;

for(i=2;i

{//继续判断其是否是2轴以上的车，依据的是车速和轴距

图3 数据接收软件中轴重数据显示

//首先计算出接下来的轴的车速S

s=(3*5 000.0)*3.6/(SouthSignal[i]-NorthSignal[i]);

//根据车速s，算出平均轴距d

d1=(NorthSignal[i]-NorthSignal[i-1])/5000.0*s/3.6;

d2=(SouthSignal[i]-SouthSignal[i-1])/5000.0*s/3.6;

d=(d1+d2)/2;

如果后续轴的车速和轴距，与前面计算出来的相差在允许范围内，则接受此轴

*numZhou=num;

*Speed=CarSpeed;}

最后将转换得到的数据通过以太网传到上位机，进行显示和存储.

4 系统显示及web查询功能

轴重传感器是通过车辆的每一根轴对它的压力及产生压力的时间来计算车辆的轴重、总重、轴距和车速的，并且对超车道和行车道分别进行计算.从图3中可以看出行车道和超车道的车总重为21.9 t和1.21 t，它们的车速分别为22 km/h和89 km/h.这些数据对于分析挠度的变化有很大的作用.

图4显示的是Web程序中的轴重显示部分.从图中可以看出车辆经过桥梁的时间、哪个车道、车速、轴数车重及轴重序列等信息.同时为了方便数据的统计，程序中增加了查询机制.可以通过指定的时间、车速、总重和轴数对轴重数据进行查询显示.例如在图5中，该查询的条件是时间在2016-6-22至2016-7-5之间，轴数大于等于3，车重小于等于20的车辆.在查询结果中可以看出，满足这样条件的记录总共有668条，共96页，当前页为第1页.

图4 Web软件中轴重数据显示部分

图5 Web软件中轴重数据查询部分

5 结 论

文中以廊涿高速某桥梁为例，通过实际安装动态轴重测量系统，可以对过往车辆的各种基本数据进行采集存储及展示.通过对交通数据的调查统计，有助于对道路及车辆管理部门的规划制定提供有力的数据支撑.本文主要达到了以下结论：

(1)为汽车动态轴重测量开发了实时、动态采集显示系统.通过现场实际安装测试表明：基于PCI-6013和LabVW相结合开发的数据采集系统，相比于传统的传感系统(电容式、应变式等)，压电传感系统具有实时动态性更高、兼容性更强和扩展性更大的特点，同时压电薄膜传感器的响应速度快、精度高.

(2)本文基于LabVIEW开发出的这一套测量系统，通过测试和检验，其静态计量准确度为III级，检测结果完全达到国家强制规范的规定要求[4].

[1]吴爽.基于压力传感器的混合交通流参数采集方法研究[D].石家庄:石家庄铁道学院,2010

[2]陈保平,郑文兴.基于PCI-6013汽车动态轴重系统设计与实现[J].微计算机信息,2007,23(3):268～269

[3]侯屏国,王珅,叶齐鑫.LabVIEW7.1编辑与虚拟仪器设计[M].北京：清华大学出版社,2005

[4]GB 7258-2004,机动车运行安全技术条件[S].

Dynamic Axle Load Measurement System Based on LabVIEW and .NET

WUYu-tong

(College of Science and Technology,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710000,China)

In view of the increasingly heavy traffic,in order to reduce the adverse effects of overweight vehicles on the bridge structure,the piezoelectric sensor is used as the basis of the original in this paper,through LabVIEW programming,to control the PCI-6013 and to complete the data collection and storage work.Combined with field tests,the results show that the system can achieve the purpose of dynamic weighing acquisition of vehicle data,and its good stability,reliability and precision can meet the engineering requirements.

piezoelectric thin film sensor;dynamic axle load test system;bridge engineering

2016-12-22

吴雨桐，(1993-),男，现就读于陕西省西安市西安科技大学高新学院计算机科学与技术专业.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.008

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