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无线数字动态地磅的设计与应用

发布时间:2017-12-19

研制了一种适用于高速公路计重收费或治理超载车辆的动态地磅。采用特殊的力学结构设计,保证了 称重板动态测量的精度,并将无线传输技术应用于测量数据的近程传输,克服了野外工作烦琐的远距离布线施工,利用GPRS功能实现了远程设备监控、诊断和维护功能。

1.前言

90年代始,我国高速公路的建设进入了高速发展期,由于管理上不成熟和缺少管理上必备的硬件设 备,缺少约束的市场化,众多运输业者片面追求利润,致使运输车辆严重超载,造成大量安全事故和道路早期 的损坏,给国家和人民造成巨大的经济损失。因此,对超限车辆进行载重监测具有重要意义。近日,按照交 通部等七部委的文件,轴重秤将被广泛用于公路运输,作为车辆计重收费的结算依据。但从试点运用情况看 产品普遍存在动态计量误差偏大,稳定性差,使用寿命短,维护响应慢,成本高,影响公路车流量,流转效率等 问题,为此动态地磅即成为适应高速公路事业飞速发展的必要监测设备。

2.无线数字动态轮重仪设计方案

2.1设计思想

针对目前公路上计重收费试点的应用情况,称重设备的计量准确度以及产品性能的稳定性和一致性,产 品寿命、可维护性都是大家改进设计的重点。

计量准确度,是强调高速测量条件下要求计量准确。为了提高交通流量,不宜采用静止平衡状态下的称重方法,而是对以一定速度行驶中的车辆称重。

产品性能,强调在恶劣环境下,经常过载和高频率反复加载的条件下的疲劳稳定性,性能一致性和增 长使用寿命。

可维护性,是强调在不封闭、不阻断交通流量的条件下,易于定位故障和排除故障的能力。

因此,无线数字动态轮重仪的设计引导原则是1个基本点,4个重点。

1个基本点:以满足国家科技部项目申报书的技术要求为前提,立足现有的质量较好产品和现用的有效 技术,力求技术有所进步。

4个重点:准确度、稳定性、寿命和可维护性。

2.2设计方案

无线数字动态轮重仪由称重板、仪表和无线数字传输3个模块组成。系统原理图如图1所示

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2.2.称重板

称重板釆用的材质是经过强化处理的高强度铝基合金。它是一个大型的力传感器,其内部粘贴十组由 电阻应变片、补偿片构成的应变测量电桥(惠斯登电桥)全并联后通过铜电缆将应变电压引出送往仪表( 制柜)。满量程应变电压一般在20 mV?30 mV以下,该信号送往仪表的A/D转换器作进一步处理。

这种称重板类属弯板式结构,它的主要特点是对于侧向力不敏感有利于减少动态称重误差、安装工程量 小、故障率低、可靠性高、使用寿命长。由于受到我国制造条件限制,首批国产动态计重衡都没有能力釆用弯 板式称重板。市场上德国派特企业以此类产品称雄中国,价格奇贵,但是使用效果较好。大家的设计巧妙地 把易于制造的2块小尺寸便携式弯板拼接起来用1个钢结构支架将之固定在一起,形成一个整体称重板, 一个创新点。目前弯板式动态称重仪已成为需求热点,大家的设计紧紧扣住了技术进步和市场需求热点并 且顾及本土量产的技术可能性。

称重板主要技术参数见表1

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2.2.2仪表

仪表接收来自称重板的应变电信号,输入信号范围-15 mV?+30 mV

本设计的特点之一是釆用美国AD企业的高性能数模转换器AD7750 ,内置数字滤波器带信号调理电路 16A/D转换器件。该器件可直接接受来自传感器的低电压。内置的FPGA将不同幅值的输入信号放 大到接近A/D转换器的满标度电压再进行转换。Σ-转换技术实现16位无丢失代码性能。数字滤波发 生在模数转换之后,内嵌的数字低通滤波器,它能消除模数转换过程中产生的噪音,对于50 Hz的工频干扰 有大于100 dB的抑制同时便于用户编程截止频率和输出更新率。大家的设计非常紧凑,所有的信号处理 电路全部釆用数字信号处理技术,因此在极其恶劣的环境条件下仍能保证良好的性能指标和长时间的稳定 电路可靠性很高。

应变电信号转变为数字信号以后,被读入微处理器进行数字信号处理。

车辆在路基上运行是一个复杂的车辆动力知识题。如汽车在公路上的运行,它对路基的作用力,除了质 量产生的重力之外,还有很多为振动所产生的附加力,其方向多维而大小随机,作为衡器是不需要这些不良 数据的,应视为干扰加以排除。

路面状况和计重设备安装质量与干扰强弱相关,即使精心设计施工,行进车辆也会有10 %左右的振动 分量,而驶上称台所激起的过冲又常常大于上述数值。更有甚者,存心不良的司机在称台上故意加减速、刹车或扭动车轮以制造人为误差,这样增加了提高动态称量精度的技术难度。

所以本设计着重于解决这个技术关键问题,除了采用弯板式称重板之外,适当的数字信号处理方法就非 常重要。本设计研究了一种双梯形法。

仪表运算的结果直接显示在面板上,同时通过RS232 (RS232 RF模块)向上位机输出,便于海量存 储资料供查询和打印各式报表。

仪表还有设备工况自检和报警功能等,同样可以面板显示和通过RS232向上位机输出。上位机则可以 通过GPRS模块实现远程通信。

仪表主要技术参数见表2

2.2.3无线数字传输模块

无线数据传输是本设计又一个创新点。

当仪表与上位机离开30 m以上时(RS232)或铺设信号电缆不方便时,可以改用RF无线信道向上位机传 送重量等数据。

当需要在全国范围内传送数据时,可以启用GPRS信道。此方式对于远程监控和维修分散于全国各地 的设备,由于响应及时,省钱省力优点明显。

仪表还具备轮胎识别器信号处理,车辆分隔器信号处理的功能。当本系统加上轮胎识别器和车辆识别 器等其他设备时才能完整地进行自动计重收费。

3.无线数字动态地磅的应用-计重收费系统

无线数字动态轮重仪收费系统主要由埋入式一体化称重板(2)、红外线光幕分离器、轮胎识别器、室 外控制柜(内含无线数字传输功能)等组成,其工作原理见图2

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3.1系统结构与参数

3.1.1弯板式称重台

埋入式一体化动静态称重板是把称重传感器和秤台结合在一起的特殊测力传感器,不同于目前高速公 路上使用的悬挂式轴重称台。应用特殊的电阻应变片和应变结构设计,保证了重量测量的精确性,同时为保 证在室外恶劣环境中的使用,釆用了全焊接密封结构,系统无机械传力部件的联结,保证了称重板的可靠性 和稳定性,并提高了称重计量的动态响应性能。秤台安装位置垂直于行车方向并列平行安装2块称重板( 3),其主要技术参数见表3

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3.1.2红外线光幕分离器

红外线光幕分离器能够对连续行驶的车辆进行自动分离。安装于车道两侧见图3),通过红外线同步 扫描给系统提供车辆通过的开始与结束信号,保证称重数据与车辆一一对应。其主要技术参数见表4 

3.1.3轮胎识别器

轮胎识别器由一组压力传感器组成,检测单边轮胎型号及轮轴个数。安装时平行于称重板并置于称重 板前端(见图3)。其主要技术参数见表5

3.1.4控制柜

控制柜安装于靠近称重板车道外侧,内置的控制器由一体化的电子称重模块、车速计、轮胎识别器、数字 动态测量模块、无线信号发射模块以及供电电源和计算机称量数据分析App等组成。车轮作用下,承载台变 形的微小信号经前置放大器同步放大,再经过滤波,高速A/D转换成数字信号后,连同车速、轮胎识别器信 号一起进入微处理器通过App分析系统得到数据,并形成称重测量数据库和相应报表,数据同步送入发射器 模块,以特定频率用无线数字方式发送出去。其主要技术参数见表6

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3.1.5无线通讯

3.1.5.1无线通讯模块特性及参数

微功率发射:最大发射功率为10 mW

工作频率在ISM频道,无需申请频点。载频频率430 MHz,也可提供315/868/915 MHz载频。

传输距离远:在视距情况下,可靠传输距离<300 m(BER =10-3)

透明的数据传输:提供透明的数据接口,能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生 的噪音信号及假数据(所发即所收

多信道:根据用户需要可扩展多个信道,满足用户多种通信组合方式。

种接  方式:TIL 电平 VART  RS~232RS~485  口。

接口波特率为57 600 b/s,格式为8N1/8E1用户自定义

智能数据控制:用户无需编制多余的程序,只要从接口收/发数据即可,空中收/发转换,控制等操作, 模块能够自动完成。

低功耗及休眠功能:接收电流< 10 mA,发射电流<30 mA,休眠电流<50 uA 高可靠性:体积小、重量轻,外围电路少,可靠性高,故障率低

3. 1.5.2 GPRS模块特性及参数

9 V宽电源供电和SMA天线接口,用户无需提供其他外围电路即可通过RS~232轻松实现与Internet 数据互联。

DB9形式串口 ;其中可以根据客户的要求来选择如RS~232RS-485等类型。

产品体积小巧,设计时不用考虑不同环境下的应用,避免了各种内因造成的工作隐患。

既可作嵌入式使用,也可外置使用。ElPro-201外置产品外形尺寸为75 *50 * 16 mm重量200 g(oz.)

外壳采用冷轧板,坚固耐用。可以有效地抵御各种恶劣环境;抗强电磁干扰;高温散热能力极强;加上 性能优异的电源伺服电路,可以最大限度地保证在变电站设备监控、工厂车间设备监控等环境中正常使用。

内部由三部分构成:GPRS模块电源部分、外部接口部分。电源部为GPRS模块提供合适的电源; GPRS模块负责无线数据通讯;外部接口部分包括1DB9接口、SMA天线接口SM卡座接口、电源头接 口、复位孔。

工作温度-30 ?+60 ;湿度范围<90 %

在设计时充分考虑到了用户使用的简便性,提供了常见的DB9接口。

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