一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法和系統(tǒng)，該方法包括如下步驟：采集車輛通過壓電傳感器的波形信號；對壓電傳感器采集到的波形信號進行信號調(diào)理；對調(diào)理后的波形信號進行特征參數(shù)提取；根據(jù)提取到的特征參數(shù)計算漏電流值；根據(jù)得到的漏電值進行波形補償；根據(jù)補償后的波形計算車輛重量信息。本發(fā)明通過漏電流模型公式的補償，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，彌補了由于電荷放大器反饋電容的漏電流引起的原始信號損失；解決了隨車輛速度越低，重量偏輕程度越大的問題，從而提高了基于壓電效應(yīng)的傳感器系統(tǒng)的稱重精度。
【專利說明】一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法和系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種動態(tài)稱重方法和系統(tǒng)，特別涉及一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重 方法和系統(tǒng)，屬于車輛稱重【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 高速公路車輛超限現(xiàn)象越來越嚴重。目前，車輛動態(tài)稱重技術(shù)廣泛應(yīng)用于高速預(yù) 檢、交通流量調(diào)查、治理超限超載和計重收費系統(tǒng)中，在交通管理、超載治理中起到了重要 的作用。在公路車輛超限預(yù)判、橋梁超限報警和軸載動態(tài)計量中，迫切需要體積小、動態(tài)范 圍廣、靈敏度高、精度高的動態(tài)稱重傳感器和動態(tài)車輛稱重系統(tǒng)。
[0003] 基于壓電效應(yīng)的壓電傳感器廣泛應(yīng)用于高低速稱重領(lǐng)域，其固有的優(yōu)勢在于可稱 量的速度范圍廣，車輛震動小。然而壓電傳感器由于產(chǎn)生的是電荷信號，其信號量極其微 弱，通常需要采用電荷轉(zhuǎn)換放大電路將其電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并放大，從而便于后端 進行數(shù)據(jù)處理。電荷放大電路的弊端在于壓電傳感器受沖擊產(chǎn)生電荷信號給反饋電容，反 饋電容在充電的同時，由于反饋電容自身存在的漏電現(xiàn)象，導(dǎo)致后端接收到的波形信號損 失，最終使稱重的結(jié)果不準確。通常隨著車輛速度越低，其通過傳感器的時間變長，反饋電 容的漏電時間也相應(yīng)變長，漏電流也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致稱重結(jié)果偏輕，誤差增大，從而影 響了稱重精度。
[0004] 由于電容漏電損失導(dǎo)致車輛速度越慢稱量時重量偏輕程度越大，目前針對這種由 于漏電流現(xiàn)象導(dǎo)致的隨速度越低重量損失越大的問題，普遍采用的是改進電路設(shè)計方法 (例如，選用漏電流更小的電容作為反饋電容）。但是無論如何改進電路，漏電流始終存在， 從而在一定程度上限制了基于壓電效應(yīng)的傳感器的稱重精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提高車輛動態(tài)稱重的精度。
[0006] 為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法和系 統(tǒng)。
[0007] -方面本發(fā)明提供一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法，其特征在于，包括如下 步驟：
[0008] 采集車輛通過壓電傳感器的波形信號；
[0009] 對壓電傳感器采集到的波形信號進行信號調(diào)理；
[0010] 對調(diào)理后的波形信號進行特征參數(shù)提??；
[0011] 根據(jù)提取到的特征參數(shù)計算漏電流值；
[0012] 根據(jù)得到的漏電值進行波形補償；
[0013] 根據(jù)補償后的波形計算車輛重量信息。
[0014] 其中較優(yōu)地，所述對壓電傳感器采集到的波形信號進行信號調(diào)理的步驟具體包 括：
[0015] 壓電傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；
[0016] 對轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行濾波處理，濾除電壓信號中的噪聲干擾；
[0017] 對濾波處理后的電壓信號進行放大處理；
[0018] 放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
[0019] 其中較優(yōu)地，所述特征參數(shù)包括：上稱時刻T1、下稱時刻T2、以及通過上下稱時刻 點選取的波形的積分和sum。
[0020] 其中較優(yōu)地，所述漏電流值是按下式計算的：
[0021] Q = KXAX (2T2-T3)
[0022] 其中，Q表示漏電電荷量，K表示等效系數(shù)，A表示波形幅度值，T表示上稱時刻至 下稱時刻間的波形寬度。
[0023] 其中較優(yōu)地，所述車輛重量信息是按下式計算的：
[0024] G = K1X (sumX speed+KA (2T2-T3))
[0025] 其中，G表示計算所得重量，K、Kl表示等效系數(shù)，A表示波形幅度值，sum表示車輛 上稱時刻點、下稱時刻點選取的波形的積分和，speed表示輪速度，T表示上稱時刻至下稱 時刻間的波形寬度。
[0026] 另一方面，本發(fā)明還提供一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重系統(tǒng)，應(yīng)用上述的方法， 包括：
[0027] 信號獲取模塊、信號調(diào)理模塊，特征參數(shù)提取模塊、漏電流計算模塊、波形補償模 塊和車輛重量計算模塊；
[0028] 所述信號獲取模塊采集車輛通過信號獲取模塊時的波形信號并轉(zhuǎn)換成電荷信號 輸出至所述信號調(diào)理模塊；所述信號調(diào)理模塊對電荷信號調(diào)理處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸 至所述特征參數(shù)提取模塊；所述特征參數(shù)提取模塊提取數(shù)字信號中相應(yīng)的特征參數(shù)；所述 漏電流計算模塊根據(jù)特征參數(shù)計算漏電流；所述波形補償模塊通過漏電流的值對原始波形 信號進行補償，所述車輛重量計算模塊根據(jù)補償后的波形信號計算車輛的重量信息。
[0029] 其中較優(yōu)地，所述信號獲取模塊是兩條或者兩條以上的基于壓電效應(yīng)的傳感器陣 列排列。
[0030] 其中較優(yōu)地，所述信號調(diào)理模塊包括依序連接的電荷轉(zhuǎn)換單元、信號濾波單元、信 號放大單元、信號A/D轉(zhuǎn)換單元；
[0031] 所述電荷轉(zhuǎn)換單元將壓電傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸至所述信 號濾波單元，所述信號濾波單元對轉(zhuǎn)換后的電壓信號濾波處理，濾除電壓信號中的噪聲干 擾并傳輸至所述信號放大單元，所述信號放大單元對濾波處理后的電壓信號放大處理后傳 輸至所述信號A/D轉(zhuǎn)換單元；所述信號A/D轉(zhuǎn)換單元將放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
[0032] 其中較優(yōu)地，所述系統(tǒng)還包括：
[0033] 車輛分離檢測模塊，用于提取車輛的收尾信號并根據(jù)收尾信號上傳車輛信息。
[0034] 其中較優(yōu)地，所述車輛分離檢測模塊是地感線圈、光柵、激光中的任意一種。
[0035] 本發(fā)明提供的基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法和系統(tǒng)，通過漏電流模型公式的補 償，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上，彌補了由于電荷放大器反饋電容的漏電流引起的原始信 號損失；解決了隨車輛速度越低，重量偏輕程度越大的問題，從而提高了基于壓電效應(yīng)的傳 感器系統(tǒng)的稱重精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036] 圖1是本發(fā)明基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法的流程示意圖；
[0037] 圖2是本發(fā)明電荷放大器漏電流產(chǎn)生示意圖；
[0038] 圖3是本發(fā)明一種實施方式中車輛信號波形圖；
[0039] 圖4是本發(fā)明一種實施方式中單輪波形信號及特征點示意圖；
[0040] 圖5是本發(fā)明一種實施方式中漏電流未補償?shù)囊唤M車輛重量誤差隨速度變化的 曲線示意圖；
[0041] 圖6是本發(fā)明一種實施方式中漏電流補償后車輛重量誤差隨速度變化的曲線示 意圖；
[0042] 圖7是本發(fā)明一種實施方式中基于漏電流模型的動態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖8是本發(fā)明一種實施方式中傳感器布局示意圖；
[0044] 圖9是本發(fā)明一種實施方式中信號調(diào)理部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045] 圖10是本發(fā)明一種實施方式車輛分離裝置的位置示意圖。

【具體實施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0047] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法，包括如下步驟：采 集車輛通過壓電傳感器的重量信號；對壓電傳感器采集到的重量信號進行信號調(diào)理；對調(diào) 理后的重量信號進行特征參數(shù)提取；根據(jù)提取到的特征參數(shù)計算漏電流值；根據(jù)得到的漏 電值進行波形補償；根據(jù)補償后的波形計算車輛重量信息。下面對本發(fā)明提供的基于漏電 流模型的動態(tài)稱重方法展開詳細的說明。
[0048] 首先，介紹采集車輛通過壓電傳感器的重量信號的步驟。
[0049] 在本發(fā)明中，壓電傳感器鋪設(shè)在車輛通過的路面上，車輛通過壓電傳感器鋪設(shè)的 路段時，壓電傳感器受到車輪的碾壓就產(chǎn)生相應(yīng)的重量（波形）信號，并將這個重量信號傳 輸至相應(yīng)的控制裝置。
[0050] 其次，介紹對壓電傳感器采集到的重量信號進行信號調(diào)理的步驟。
[0051] 如圖2所示，在壓電傳感器向控制裝置傳輸重量信號之前還需要對壓電傳感器采 集到的重量信號進行信號調(diào)理，具體步驟包括：電荷轉(zhuǎn)換處理，將從基于壓電效應(yīng)的傳感器 輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；信號濾波處理，濾除電壓信號中的噪聲干擾；信號放大 處理，對濾波處理后的電壓信號進行放大；信號A/D轉(zhuǎn)換處理，將放大處理后的電壓模擬信 號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在上述過程中，電荷信號經(jīng)過圖2中的電容C時，會產(chǎn)生部分漏電流從 而造成原始的電荷量出現(xiàn)損失，進而影響稱重精度。
[0052] 再次，介紹對調(diào)理后的重量信號進行特征參數(shù)提取的步驟。
[0053] 如圖3所示，由于車輛通過壓電傳感器時隨重力變化會產(chǎn)生相應(yīng)的波形信號，車 輛所有輪通過單根傳感器時都產(chǎn)生相應(yīng)的波形，一個波峰代表一個輪的重量信號。提取車 輛通過時波形信號中的時間信息得到車輛通過壓電傳感器的上稱時間Tl和下稱時間T2。 通過累加波形從上稱時間Tl到下稱時間T2之間的采樣點得到積分和sum。
[0054] 第四，介紹根據(jù)提取到的特征參數(shù)計算漏電流值的步驟。
[0055] 如圖4所示，車輛單輪通過單個傳感器時，波形上任意點的大小表征電壓量的大 小。對于波形上的任意一點，其電壓為U (t)，那么對應(yīng)的反饋電流i = kcU (t)，產(chǎn)生的漏電 荷如式（1)計算：
[0056] q = i X (T~t) = k^U (t) (T~t) (I)
[0057] 其中，T表示波形寬度，Ic1表示漏電系數(shù)，c表示電容容值。
[0058] 對整個波形而言，總的漏電荷表示如式（2)計算：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于漏電流模型的動態(tài)稱重方法，其特征在于，包括如下步驟： 采集車輛通過壓電傳感器的波形信號； 對壓電傳感器采集到的波形信號進行信號調(diào)理； 對調(diào)理后的波形信號進行特征參數(shù)提?。? 根據(jù)提取到的特征參數(shù)計算漏電流值； 根據(jù)得到的漏電值進行波形補償； 根據(jù)補償后的波形計算車輛重量信息。
2. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)稱重方法，其特征在于，所述對壓電傳感器采集到的波形 信號進行信號調(diào)理的步驟具體包括： 壓電傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號； 對轉(zhuǎn)換后的電壓信號進行濾波處理，濾除電壓信號中的噪聲干擾； 對濾波處理后的電壓信號進行放大處理； 放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
3. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)稱重方法，其特征在于，所述特征參數(shù)包括：上稱時刻T1、 下稱時刻T2以及通過上下稱時刻選取的波形的積分和sum。
4. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)稱重方法，其特征在于，所述漏電流值是按下式計算的： Q = KXAX (2T2-T3) 其中，Q表示漏電電荷量，K表示等效系數(shù)，A表示波形幅度值，T表示上稱時刻至下稱 時刻間的波形寬度。
5. 如權(quán)利要求1所述的動態(tài)稱重方法，其特征在于，所述車輛重量信息是按下式計算 的： G = K:X (sumXspeed+KA(2T2-T3)) 其中，G表示計算所得重量，&表示等效系數(shù)，A表示波形幅度值，sum表示車輛上稱時 刻點、下稱時刻點選取的波形的積分和，speed表示輪速度，T表示上稱時刻至下稱時刻間 的波形寬度。
6. -種基于漏電流模型的動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于，應(yīng)用權(quán)利要求1-5任意一項所 述的方法，包括： 信號獲取模塊、信號調(diào)理模塊，特征參數(shù)提取模塊、漏電流計算模塊、波形補償模塊和 車輛重量計算模塊； 所述信號獲取模塊采集車輛通過信號獲取模塊時的波形信號并轉(zhuǎn)換成電荷信號輸出 至所述信號調(diào)理模塊；所述信號調(diào)理模塊對電荷信號調(diào)理處理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸至所 述特征參數(shù)提取模塊；所述特征參數(shù)提取模塊提取數(shù)字信號中相應(yīng)的特征參數(shù)；所述漏電 流計算模塊根據(jù)特征參數(shù)計算漏電流；所述波形補償模塊通過漏電流的值對原始波形信號 進行補償，所述車輛重量計算模塊根據(jù)補償后的波形信號計算車輛的重量信息。
7. 如權(quán)利要求6所述的動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于，所述信號獲取模塊是兩條或者兩 條以上的基于壓電效應(yīng)的傳感器陣列。
8. 如權(quán)利要求6所述的動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于，所述信號調(diào)理模塊包括依序連接 的電荷轉(zhuǎn)換單元、信號濾波單元、信號放大單元、信號A/D轉(zhuǎn)換單元； 所述電荷轉(zhuǎn)換單元將壓電傳感器輸出的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號傳輸至所述信號濾 波單元，所述信號濾波單元對轉(zhuǎn)換后的電壓信號濾波處理，濾除電壓信號中的噪聲干擾并 傳輸至所述信號放大單元，所述信號放大單元對濾波處理后的電壓信號放大處理后傳輸至 所述信號A/D轉(zhuǎn)換單元；所述信號A/D轉(zhuǎn)換單元將放大后的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。
9. 如權(quán)利要求6-8任意一項所述的動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括： 車輛分離檢測模塊，用于提取車輛的收尾信號并根據(jù)收尾信號上傳車輛信息。
10. 如權(quán)利要求9所述的動態(tài)稱重系統(tǒng)，其特征在于，所述車輛分離檢測模塊是地感線 圈、光柵、激光中的任意一種。
【文檔編號】G01G19/03GK104406671SQ201410705806
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】陳忠元, 羅國春, 方睿, 王平, 陳琦, 周行 申請人:北京萬集科技股份有限公司