專利名稱：基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域的檢測方法，具體地說，是一種基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法。
背景技術(shù)：
公路車輛在運(yùn)輸貨物的過程中，普遍存在超載現(xiàn)象。超載車輛會對道路造成嚴(yán)重破壞，造成的直接經(jīng)濟(jì)損失非常嚴(yán)重，同時超載還大量導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。在動態(tài)稱重(WIM)出現(xiàn)之前，所有的車輛稱重都是在靜態(tài)時進(jìn)行的。靜態(tài)測量時的車輛稱重正好等于靜態(tài)車輛的地心引力，這種稱重方式是最準(zhǔn)確的方法。但是，這種傳統(tǒng)的稱重方式有它自身的缺點(diǎn)，一方面，需要在路邊或路口設(shè)置專門的場地或稱重站，測量效率較低，無法24小時不停車監(jiān)控。另一方面，靜態(tài)稱重場所規(guī)模大，引人注目，超載車輛往往以繞道的方式躲避稱重檢查，造成國家稅收的大量流失。公路動態(tài)稱重的定義動態(tài)稱重是測量行駛車輛的動態(tài)輪胎受力并計(jì)算相應(yīng)靜態(tài)車輛重量的過程。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，2001年香港科技大學(xué)T.Chan等提出利用橋梁振動原理測重的方法(T.Chan etc.“移動力識別研究I理論”.[J].聲音與振動學(xué)報(bào).2001.247(1)，59-76)。該方法用應(yīng)變片測量車輛載重時，利用不同時刻的橋梁應(yīng)變建立矩陣方程，采用最小二乘法求解，計(jì)算結(jié)果精度較低，誤差較大，不能準(zhǔn)確測量車輛載重。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，使其提高靜態(tài)載重測量效率，24小時不停車監(jiān)控，同時解決橋梁振動測重時應(yīng)變片測量的結(jié)果精度較低、誤差較大的問題，達(dá)到工程化的實(shí)用效果。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明以應(yīng)變傳感器作為現(xiàn)場敏感器件，測量行駛車輛引起的橋面應(yīng)變，通過積分運(yùn)算消除車輛振動對計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)而獲得動態(tài)車輛的載重值，與車型識別結(jié)果查詢數(shù)據(jù)庫得到標(biāo)準(zhǔn)載重比較來判斷是否超重。
本發(fā)明包括以下步驟1.計(jì)算橋梁應(yīng)變橋梁采用簡支梁模型，車/橋相互作用模型化為兩個具有固定間距點(diǎn)力勻速通過橋面。建立車輛通過橋面時的運(yùn)動方程，基于模型假設(shè)，橋梁動態(tài)位移可寫成模態(tài)形狀函數(shù) 與模態(tài)的幅值函數(shù)乘值和的形式。利用橋梁應(yīng)變與橋梁動態(tài)位移的函數(shù)關(guān)系求得橋梁應(yīng)變方程，得T=-Eyυ′′=Σn=1∞2EyρLωn′(nπL)2sinnπxL∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπcτLpn(τ)dτ]]>其中y表示橋面內(nèi)任意點(diǎn)到橋面中間面的距離，在橋梁下面安裝應(yīng)變片時，y＝b/2，b為橋面厚度；c是車輛通過橋面的速度；υ(x，t)是橋上x點(diǎn)處在t時刻的橋梁位移；ωn是第n模態(tài)的頻率；ξn是第n模態(tài)的衰減比率。
ωn=(n2π2/L2)EI/ρ,ωn′=ωn1-ξn2,]]>pn(t)=f1(t)siniπctL+f2(t)siniπ(ct-Ls)L]]>ρ是單位橋梁密度；E是橋梁材料的Young系數(shù)；I是橋梁橫截面的慣性矩；L是橋梁的長度；f1(t)，f2(t)代表車輛通過橋面時前后軸對橋面產(chǎn)生的壓力。
2.測量橋梁應(yīng)變首先采用機(jī)械放大器，把應(yīng)變片直接粘貼在放大器上。然后通過電橋應(yīng)變放大電路，將應(yīng)變信號放大到理想大小以電壓的形式輸出。將輸出信號利用數(shù)字信號采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到與計(jì)算值相對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)。利用安裝在橋兩端的紅外傳感器記錄上下橋信號。
由于應(yīng)變片在橋梁下面很難安裝，本發(fā)明采用機(jī)械放大器克服應(yīng)變片安裝的問題，同時可以對應(yīng)變信號進(jìn)行放大。橋梁應(yīng)變信號檢測屬于微小信號測量，利用橋梁應(yīng)變引起放大電路電橋阻值變化，轉(zhuǎn)化為電壓輸出。
T=2EΔViRG]]>其中T為橋梁應(yīng)變，G為應(yīng)變系數(shù)，E為楊氏模量，R為電橋電阻，i為通過電橋的恒定電流，ΔV為輸出電壓。
3.計(jì)算車輛載重詳細(xì)分析車輛通過整個橋面的運(yùn)動過程；通過對不同情況下振動項(xiàng)積分值對靜態(tài)值積分值的比較，本發(fā)明采用對信號在整個周期內(nèi)積分的方法有效消除振動項(xiàng)和噪聲的影響，得到靜態(tài)載重值。
由于車輛行進(jìn)過程中除了車輛載重本身引起的信號外，還有許多不同頻率的振動信號存在，且噪聲對橋梁應(yīng)變信號有很大影響，積分將可以有效消除振動項(xiàng)和噪聲的影響。
車輛載重計(jì)算公式為F=Ff+Fr=∫0(L+Ls)/c2EΔViRGdtΣn=1∞Ln∫0L/cMf(t)dt]]>其中Ff表示前輪對應(yīng)力，F(xiàn)r表示后輪對應(yīng)力。
Ln=EbρLωn′(nπL)2sinnπ2,]]>Mf(t)=∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπcτLdτ]]>4.車輛超載判別依據(jù)車型識別結(jié)果(車型識別不在本發(fā)明討論范圍，假定識別結(jié)果正確)，從數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)車型對應(yīng)的國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)載重。將實(shí)際載重和標(biāo)準(zhǔn)載重作比較，判斷車輛是否超重。如果超載，啟動攝像機(jī)對超載車輛進(jìn)行拍攝。
本發(fā)明利用動態(tài)稱量(WIM)系統(tǒng)不需要進(jìn)行地面開挖，建造成本較低，具有很強(qiáng)的可移動性，對通過車輛的速度沒有限制，能實(shí)現(xiàn)24小時不間斷檢測，具有很好的實(shí)用前景。


圖1為在移動力f(t)作用下簡支梁模型的示意圖。
本發(fā)明采用簡支梁作為橋梁模型。車輛通過橋面時，簡化為間距為Ls的兩個點(diǎn)力以速度c勻速通過橋面，F(xiàn)表示前軸，R表示后軸。
圖2為電橋應(yīng)變放大電路示意圖。
圖3為車輛通過橋面過程分析圖。
車輛經(jīng)過橋面的過程可以分為圖3(a)表示前輪在橋上后輪未上橋，圖3(b)表示前后輪都在橋上，圖3(c)表示前輪下橋后輪在橋上三個分過程。
具體實(shí)施例方式
1.計(jì)算橋梁應(yīng)變橋梁采用簡支梁模型，車輛通過橋面時，簡化為間距為Ls的兩個點(diǎn)力以速度c勻速通過橋面，F(xiàn)表示前軸，R表示后軸。如圖1所示車輛經(jīng)過橋面時的運(yùn)動方程為ρ∂2υ(x,t)∂t2+C∂υ(x,t)∂t+EI∂4υ(x,t)∂x4=δ(x-ct)f1(t)+δ(x-ct+Ls)f2(t)]]>基于模型假設(shè)，橋梁動態(tài)位移可寫為模態(tài)形狀函數(shù) 與模態(tài)的幅值函數(shù)乘值和的形式?？傻?amp;upsi;(x,t)=Σn=1∞2ρLωn′sinnπxL∫0teξnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)pn(τ)dτ]]>橋梁應(yīng)變?yōu)門=-Eyυ′′=Σn=1∞2EyρLωn′(nπL)2sinnπxL∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπcτLpn(τ)dτ]]>2.測量橋梁應(yīng)變由于應(yīng)變片在橋梁下面很難安裝，本發(fā)明采用機(jī)械放大器克服應(yīng)變片安裝的問題，同時可以對應(yīng)變信號進(jìn)行放大。
由于橋梁應(yīng)變信號檢測屬于微小信號測量，本發(fā)明采用電橋放大電路將應(yīng)變放大并轉(zhuǎn)化為電壓輸出。電橋應(yīng)變放大電路示意圖如圖2所示，其中R＝60Ω，ΔR為橋梁應(yīng)變引起的電阻變化值，i為一恒定電流，大小為9.1mA。由于ΔR變化很小，可以近似認(rèn)為橋梁左右兩路電流為i/2。則橋梁應(yīng)變測量值為T=2EΔViRG]]>表明應(yīng)變T和輸出電壓輸出值是成正比的。由于信號很小，實(shí)際電路中對應(yīng)變信號進(jìn)行了放大，放大倍數(shù)根據(jù)實(shí)際情況決定。
將輸出信號利用數(shù)字信號采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到與計(jì)算值相對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)。并利用安裝在橋兩端的紅外傳感器記錄上下橋信號。
3.計(jì)算車輛載重由于車輛行進(jìn)過程中除了車輛載重本身引起的信號外，還有許多不同頻率的振動信號存在，且噪聲對橋梁應(yīng)變信號有很大影響。
假設(shè)f(t)＝(F1+F01sinωat)其中ωa表示車輛振動頻率。令α=F1∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπcτLdτ+F0F01∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπcτLsinωnτdτ]]>經(jīng)過測量，得知實(shí)驗(yàn)小車的振動頻率主要由5、20、40、70、90Hz組成。振動項(xiàng)幅度與靜態(tài)值比值取0.25，0.5，其它的情況同樣可以驗(yàn)證滿足；橋梁衰減比率ξn取0.02、0.03、0.04。在時間
內(nèi)，對a含振動項(xiàng)與靜態(tài)項(xiàng)分別積分。取T＝0.658s，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，表明在不同頻率，不同比值，橋梁不同ξ下振動項(xiàng)積分值對靜態(tài)值積分值的影響很小，可以忽略。


表1不同情況下a積分結(jié)果對橋梁應(yīng)變進(jìn)行積分運(yùn)算，可以有效消除振動項(xiàng)的影響，得到靜態(tài)載重值，由于噪聲信號主要以高斯噪聲為主，積分也將有效減小噪聲對結(jié)果的影響。則TL2=Σn=1∞Ln(FfMf(t)+FrMr(t))=2EΔViRG]]>其中Ff表示前輪對應(yīng)力，F(xiàn)r表示后輪對應(yīng)力。
Ln=EbρLωn′(nπL)2sinnπ2]]>Mf(t)=∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπctLdτ]]>Mr=∫Ls/cte-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπc(τ-Ls/c)Ldτ]]>車輛經(jīng)過橋面的過程可以分為前輪在橋上后輪未上橋，前后輪都在橋上，前輪下橋后輪在橋上三個分過程，如圖3所示t ≤Ls/c時，為圖3(a)所示情況，由于此時后輪未上橋，則S2′＝0；Ls/c＜t≤L/c時，為圖3(b)所示情況，此時前后輪均在前上；L/c＜k≤(L+Ls)/c時，為圖3(c)所示情況，此時前輪已下橋，后輪在橋上。
左右兩邊在車輛通過橋面的整個過程進(jìn)行積分。
由積分變換，有∫0L/cMf(t)dt=∫Ls/c(L+Ls)/cMr(t)dt]]>則Ff+Fr=∫0(L+Ls)/c2EΔviRGdtΣn=1∞Ln∫0L/cMf(t)dt]]>主要關(guān)心信號前三個模態(tài)，數(shù)字采集卡的采樣頻率選為500Hz，G ＝1.5。橋梁的參數(shù)如下EI＝1074.048Nm2，ρ＝12kg/m，L＝1.5m，ζ1＝0.02，ζ2＝0.02，ζ3＝0.04。小車總重量為2.4kg，軸距為Ls＝0.25m。
對多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2，表明本方法計(jì)算值誤差小，可以有效地進(jìn)行車輛載重檢測。

表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)表4.車輛超載判別依據(jù)車型識別結(jié)果(車型識別不在本發(fā)明討論范圍，假定識別結(jié)果正確)，從數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)車型對應(yīng)的國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)載重。將實(shí)際載重和標(biāo)準(zhǔn)載重作比較，如果超載，啟動攝像機(jī)對超載車輛進(jìn)行拍攝，并采取相應(yīng)的處罰措施。
權(quán)利要求
1.一種基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，其特征在于，以應(yīng)變傳感器作為現(xiàn)場敏感器件，測量行駛車輛引起的橋面應(yīng)變，通過積分運(yùn)算消除車輛振動對計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)而獲得動態(tài)車輛的載重值，與車型識別結(jié)果查詢數(shù)據(jù)庫得到標(biāo)準(zhǔn)載重比較來判斷是否超重。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，其特征是，包括以下步驟(1)計(jì)算橋梁應(yīng)變橋梁采用簡支梁模型，車/橋相互作用模型化為兩個具有固定間距點(diǎn)力勻速通過橋面，建立車輛通過橋面時的運(yùn)動方程；(2)測量橋梁應(yīng)變首先采用機(jī)械放大器，把應(yīng)變片直接粘貼在機(jī)械放大器上，然后通過電橋應(yīng)變放大電路，將應(yīng)變信號放大到理想大小以電壓的形式輸出，將輸出信號利用數(shù)字信號采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到與計(jì)算值相對應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)；(3)計(jì)算車輛載重詳細(xì)分析車輛通過整個橋面的運(yùn)動過程，通過對不同情況下振動項(xiàng)積分值對靜態(tài)值積分值的比較，采用對信號在整個周期內(nèi)積分的方法有效消除振動項(xiàng)和噪聲的影響，得到靜態(tài)載重值；(4)車輛超載判別依據(jù)車型識別結(jié)果，從數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)車型對應(yīng)的國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)載重，將實(shí)際載重和標(biāo)準(zhǔn)載重作比較，判斷車輛是否超重。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，其特征是，所述的步驟(1)中簡支梁模型，橋梁動態(tài)位移寫成模態(tài)形狀函數(shù) 與模態(tài)的幅值函數(shù)乘值和的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，其特征是，所述的步驟(1)中，利用橋梁應(yīng)變與橋梁動態(tài)位移的函數(shù)關(guān)系求得橋梁應(yīng)變方程，得T=-Eyυ′′=Σn=1∞2EyρLωn′(nπL)2sinnπxL∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπcτLpn(τ)dτ]]>其中y表示橋面內(nèi)任意點(diǎn)到橋面中間面的距離，在橋梁下面安裝應(yīng)變片時，y＝b/2，b為橋面厚度；c是車輛通過橋面的速度；υ(x，t)是橋上x點(diǎn)處在t時刻的橋梁位移；ωn是第n模態(tài)的頻率；ξn是第n模態(tài)的衰減比率；ωn=(n2π2/L2)EI/ρ,]]>ωn′=ωn1-ξn2,]]>pn(t)=f1(t)siniπctL+f2(t)siniπ(ct-Ls)L]]>ρ是單位橋梁密度；E是橋梁材料的Young系數(shù)；I是橋梁橫截面的慣性矩；L是橋梁的長度；f1(t)，f2(t)代表車輛通過橋面時前后軸對橋面產(chǎn)生的壓力。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，其特征是，所述的步驟(2)中，利用安裝在橋兩端的紅外傳感器記錄上下橋信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，其特征是，所述的步驟(3)中，車輛載重的計(jì)算公式為F=Ff+Fr=∫0(L+Ls)/c2EΔViRGdtΣn=1∞Ln∫0L/cMf(t)dt]]>其中Ff表示前輪對應(yīng)力，F(xiàn)r表示后輪對應(yīng)力，Ln=EbρLωn′(nπL)2sinnπ2,]]>Mf(t)=∫0te-ζnωn(t-τ)sinωn′(t-τ)sinnπcτLdτ.]]>
全文摘要
一種基于橋梁應(yīng)變的高速動態(tài)車輛超載檢測方法，屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明以應(yīng)變傳感器作為現(xiàn)場敏感器件，測量行駛車輛引起的橋面應(yīng)變，通過積分運(yùn)算消除車輛振動對計(jì)算結(jié)果的影響，進(jìn)而獲得動態(tài)車輛的載重值，與車型識別結(jié)果查詢數(shù)據(jù)庫得到標(biāo)準(zhǔn)載重比較來判斷是否超重。本發(fā)明可以準(zhǔn)確地進(jìn)行高速動態(tài)超重車輛的檢測。利用本發(fā)明不需要進(jìn)行地面開挖，建造成本較低，具有很強(qiáng)的可移動性，且車輛通過速度沒有限制，能夠?qū)崿F(xiàn)24小時不間斷檢測，具有很好的實(shí)用前景。
文檔編號G01G19/02GK1773226SQ20051011021
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月10日
發(fā)明者李建勛, 鄭軍庭 申請人:上海交通大學(xué)