??? 摘 要：針對公路運(yùn)輸車輛載荷質(zhì)量的檢測采用的計量器具體積大、工作位置固定、不能做到隨時隨地檢測載荷質(zhì)量的問題，提出一種采用變極距電容傳感器的車載式載荷檢測裝置，該裝置中的加速度傳感器用于測量前進(jìn)方向的加速度和豎直方向的加速度。通過實(shí)驗測試及分析表明，加速度在車輛稱重測量中的影響比較大，因此在裝置的軟件部分必須予以補(bǔ)償。
??? 關(guān)鍵詞：加速度；傳感器；車輛稱重；補(bǔ)償
?
??? 眾所周知，車輛超載不僅會造成道路交通事故，而且因交通事故引發(fā)的爆炸、火災(zāi)、有毒氣體泄漏等問題，直接危害到人民群眾的生命安全。為治理車輛超載現(xiàn)象，可以采用在汽車上加裝車載式點(diǎn)載荷檢測裝置，對車輛的載荷情況進(jìn)行實(shí)時測量。然而，車輛的行駛路面的狀況復(fù)雜和車輛的運(yùn)動狀態(tài)等因素都會對載荷的測量結(jié)果產(chǎn)生影響。為了能夠找出車輛運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化時對載荷稱重結(jié)果的影響，在本文所述的裝置中，集成了加速度傳感器ADXL202AE，用于對水平和豎直方向上點(diǎn)加速度的測量。本文進(jìn)行了大量的實(shí)驗，分析了車輛加速度變化對稱重結(jié)果的影響，為車載式載荷檢測裝置的數(shù)據(jù)處理提供重要的依據(jù)。
1 車載式載荷檢測裝置
??? 車輛稱重系統(tǒng)采用電容法檢測車輛載荷，車輛稱重系統(tǒng)利用車輛本身的板彈簧作為稱重傳感器的彈性體[1]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
?
?
??? 車輛有前后兩根輪軸，前后傳感器將載荷的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓娙轀y量電路將電容值轉(zhuǎn)換為電壓值；DSP將傳感器輸出的電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并數(shù)據(jù)運(yùn)算、處理后，將整車載荷值送給顯示器；在靜態(tài)測量的過程中，直接通過傳感器的輸出電壓可以判斷出載荷的重量。然而在動態(tài)測量中，必須考慮加速度對傳感器輸出電壓的影響，如果還是通過上述方法進(jìn)行測量，試驗結(jié)果表明所測數(shù)據(jù)與實(shí)際載荷偏差較大，最高偏差達(dá)一倍多。因此在車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)中需要測量加速度，為車輛稱重系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和程序編寫提供科學(xué)依據(jù)。在車輛稱重系統(tǒng)選用雙軸加速度傳感器ADXL202AE，在檢測車輛載荷的同時，利用加速度傳感器的Y軸測量車輛前進(jìn)方向的加速度，利用X軸測量振動加速度，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)定量地分析出加速度對載荷檢測的影響。
2? 加速度傳感器
??? 在車輛稱重系統(tǒng)，選用的加速度傳感器是美國ADI公司出品的ADXL202AE，它是一款低成本、低功耗、功能完善的雙軸加速度傳感器，可測量正、負(fù)加速度，其最大測量范圍為±2 g，ADXL202既能測量動態(tài)加速度，又能測量靜態(tài)加速度，也可用作斜度測量。圖2為ADXL202AE的應(yīng)用電路圖，圖中X軸和Y軸為加速度傳感軸。可從XFILT和YFILT管腳輸出與加速度成正比的模擬電壓信號，也可從XOUT和YOUT管腳輸出脈寬占空比與兩根傳感軸各自所感受到的加速度成正比的數(shù)字信號[2]。
?
?
??? 針對車輛載荷檢測的需要，取電源VDD＝5 V，由產(chǎn)品說明書可知：此時XFILT、YFILT兩引腳輸出電壓的典型值為2.5 V，傳感器靈敏度的典型值為0.312 V/g。從XFILT和YFILT兩個引腳輸出模擬信號時，取RSET＝1 MΩ。考慮到一般貨車的固有振動頻率為1.5 Hz～2 Hz，為了保證加速度測量時的高分辨率，應(yīng)將ADXL202AE的帶寬限制到接近貨車的固有振動頻率，所以取CX＝CY＝0.47 mF。
3? X軸方向加速度對車輛載荷檢測的影響
??? X軸用于豎直方向的振動測量，加速度數(shù)值計算公式為：
??? 
??? 式中 VX為X軸的輸出電壓。
??? 測量豎直方向的加速度時，傳感器的一傳感軸為豎直向上方向。如圖3所示，從每1s采集的數(shù)據(jù)中取出10個最大值，計算出平均值。
?
?
??? 圖3中橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)編號，縱坐標(biāo)為X軸方向的輸出電壓，當(dāng)加速度傳感器的電源VDD＝5V，平均輸出為2880 mV，最高輸出電壓為2999 mV，最低輸出電壓為2780 mV時，
此誤差較小，目前在國內(nèi)公路車輛稱重中，在對載荷質(zhì)量檢測結(jié)果的精度要求不高時，可以忽略。
4? Y軸方向加速度對車輛載荷檢測的影響
??? Y軸用于車輛前進(jìn)方向的加速度測量時，加速度數(shù)值計算公式為：
?
??? 式中 VY為Y軸的輸出電壓。
??? 為了掌握加速度對車載時載荷檢測裝置的影響情況，在一輛黑豹SM1010型微型貨卡上進(jìn)行了試驗，該車前、后各有一根輪軸，額定載貨質(zhì)量為500 kg。試驗時駕駛室乘坐2人，體重共75 kg，車廂內(nèi)靠前、中部均勻擺放300 kg沙袋，最高車速為40 km/h。
??? 根據(jù)預(yù)先標(biāo)定出的載荷質(zhì)量與傳感器輸出電壓之間的對應(yīng)關(guān)系，得到在某一加速度下前、后輪軸載荷質(zhì)量，求和而得到整車載荷質(zhì)量。先分析前軸傳感器的輸出電壓與加速度的關(guān)系，測量數(shù)據(jù)見表1。
?
?
??? 在加速度逐漸增大的過程中前軸傳感器輸出電壓下降，后軸傳感器輸出電壓升高，前、后軸傳感器輸出電壓之和呈下降趨勢。測量數(shù)據(jù)見表2。
?
??? 整車傳感器的輸出電壓與加速度的關(guān)系，測量數(shù)據(jù)見表3。
?
??? 在加速度逐漸增大的過程中前軸傳感器輸出電壓下降，后軸傳感器輸出電壓升高，前、后軸傳感器輸出電壓之和呈下降趨勢。因此對雙軸車輛的測量一定要考慮前、后軸的共同影響，只有這樣才能較準(zhǔn)確地測量車輛載荷[3]。
??? 根據(jù)表1、表2和表3中的數(shù)據(jù)繪制出的載荷質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系曲線見圖4所示。
?
??? 在利用車載式電容傳感器檢測車輛載荷時，增加加速度傳感器檢測車輛行駛過程中前進(jìn)方向的加速度和車廂豎直方向振動加速度，關(guān)鍵是準(zhǔn)確地測量出前進(jìn)方向的加速度對前后軸所造成的影響，才能為車輛稱重系統(tǒng)的程序編寫提供科學(xué)依據(jù)[4]。
參考文獻(xiàn)
[1]?謝煜，徐樹山，楊三序.電容稱重傳感器靜態(tài)特性測試系統(tǒng)的研制[J].電測與儀表，2006，43(9)：21-24.
[2]?楊三序，李曉偉，殷保中. 加速度傳感器在電容法車輛載荷檢測中的應(yīng)用[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2007(3)：84-86
[3]?謝煜，楊三序，李曉偉.基于反擬合法的電容稱重傳感器非線性校正[J].儀器儀表學(xué)報，2007，25(5)：923-925.
[4]?YANG San Xu，YANG Wu Qiang.A portable stray-immune capacitance meter [J].Review of? Scientific Instruments，2002，73(4)：1958-1961.