一种基于电容充放电的动态称重方法和系统

1.一种基于电容充放电的动态称重方法，其特征在于，包括如下步骤：
采集车辆通过压电传感器的波形信号；
对压电传感器采集到的波形信号进行信号处理；
对处理后的波形信号进行特征参数提取；所述特征参数包括：上称时刻、下称时刻、积分和、轮速度；所述积分和通过累加波形从上称时间T1到下称时间T2之间的采样点得到；
根据提取到的特征参数计算电容放电损失积分和量并进行波形补偿；
根据补偿后的波形计算车辆重量信息；
其中，所述电容放电损失积分和量是按下式计算的：

式中，

Z表示电容放电损失积分和量，ω表示采集波形的频率，R表示反馈电阻阻值，C表示电容容值，T表示上称时刻至下称时刻间的波形宽度，A表示波形幅值，K表示电路常系数。
2.如权利要求1所述的动态称重方法，其特征在于，所述对压电传感器采集到的波形信号进行信号处理的步骤具体包括：
压电传感器输出的电荷信号转换成电压信号；
对转换后的电压信号进行滤波处理，滤除电压信号中的噪声干扰；
对滤波处理后的电压信号进行放大处理；
放大后的电压信号转换成数字信号。
3.如权利要求1所述的动态称重方法，其特征在于，所述车辆重量信息是按下式计算的：
G＝K1×(sum+Z)×speed
其中，G表示计算所得重量，K1表示等效系数，sum表示车辆上称时刻点、下称时刻点选取的波形的积分和，speed表示轮速度，Z表示电容放电损失积分和量。
4.一种基于电容充放电的动态称重系统，其特征在于，应用权利要求1-3任意一项所述的方法，包括：
信号获取模块、信号处理模块，特征参数提取模块、电容放电损失补偿模块和车辆重量计算模块；
所述信号获取模块采集车辆通过信号获取模块时的波形信号并转换成电荷信号输出至所述信号处理模块；所述信号处理模块对电荷信号处理并转换成数字信号传输至所述特征参数提取模块；
所述特征参数提取模块提取数字信号中相应的特征参数；所述电容放电损失补偿模块根据特征参数计算电容放电损失积分和量并对原始波形信号进行补偿，所述车辆重量计算模块根据补偿后的波形信号计算车辆的重量信息。
5.如权利要求4所述的动态称重系统，其特征在于，所述信号获取模块是两条或者两条以上的基于压电效应的传感器阵列排列。
6.如权利要求4所述的动态称重系统，其特征在于，所述信号获取处理模块包括依序连接的电荷转换单元、信号滤波单元、信号放大单元、信号A/D转换单元；
所述电荷转换单元将压电传感器输出的电荷信号转换成电压信号传输至所述信号滤波单元，所述信号滤波单元对转换后的电压信号滤波处理，滤除电压信号中的噪声干扰并传输至所述信号放大单元，所述信号放大单元对滤波处理后的电压信号放大处理后传输至所述信号A/D转换单元；所述信号A/D转换单元将放大后的电压信号转换成数字信号。
7.如权利要求4-6任意一项所述的动态称重系统，其特征在于，所述系统还包括：
车辆分离检测模块，用于提取车辆的收尾信号并根据收尾信号上传车辆信息。
8.如权利要求7所述的动态称重系统，其特征在于，所述车辆分离检测模块是地感线圈、光栅、激光中的任意一种。

一种基于电容充放电的动态称重方法和系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种动态称重方法和系统，特别涉及一种基于电容充放电的动态称重方法和系统，属于车辆称重技术领域。\n背景技术\n[0002] 高速公路车辆超限现象越来越严重。目前，车辆动态称重技术广泛应用于高速预检、交通流量调查、治理超限超载和计重收费系统中，在交通管理、超载治理中起到了重要的作用。在公路车辆超限预判、桥梁超限报警和轴载动态计量中，迫切需要体积小、动态范围广、灵敏度高、精度高的动态称重传感器和动态车辆称重系统。\n[0003] 基于压电效应的压电传感器广泛应用于高低速称重领域，其固有的优势在于可称量的速度范围广，车辆震动小。然而压电传感器由于产生的是电荷信号，其信号量极其微弱，通常需要采用电荷转换放大电路将其电荷信号转换为电压信号并放大，，从而便于后端进行数据处理。电荷放大电路的弊端在于压电传感器受冲击产生电荷信号给放大电路中的电容充电的同时，电容上的电荷又通过反馈电阻不断放电，导致后端接收到的波形信号损失，最终使称重的结果不准确。在相同速度的情况下，载荷越大的车辆由于其轮胎接地长度大，作用在压电传感器上的时间越长，从而通过反馈电阻放电量越大，导致重量偏轻程度越大，从而影响了称重精度。\n[0004] 通常情况下，称量衡器要求称量重量应与载荷的大小呈线性比例关系。由于上述电容通过反馈电阻不断放电，导致载荷越大称量重量偏轻程度越大，造成了压电式传感器的非线性问题。针对这种电容放电损失导致的传感器非线性问题，普遍采用的方法就是改进电路设计，降低电容通过反馈电阻放电损失。然而无论如何改进电路设计，这种信号损失都会存在，限制了压电传感器称重精度的进一步提高，一定程度上也限制了其更好的推广。\n发明内容\n[0005] 本发明要解决的技术问题是：提高车辆动态称重的精度。\n[0006] 为实现上述的发明目的，本发明提供了一种基于电容充放电的动态称重方法和系统。\n[0007] 一方面本发明提供一种于电容充放电的动态称重方法，包括如下步骤：\n[0008] 采集车辆通过压电传感器的波形信号；\n[0009] 对压电传感器采集到的波形信号进行信号处理；\n[0010] 对处理后的波形信号进行特征参数提取；\n[0011] 根据提取到的特征参数计算电容放电损失积分和量并进行波形补偿；\n[0012] 根据补偿后的波形计算车辆重量信息。\n[0013] 其中较优地，所述对压电传感器采集到的波形信号进行信号处理的步骤具体包括：\n[0014] 压电传感器输出的电荷信号转换成电压信号；\n[0015] 对转换后的电压信号进行滤波处理，滤除电压信号中的噪声干扰；\n[0016] 对滤波处理后的电压信号进行放大处理；\n[0017] 放大后的电压信号转换成数字信号。\n[0018] 其中较优地，所述特征参数包括：上称时刻、下称时刻、积分和、轮速度。\n[0019] 其中较优地，其特征在于，所述电容放电损失积分和量是按下式计算的：\n[0020]\n[0021] 其中，\n[0022]\n[0023] Z表示电容放电损失积分和量，ω表示采集波形的频率，R表示反馈电阻阻值，C表示电容容值，T表示上称时刻至下称时刻间的波形宽度，T＝T2-T1，A表示波形幅值，K表示电路常系数。\n[0024] 其中较优地，所述车辆重量信息是按下式计算的：\n[0025] G＝K1×(sum+Z)×speed\n[0026] 其中，G表示计算所得重量，K1表示等效系数，sum表示车辆上称时刻点、下称时刻点选取的波形的积分和，speed表示轮速度，Z表示电容放电损失积分和量。\n[0027] 另一方面，本发明还提供一种基于电容充放电的动态称重系统，应用上述的方法，包括：\n[0028] 信号获取模块、信号处理模块，特征参数提取模块、电容放电损失补偿模块和车辆重量计算模块；\n[0029] 所述信号获取模块采集车辆通过信号获取模块时的波形信号并转换成电荷信号输出至所述信号处理模块；所述信号处理模块对电荷信号处理并转换成数字信号传输至所述特征参数提取模块；所述特征参数提取模块提取相应的特征参数；所述电容放电损失补偿模块根据特征参数计算电容放电损失积分和量并对原始波形信号进行补偿，所述车辆重量计算模块根据补偿后的波形信号计算车辆的重量信息。\n[0030] 其中较优地，所述信号获取模块是两条或者两条以上的基于压电效应的传感器阵列排列。\n[0031] 其中较优地，所述信号获取处理模块包括依序连接的电荷转换单元、信号滤波单元、信号放大单元、信号A/D转换单元；\n[0032] 所述电荷转换单元将压电传感器输出的电荷信号转换成电压信号传输至所述信号滤波单元，所述信号滤波单元对转换后的电压信号滤波处理滤除电压信号中的噪声干扰并传输至所述信号放大单元，所述信号放大单元对滤波处理后的电压信号放大处理后传输至所述信号A/D转换单元；所述信号A/D转换单元将放大后的电压信号转换成数字信号。\n[0033] 其中较优地，所述系统还包括：\n[0034] 车辆分离检测模块，用于提取车辆的收尾信号并根据收尾信号上传车辆信息。\n[0035] 其中较优地，所述车辆分离检测模块是地感线圈、光栅、激光中的任意一种。\n[0036] 本发明提供的基于电容充放电的动态称重方法和系统，通过电容充放电公式的补偿，在不增加硬件成本的基础上，弥补了由于电荷放大器电容通过反馈电阻的放电损失引起的原始信号损失；有效解决了压电称重系统的非线性问题，减小了压电称重系统的重量损失，改善了称重控制系统的线性，从而提高了基于压电效应的传感器系统的称重精度。\n附图说明\n[0037] 图1是本发明基于电容充放电的动态称重方法的流程示意图；\n[0038] 图2是本发明电荷放大电路的电路原理示意图；\n[0039] 图3是本发明车辆所有轴通过石英传感器时的波形示意图；\n[0040] 图4是本发明车辆单轴单独通过石英传感器时的波形示意图；\n[0041] 图5是本发明利用换算公式补偿的电荷信号量占总信号量的比随速度的变化曲线示意图；\n[0042] 图6是没有通过电荷补偿的车辆重量的误差随速度的变化曲线示意图；\n[0043] 图7是本发明经过电荷补偿的车辆重量的误差随速度的变化曲线示意图；\n[0044] 图8是本发明一实施例的系统结构示意图；\n[0045] 图9是本发明一实施例的传感器阵列布局示意图；\n[0046] 图10是本发明一实施例的信号调理部分的结构示意图；\n[0047] 图11是本发明一实施例的收尾传感装置的位置示意图。\n具体实施方式\n[0048] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。\n[0049] 如图1所示，本发明提供一种基于电容充放电的动态称重方法，包括如下步骤：采集车辆通过压电传感器的波形信号；对压电传感器采集到的波形信号进行信号处理；对处理后的波形信号进行特征参数提取；根据提取到的特征参数计算电容放电损失积分和量并进行波形补偿；根据补偿后的波形计算车辆重量信息。下面对本发明提供的基于电容充放电的动态称重方法展开详细的说明。\n[0050] 首先，介绍采集车辆通过压电传感器的重量信号的步骤。\n[0051] 在本发明中，压电传感器铺设在车辆通过的路面上，车辆通过压电传感器铺设的路段时，压电传感器受到车轮的碾压就产生相应的重量(波形)信号，并将这个重量信号传输至相应的控制装置。\n[0052] 其次，介绍对压电传感器采集到的重量信号进行信号处理的步骤。\n[0053] 如图2所示，在压电传感器向控制装置传输重量信号之前还需要对压电传感器采集到的重量信号进行信号处理，具体步骤包括：电荷转换处理，将从基于压电效应的传感器输出的电荷信号转换成电压信号；信号滤波处理，滤除电压信号中的噪声干扰；信号放大处理，对滤波处理后的电压信号进行放大；信号A/D转换处理，将放大处理后的电压模拟信号转换成数字信号。在上述过程中，当电容上累积了电荷后，就会有少量电荷通过反馈电阻进行放电，从而造成了部分电荷的损失，进而影响称重精度。\n[0054] 再次，介绍对处理后的重量信号进行特征参数提取的步骤。\n[0055] 如图3所示，由于车辆通过压电传感器时随车辆对压电传感器的压力变化会产生相应的波形信号，车辆所有轮通过单根传感器时都产生相应的波形，一个波峰代表一个轮的重量信号。提取车辆通过时波形信号中的时间信息得到车辆通过压电传感器的上称时间T1和下称时间T2。通过累加波形从上称时间T1到下称时间T2之间的采样点得到积分和sum。\n[0056] 第四，介绍根据提取到的特征参数计算电容放电损失积分和量并进行波形补偿的步骤。\n[0057] 如图4所示，车辆单轮通过单个传感器时，波形上任意点的大小表征电压量的大小。对于波形上任意时刻t的电压V0(t)，其通过反馈电阻放电的电压损失可以由电容放电公式得到，具体如式(1)所示：\n[0058]\n[0059] 在整个波形宽度时间范围内，其损失的电压如式(2)所示：\n[0060]\n[0061] 由损失的电压公式(2)可以得出整个波形的所有时刻的电压损失如式(3)所示：\n[0062]\n[0063] 过车波形可以用正弦函数来近似，即V0(t)＝KAsin(ωt)，其中，K表示AD采样的内码值与重量值的比例系数，A表示波形的幅值大小，ω表示波形的频率。\n[0064] 由此上式中， 的积分和可以转换如式(4)所示形式：\n[0065]\n[0066] 同理， 的积分转换如式(5)所示形式：\n[0067]\n[0068] 上式中的另外一项， 将sin(ω\nt)按照泰勒公式展开，取前三项得到如式(6)所示：\n[0069]\n[0070] 将式(6)带入式(5)计算得式(7)所示结果：\n[0071]\n[0072] 其中，\n[0073]\n[0074] R表示反馈电阻阻值，C表示电容容值，A表示波形幅值，K表示，[0075] 电路常系数。\n[0076] 综合以上推导过程可得积分和损失如式(8)所示：\n[0077]\n[0078] 其中，\n[0079]\n[0080] Z表示电容放电损失积分和量，ω表示采集波形的频率，R表示反馈电阻阻值，C表示电容容值，T表示上称时刻至下称时刻间的波形宽度，A表示波形幅值，K表示电路常系数。\n[0081] 由于车辆轮胎碾压压电传感器产生的电荷信号经过图2中的电容C时。当电容上累积了电荷后，少量电荷通过反馈电阻进行放电，从而造成了部分电荷的损失，进而影响称重精度。为避免这种电容放电损失现象导致的称重精度下降问题，需要将损失的积分和量在计算车辆重量时作相应的补偿。\n[0082] 最后，介绍根据补偿后的波形计算车辆重量信息的步骤。\n[0083] 根据车辆通过压电传感器产生压电信号，计算车辆重量的计算公式如式(9)所示：\n[0084] G＝K1×sum×speed  (9)\n[0085] 其中，G表示计算所得重量，K1表示增益系数，sum表示车辆上称时刻点、下称时刻点选取的波形的积分和，speed表示轮速度。\n[0086] 由上面的推导可知积分和的损失如式(8)所示：\n[0087]\n[0088] 其中，Z表示电容放电损失积分和量，ω表示采集波形的频率，R表示反馈电阻阻值，C表示电容容值，T表示上称时刻至下称时刻间的波形宽度，T＝T2-T1，A表示波形幅值，K表示电路常系数。\n[0089] 补偿上积分和的损失后，最终重量计算公式如式(10)所示：\n[0090] G＝K1×(sum+Z)×speed  (10)\n[0091] 其中，G表示计算所得轮重，K1表示增益系数，sum表示车辆上称时刻点、下称时刻点选取的波形的积分和，Z表示电容放电损失积分和量，speed表示轮速度。\n[0092] 按照上述方式得到车辆通过压电传感器的轮重，再根据轮重计算出车辆的总重量，其中车辆的总重量为各轮重之和。\n[0093] 利用电容放电损失补偿公式补偿的电荷信号量占总信号量的比随速度的变化曲线如图5所示。\n[0094] 为了进一步验证本发明提供的基于电容充放电的动态称重方法的精确度和准确性，需要设计一组实验对本方法做相应的验证,具体过程如下：\n[0095] 已知实际重量的车辆样本集包括：12车(重量5790kg)、112车(重量9380kg)、12车(重量15790kg)、112车(重量24380kg)、1127车(重量15420kg)、1127车(重量85420kg)、159车(重量16460kg)、159车(重量26460kg)、159车(重量46460kg)。采用现有的重量计算公式，车辆样本进行动态称重量计算，得到相应的测量结果并绘制成相应的图表，具体地，将实际测得的重量与车辆的速度绘制成误差随速度的变化曲线如图6所示。\n[0096] 利用电容放电损失补偿公式补偿电荷量的损失后再计算重量，采用同样的样本车辆，其误差随速度的变化曲线如图7所示。通过图6与图7所示的重量值分布效果对比可以发现，通过加入了电容放电损失补偿，使得称重误差不受速度的影响，尤其是提高了低速情况下的精度，从而从整体上提高了动态称重精度。\n[0097] 为进一步体现本发明提供的基于电容充放电的动态称重方法的优越性，本发明提供一种应用该方法的基于电容充放电的动态称重系统，该系统包括：信号获取模块、信号处理模块，特征参数提取模块、电容放电损失补偿模块和车辆重量计算模块；所述信号获取模块采集车辆通过信号获取模块时的波形信号并转换成电荷信号输出至所述信号处理模块；\n所述信号处理模块对电荷信号处理处理并转换成数字信号传输至所述特征参数提取模块；\n所述特征参数提取模块提取数字信号相应的特征参数；所述电容放电损失补偿模块根据特征参数计算电容放电损失积分和量并对原始波形信号进行补偿，所述车辆重量计算模块根据补偿后的波形信号计算车辆的重量信息。下面对本发明提供的基于电容充放电的动态称重系统展开详细的说明。\n[0098] 如图8所示，在本发明的一个实施例中，车辆动态称重系统包括：信号获取模块\n100、信号处理模块200、特征参数提取模块300、电容放电损失补偿模块400、车辆信息计算模块500、车辆分离模块600。\n[0099] 如图9所示，信号获取模块100采用石英传感器作为信号采集装置，信号获取模块\n100中的石英传感器阵列呈多条布局。石英传感器阵列包括多个石英称重传感器101、102、\n103、104、105、106。传感器阵列实时采集车辆的动态过车波形，石英传感器依据压电效应的原理将车辆的重量信息转变成为电荷量输出。\n[0100] 如图10所示，为本实施例的信号处理模块，该模块主要包括：依序连接的电荷转换单元201、信号滤波单元202、信号放大单元203、信号A/D转换单元204。电荷转换单元201将压电传感器输出的电荷信号转换成电压信号传输至信号滤波单元202，信号滤波单元202对转换后的电压信号滤波处理，滤除电压信号中的噪声干扰并传输至信号放大单元203，信号放大单元203对滤波处理后的电压信号放大处理后传输至信号A/D转换单元204；信号A/D转换单元204将放大后的电压信号转换成数字信号。\n[0101] 特征参数提取模块300对处理后的信号进行特征参数提取，特征参数主要有：上称时刻T1，下称时刻T2，波形的积分和sum。\n[0102] 电容放电损失补偿模块400利用特征参数提取模块得到的特征值计算波形所产生的电容放电损失积分和量。电容放电损失积分和量计算方式与上述称重方法中的计算方式相同，再次就不再一一赘述了。电容放电损失补偿模块400将计算所得的电容放电损失积分和量补偿到原始波形中，从而得到补偿后的波形。\n[0103] 车辆信息计算模块500根据得到的补偿后的波形，计算车辆的信息数据，信息数据主要包括：车辆的轮重、车辆的总重、车辆的速度、车辆的加速度和车辆的车型。车辆的轴重、车辆的总重的计算方式与上述称重方法中的计算方式相同，在此就不再一一赘述了。\n[0104] 如图11所示，本发明的另一个实施例中，该动态称重系统还包括车辆分离模块\n700，车辆分离模块600接收车辆的分离信号，用于正确分车并同时上传车辆信息。其中，提供分离信号的装置可以为任意一种可提供车辆分离信号的技术形式，例如可以是：地感线圈、激光、光栅等。如图11所示，本实施例采用地感线圈，包括铺设在石英传感器前段的线圈\n601和铺设在石英传感器后端的线圈702，可以检测到不同行驶方向的车辆分离信号。\n[0105] 综上所述，本发明提供的基于电容充放电的动态称重方法和系统，通过电容充放电公式的补偿，在不增加硬件成本的基础上，弥补了由于电荷放大器中的电容通过反馈电阻放电损失引起的原始信号损失；有效解决了压电称重系统的非线性问题，减小了压电称重系统的重量损失，改善了称重控制系统的线性，从而提高了基于压电效应的传感器系统的称重精度。\n[0106] 以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。