基于應(yīng)變式BLR-3型壓力傳感器實(shí)現(xiàn)汽車動(dòng)態(tài)軸重測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無(wú)論是在汽車的安全性能檢測(cè)中還是在汽車的綜合性能檢測(cè)中，對(duì)汽車軸重的測(cè)試都是非常重要的檢測(cè)項(xiàng)目。GB7258-1997《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》明文規(guī)定汽車的單軸制動(dòng)力大于等于本軸軸重的60％即為合格，因此，汽車軸重測(cè)試的準(zhǔn)確性將直接影響到對(duì)汽車制動(dòng)力檢測(cè)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。另外，汽車阻滯力和汽車制動(dòng)力的判斷標(biāo)準(zhǔn)也與軸重有關(guān)。所以，在汽車性能檢測(cè)中我們應(yīng)十分重視對(duì)汽車軸重的測(cè)量。 對(duì)于如何提高汽車安全及綜合性能檢測(cè)中軸重測(cè)試的精度，是近年來(lái)從事汽車檢測(cè)技術(shù)研究與開發(fā)的科技人員較為關(guān)注的問題，尤其是目前在汽車檢測(cè)線中。為了進(jìn)一步提高檢測(cè)效率，人們提出了低速動(dòng)態(tài)測(cè)試軸重的需求。但如何保證動(dòng)態(tài)條件下的軸重測(cè)試精度和重復(fù)性，是一個(gè)值得認(rèn)真分析與研究的問題。本文在對(duì)軸重測(cè)量原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種在汽車檢測(cè)線中進(jìn)行動(dòng)態(tài)軸重測(cè)試的方法，通過對(duì)軸重信號(hào)的分析與處理，證明該方法的可行性。

1 軸重測(cè)量的硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的機(jī)械臺(tái)架設(shè)備為FZZ-10型汽車軸重檢驗(yàn)臺(tái)，該檢驗(yàn)臺(tái)的主要特點(diǎn)為雙板式輪重臺(tái)，適合于大、中、小各種車型的測(cè)試。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集電路、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、上位計(jì)算機(jī)、LED燈陣等組成。傳感器把從檢測(cè)臺(tái)上測(cè)定的物理量按正比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理及放大濾波處理后，由A／D板轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算獲得檢測(cè)結(jié)果。檢驗(yàn)過程中可以動(dòng)態(tài)顯示軸重變化曲線，檢測(cè)結(jié)果由LED燈陣顯示并通過串口或網(wǎng)絡(luò)傳送給上位計(jì)算機(jī)。檢測(cè)過程中對(duì)駕駛員的操作引導(dǎo)是由計(jì)算機(jī)控制LED燈陣顯示相關(guān)提示信息的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1．1 傳感器選型

傳感器選用了應(yīng)變式BLR-3型壓力傳感器，其主要技術(shù)參數(shù)為：靈敏度（S）2．223mV／V；非線性誤差（L）《0．05％F．S；滯后誤差（H）《0．05％F．S；重復(fù)性誤差（R）《0．03％F．S；輸入電阻（Ω）350±1．2％；輸出電阻（Ω）3504-0．5％；絕緣電阻大于2 000MΩ；零點(diǎn)輸出小于士1％F．S；使用溫度一10～+55℃。

1．2 弱信號(hào)調(diào)理

由于壓力傳感器輸出信號(hào)只有0～15mV，信號(hào)非常弱小，采用常規(guī)的信號(hào)處理方法無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)理。本系統(tǒng)對(duì)傳感器信號(hào)的調(diào)理主要是采用放大、濾波及抗干擾處理，使之達(dá)到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集板所需的標(biāo)準(zhǔn)0～10V電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路原理如圖2所示。該調(diào)理電路的主要元件是美國(guó)BB公司的精密儀表放大器INAll4，其特點(diǎn)是低噪聲和極低的非線性（0．003％），高共模抑制比CMRR=120dB（G=l 000），大增益帶寬達(dá)25MHz，輸入保護(hù)、內(nèi)補(bǔ)償，特別適合于本系統(tǒng)的平衡橋式傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合。

另外，為了減少傳感器信號(hào)的各種漂移，進(jìn)一步增大電路的抗干擾能力，在電路印制板設(shè)計(jì)及布線工藝上還進(jìn)行了一些特殊處理，使整個(gè)信號(hào)調(diào)理精度得到進(jìn)一步的提高。

1．3 A／D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)中的模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)選用了PCL-818LS多功能DAS卡，可在IBMPC／XT及其兼容機(jī)上運(yùn)行。該卡設(shè)計(jì)了16路單端或8路差分模擬量輸入，輸入通道增益可編程，A／D轉(zhuǎn)換分辨率為12b、精度為0．01％，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs。同時(shí)還設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)通道／增益掃描電路，該電路能代替軟件控制采樣期間多路開關(guān)的切換，卡上的SRAM存儲(chǔ)每個(gè)通道不同的增益，這種組合方式能實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)通道使用不同的增益及使用DMA數(shù)據(jù)傳輸來(lái)完成多通道高速采樣（可達(dá)100KS／s）。該卡還設(shè)計(jì)了16個(gè)數(shù)字量輸人及16個(gè)數(shù)字量輸出端口。

A／D轉(zhuǎn)換原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇采樣通道J2：CH00一左輪重；CH03一右輪重。

2 軸重信號(hào)的分析與處理

車輛軸重信號(hào)在靜態(tài)及車輛低速通過輪重臺(tái)時(shí)，測(cè)量精度較高，重復(fù)性也非常好，但車輛的行駛速度高于10km／h時(shí)，測(cè)量精度將出現(xiàn)較大的偏差，重復(fù)性也大為降低，平均誤差在5％～30％不等。

在汽車檢測(cè)線現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)三次采集同一輛二軸車以低于3km／h的速度通過稱重臺(tái)時(shí)的傳感器輸出電壓信號(hào)，如圖4、圖5所示（注：圖中數(shù)值均為AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，還未換算成工程量）。

經(jīng)過回零及截取等簡(jiǎn)單處理將其變換后的軸重信號(hào)，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出在低速情況下，軸重信號(hào)的重復(fù)性還是比較好的，但與靜態(tài)時(shí)的軸重相比較仍然存在較大誤差。前軸軸重信號(hào)的三次峰值為；2 223，2 278，2 225；后軸軸重信號(hào)的三次峰值為；2 044，2 043，2 012；靜態(tài)時(shí)前后軸重值分別為；2 550，2 287，即動(dòng)態(tài)時(shí)軸重明顯比靜態(tài)軸重小。

圖8是第一次前軸信號(hào)的功率譜圖，從圖中可以看出，經(jīng)過硬件和軟件濾波后，軸重信號(hào)80％的能量都集中在低于50Hz的低頻信號(hào)范圍內(nèi)，而影響動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)計(jì)量精度的主要因素是汽車在行駛過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)荷載對(duì)稱重的干擾。車輛動(dòng)態(tài)荷載的振動(dòng)頻率在3-20Hz的低頻范圍內(nèi)，振幅變化可達(dá)靜態(tài)載荷的10％，這一狀況決定了通常采用的抑制周期性干擾的濾波方法失效。

鑒于以上原因，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中嘗試采用“建立稱重裝置重力信號(hào)模型，利用優(yōu)化理論，根據(jù)測(cè)量信號(hào)擬和出模型的參數(shù)，從而抑制周期性動(dòng)載干擾”的方法建立如下數(shù)學(xué)模型：

Y（t）=S

其中：Y（t）為稱重信號(hào)的數(shù)學(xué)模型；S為靜態(tài)時(shí)的有效軸重；A為稱重信號(hào)中不同頻率成份的動(dòng)載幅值；凰為不同頻率成份動(dòng)載的頻率；C為不同頻率成份動(dòng)載的相位；戶為汽車車輪動(dòng)載周期干擾的個(gè)數(shù)（實(shí)際上，p《3時(shí)即可使信號(hào)干擾抑制比大于30～40dB，因?yàn)榧词勾嬖诟哳l成分，預(yù)處理時(shí)通常的濾波方法可以有效抑制）。

模型的求解是通過非線性最小二乘法擬合來(lái)實(shí)現(xiàn)的，擬合出上述模型的各參數(shù)后，S即車輛某一軸的靜態(tài)軸重。采用當(dāng)前采集的三組軸重?cái)?shù)據(jù)，擬合出的前軸靜態(tài)軸重值分別為：2 448，2 496，2 423；后軸靜態(tài)軸重值分別為：2 187，2 196，2 156。顯然，與峰值相比更接近于車輛的靜態(tài)軸重值。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文所介紹的汽車性能檢測(cè)中軸重信號(hào)的動(dòng)態(tài)測(cè)試與分析方法，已經(jīng)在陜西汽車制造總廠汽車綜合性能檢測(cè)線、寶雞車輛廠汽車出廠質(zhì)量檢測(cè)線等國(guó)內(nèi)多家用戶中使用。使用情況表明，采用該方法設(shè)計(jì)的軸重檢測(cè)系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度和重復(fù)性均能滿足實(shí)際的汽車檢測(cè)需要。

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