吳 雨 桐

(西安科技大學高新學院，陜西 西安710000)

基于LabVIEW和.NET的動態(tài)軸重測量系統(tǒng)

吳 雨 桐

(西安科技大學高新學院，陜西 西安710000)

針對目前日益繁重的交通運輸現象，為減免超重車輛對橋梁結構產生的不利影響，文中以壓電式傳感器為基礎原件，通過LabVIEW編程來控制PCI-6013完成數據的采集及存儲工作.結合現場實測數據，對整個動態(tài)軸重測量系統(tǒng)進行現場安裝調試，結果表明，該系統(tǒng)能夠很好地達到車輛數據動態(tài)采集的目的，具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，精度滿足工程要求.

壓電薄膜傳感器;動態(tài)軸重測試系統(tǒng);橋梁工程

1 背 景

橋梁作為跨越溝壑山澗或江河等不良地質的一個便捷構造物，在交通發(fā)展中起著不可替代的作用.隨著經濟的發(fā)展以及運營公司的利益，運輸車輛超載超限現象日益普遍.結合當前的運輸狀況，如果橋梁上的荷載長期超限，橋梁結構表面及內部的損傷會逐漸增大，其動力沖擊系數也會相應的提高，經過長時間的積累以后，必然會導致橋梁表面及內部破壞的出現，從而影響其使用壽命.

本文以廊涿高速上的某座橋梁為工程實例.在距離橋頭100 m的路面上安裝動態(tài)軸重測量系統(tǒng)，以便對行駛過的車輛進行數據采集、存儲等工作，該系統(tǒng)的主要功效：(1)借助于傳感器精確的感知橋梁上各類車輛的運行速度；(2)通過分析得到車輛的軸重、輪重、軸數、軸距等詳細信息，最終確定出該車的車型，當車輛載重超限時觸發(fā)報警裝置，在車輛上橋前發(fā)出警報，避免了對橋梁造成的嚴重危害.從交通數據的調查統(tǒng)計的角度來看，這顯得尤為重要，在動態(tài)方面來說，這也是目前國內研究的一個重點方向[1].

2 系統(tǒng)組成

動態(tài)軸重測量系統(tǒng)以壓電式傳感器為元件，以PCI-6013為連接裝置，以LabVIEW來發(fā)布控制命令，結合圖像抓拍相機，及達到了軸重數據的采集傳輸，又滿足了存儲的要求.

測量軸重所選用的傳感器為壓電復合薄膜傳感器(美國Measurement Specialties公司生產)，該傳感器具有無源、信號強度高等特點.該傳感器的設計原理在于：傳感器中的壓電材料在外界動荷載的作用下，會產生與動荷載大小成正比的電荷信號.黨路面有汽車通過時，路面的荷載會發(fā)生變化，埋設于路面內的壓電復合薄膜傳感器就會對外輸出變化的電荷信號.在本研究中，為了更加精確的獲得汽車的軸重，在汽車輪胎的地步同時也設置了壓電薄膜傳感器，該傳感器安裝要根據路面的實際狀況進行區(qū)別，對于直線型路面，一般垂直于路面方向設置，對于曲線路面，一般沿徑向設置.

由于壓電復合薄膜傳感器厚度較小，主要受構件變形的影響，實驗過程中的車輛荷載值不足以使結構產生足夠大的變形，所以其輸出的電學信號較弱，必須采用電荷放大器對其電學信號進行放大，同時，在實際實驗過程中，傳感器受到的干擾較多，產生的信號比較雜亂，對收集的信號還需進行過濾，經過放大、過濾以后的信號通過數據采集卡進行采集，同時還要進行A/D的轉換[2].該套測量系統(tǒng)的測量方案如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

軸重的數據是通過現場計算機運行的LabView程序采集處理后傳送給上位機的.通過設置設備號，數據采樣率，通道號及緩沖區(qū)大小即可.數據采集部分如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)測量方案

接下來就是把采集到的數據進行轉化從而得到需要的數據，因為LabView可以方便的調用動態(tài)鏈接庫[3]，通過動態(tài)鏈接庫能帶來很大的方便，因此在這里，我們采用動態(tài)鏈接庫DLL的形式.

(1)基本概念.

DLL(動態(tài)鏈接庫)是一個程序模塊，由于模塊中封裝了很多資源和實例，所以，該模塊可以被很多程序共享.動態(tài)鏈接是相對于靜態(tài)鏈接而言的.所謂靜態(tài)鏈接是指把要調用的函數或者過程鏈接到可執(zhí)行文件中，成為可執(zhí)行文件的一部分.

(2)動態(tài)鏈接庫的優(yōu)點.

①共享代碼、資源和數據.

②隱藏實現的細節(jié).

(3)實現方法.

Run-time Dynamic Linking

文章提到的這種實現方法是指在編譯之前如何調用動態(tài)鏈接庫函數并未確定，在運行過程中結合實際情況去選擇和調用函數，并用LoadLibrary和GetProcAddress動態(tài)獲得動態(tài)鏈接庫函數的入口地址.

主要代碼如下：

/*參數說明

*NorthSignal：北面?zhèn)鞲衅鳎瑱z測到的軸的位置序列

*dimSize2：南面?zhèn)鞲衅?，檢測到的軸的個數

*SouthSignal：南面?zhèn)鞲衅?，檢測到的軸的位置序列

*Speed：計算出來的車輛的速度，根據北面和南面?zhèn)鞲衅鞯牡谝粋€軸位置計算可得

*dimSize1：北面?zhèn)鞲衅?，檢測到的軸的個數

*numZhou：計算出來的軸數

*/declspec(dllexport)void JudgeCar(unsigned long NorthSignal,long dimSize2，

unsigned long SouthSignal,double*Speed,long dimSize1,

unsigned char*numZhou)//接口部分，此形式固定，在進行軟件升級//的時候只需要修改下面的代碼

{初始化要返回的值

//如果其中的某個傳感器的軸數小于2,則不計算返回

if(dimSize2<2 || dimSize1<2)return;

//否則，首先計算出車速和軸距

//根據前兩個軸的位置計算出瞬時車速和平均車速

CarSpeed1=(3*5 000.0)*3.6/(SouthSignal[0]-NorthSignal[0]);

CarSpeed2=(3*5 000.0)*3.6/(SouthSignal[1]-NorthSignal[1]);

CarSpeed=(CarSpeed1+CarSpeed2)/2;

計算出軸距

//此時前面的兩根軸，已經是此輛車的一部分，即最少是2根軸

num=2;

for(i=2;i

{//繼續(xù)判斷其是否是2軸以上的車，依據的是車速和軸距

圖3 數據接收軟件中軸重數據顯示

//首先計算出接下來的軸的車速S

s=(3*5 000.0)*3.6/(SouthSignal[i]-NorthSignal[i]);

//根據車速s，算出平均軸距d

d1=(NorthSignal[i]-NorthSignal[i-1])/5000.0*s/3.6;

d2=(SouthSignal[i]-SouthSignal[i-1])/5000.0*s/3.6;

d=(d1+d2)/2;

如果后續(xù)軸的車速和軸距，與前面計算出來的相差在允許范圍內，則接受此軸

*numZhou=num;

*Speed=CarSpeed;}

最后將轉換得到的數據通過以太網傳到上位機，進行顯示和存儲.

4 系統(tǒng)顯示及web查詢功能

軸重傳感器是通過車輛的每一根軸對它的壓力及產生壓力的時間來計算車輛的軸重、總重、軸距和車速的，并且對超車道和行車道分別進行計算.從圖3中可以看出行車道和超車道的車總重為21.9 t和1.21 t，它們的車速分別為22 km/h和89 km/h.這些數據對于分析撓度的變化有很大的作用.

圖4顯示的是Web程序中的軸重顯示部分.從圖中可以看出車輛經過橋梁的時間、哪個車道、車速、軸數車重及軸重序列等信息.同時為了方便數據的統(tǒng)計，程序中增加了查詢機制.可以通過指定的時間、車速、總重和軸數對軸重數據進行查詢顯示.例如在圖5中，該查詢的條件是時間在2016-6-22至2016-7-5之間，軸數大于等于3，車重小于等于20的車輛.在查詢結果中可以看出，滿足這樣條件的記錄總共有668條，共96頁，當前頁為第1頁.

圖4 Web軟件中軸重數據顯示部分

圖5 Web軟件中軸重數據查詢部分

5 結 論

文中以廊涿高速某橋梁為例，通過實際安裝動態(tài)軸重測量系統(tǒng)，可以對過往車輛的各種基本數據進行采集存儲及展示.通過對交通數據的調查統(tǒng)計，有助于對道路及車輛管理部門的規(guī)劃制定提供有力的數據支撐.本文主要達到了以下結論：

(1)為汽車動態(tài)軸重測量開發(fā)了實時、動態(tài)采集顯示系統(tǒng).通過現場實際安裝測試表明：基于PCI-6013和LabVW相結合開發(fā)的數據采集系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)(電容式、應變式等)，壓電傳感系統(tǒng)具有實時動態(tài)性更高、兼容性更強和擴展性更大的特點，同時壓電薄膜傳感器的響應速度快、精度高.

(2)本文基于LabVIEW開發(fā)出的這一套測量系統(tǒng)，通過測試和檢驗，其靜態(tài)計量準確度為III級，檢測結果完全達到國家強制規(guī)范的規(guī)定要求[4].

[1]吳爽.基于壓力傳感器的混合交通流參數采集方法研究[D].石家莊:石家莊鐵道學院,2010

[2]陳保平,鄭文興.基于PCI-6013汽車動態(tài)軸重系統(tǒng)設計與實現[J].微計算機信息,2007,23(3):268～269

[3]侯屏國,王珅,葉齊鑫.LabVIEW7.1編輯與虛擬儀器設計[M].北京：清華大學出版社,2005

[4]GB 7258-2004,機動車運行安全技術條件[S].

Dynamic Axle Load Measurement System Based on LabVIEW and .NET

WUYu-tong

(College of Science and Technology,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710000,China)

In view of the increasingly heavy traffic,in order to reduce the adverse effects of overweight vehicles on the bridge structure,the piezoelectric sensor is used as the basis of the original in this paper,through LabVIEW programming,to control the PCI-6013 and to complete the data collection and storage work.Combined with field tests,the results show that the system can achieve the purpose of dynamic weighing acquisition of vehicle data,and its good stability,reliability and precision can meet the engineering requirements.

piezoelectric thin film sensor;dynamic axle load test system;bridge engineering

2016-12-22

吳雨桐，(1993-),男，現就讀于陜西省西安市西安科技大學高新學院計算機科學與技術專業(yè).

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.008

U 213

A