朱立偉　冷志鵬　何天濤　錢豐　李宏偉

摘 要：PVDF壓電傳感器的缺點是溫度敏感性顯著，會在實際應(yīng)用中引起較大誤差。基于這種情況，提出了基于隨機(jī)車輛荷載的反正切溫度修正模型，該模型利用隨機(jī)車輛數(shù)據(jù)對擬合實際數(shù)據(jù)和傳感器物理特性實現(xiàn)傳感器溫度修正。通過高速路段的數(shù)據(jù)進(jìn)行實證分析，證實反正切模型在擬合PVDF壓電傳感器擬合數(shù)據(jù)上具有明顯優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：動態(tài)稱重;隨機(jī)車輛荷載;反正切函數(shù);溫度補(bǔ)償;數(shù)據(jù)擬合;傳感器

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-02

0 引 言

PVDF（聚偏二氟乙烯）是一種具有超薄、高韌性、靈敏度高、抗沖擊性好、性價比高等特點的高分子功能傳感材料[1-5]。本材料可作為動態(tài)稱重系統(tǒng)的傳感元件。PVDF既是壓電材料，又是熱電材料[2]，經(jīng)冷、熱拉伸并在居里點溫度下進(jìn)行極化處理從而表現(xiàn)出熱釋電性和典型壓電[6-11]，由于PVDF對溫度敏感，通常認(rèn)為很難被用于較準(zhǔn)確的壓力測量中[12]。因此，PVDF壓電傳感器須經(jīng)過溫度修正才可準(zhǔn)確測量壓力[13]。傳統(tǒng)的溫度修正基于已知的車輛荷載樣本進(jìn)行，針對動態(tài)稱重系統(tǒng)存在的零漂等問題，需進(jìn)行定期溫度修正及標(biāo)定試驗才能保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。本文提出了一種基于隨機(jī)車輛荷載反正切模型的壓電傳感器溫度補(bǔ)償算法，建立傳感器靈敏度的溫度影響修正公式，實現(xiàn)傳感器溫度修正。

1 隨機(jī)車輛荷載指標(biāo)提取

基于隨機(jī)車輛荷載實現(xiàn)傳感器溫度的修正，需要通過收集自動稱重傳感器的海量數(shù)據(jù)，并從中挖掘出具有較高穩(wěn)定性的荷載指標(biāo)。

（1）收集PVDF稱重傳感器的過車海量數(shù)據(jù)

對某高速路段的動態(tài)稱重數(shù)據(jù)（2016.06.01至2017.01.01）

進(jìn)行統(tǒng)計，從車輛軸型統(tǒng)計方面看，2軸車數(shù)量最多，占比達(dá)到84%，此類車型數(shù)據(jù)可以在短時間周期內(nèi)具備獲取海量數(shù)據(jù)樣本的條件。

（2）車輛車型判別研究

動態(tài)稱重系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別車速、軸距等距離類參數(shù)。而2軸車型包含種類較多，包括小轎車、小貨車、公交車、客車等，利用稱重系統(tǒng)能夠識別軸距特點對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，進(jìn)而獲取具有一致性的重量數(shù)據(jù)。對2軸車的軸距分布頻率統(tǒng)計如圖1所示。

對選取的軸距數(shù)據(jù)進(jìn)行概率分布估計。本文利用多種概率分布模型對數(shù)理統(tǒng)計中非參數(shù)估計的相關(guān)方法估計本類車型的軸距分布。

利用分布擬合算法對稱重樣本軸距分布規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)本類車型軸距長度的概率分布服從t分布，其位置參數(shù)μ、尺度參數(shù)σ和自由度df分別為2.705 1，0.102 75和1.104 5。

利用t分布性質(zhì)，選取[μ-3σ，μ+3σ]軸距區(qū)間（即[2.396 8，

3.013 4] m）的2軸型小車作為樣本，此范圍內(nèi)車輛絕大多數(shù)為轎車。

（3）提取車輛荷載指標(biāo)

由PVDF傳感器的相關(guān)技術(shù)文檔可知：傳感器輸出信號的面積與車速的乘積、車重成正比。因此，若設(shè)壓電傳感器輸出的車軸信號總面積為A，設(shè)車輛的行駛速度為V，根據(jù)傳感器應(yīng)用說明文件可知，車重可以表示為KAV（其中K是比例系數(shù)，為一個待定常數(shù)）[13]。由于K值恒定，因此只分析溫度和AV值的關(guān)系。

為了獲取具有穩(wěn)定性、一致性的車輛荷載指標(biāo)，經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，取對軸距在[2.396 8，3.013 4] m范圍內(nèi)，同一溫度下（±0.5 ℃）每千輛車平均值（SAV）具有高度穩(wěn)定性和一致性。

通過繪制軟件繪出溫度T與SAV值散點圖，如圖2所示。由圖可知，在溫度升高的同時，SAV值也會隨之升高，兩者具有較高相關(guān)性。

建立溫度與SAV之間的數(shù)據(jù)關(guān)系模型是實現(xiàn)傳感器溫度修正的關(guān)鍵。

2 溫度修正回歸模型

針對隨機(jī)車輛荷載指標(biāo)提取樣本進(jìn)行溫度修正回歸模型研究。研究指數(shù)模型、線性模型及反正切模型的應(yīng)用。

對三種模型進(jìn)行參數(shù)擬合，結(jié)果見表1所列。

分別利用三種模型對數(shù)據(jù)擬合結(jié)果進(jìn)行分析，用5種指標(biāo)（均方根誤差RMSE、誤差平方和SSE、復(fù)相關(guān)系數(shù)R、復(fù)相關(guān)系數(shù)平方R-Square、決策系數(shù)DC）對三種模型的非線性擬合效果進(jìn)行評價比較，各指標(biāo)見表2所列。

由表2可知，反正切模型得到的模型擬合度優(yōu)于線性模型和指數(shù)模型，且誤差對比線性模型和指數(shù)模型較小。DC決策系數(shù)較高，因此，反正切模型更加適合PVDF壓電傳感器。

通過實測數(shù)據(jù)驗證了基于本方法進(jìn)行溫度修正后的稱重系統(tǒng)能夠使得單傳感器稱重誤差控制在8.0%以內(nèi)，多傳感器綜合應(yīng)用后可進(jìn)一步降低誤差。

3 結(jié) 語

本文針對動態(tài)稱重系統(tǒng)PVDF壓電傳感器溫度敏感性顯著的問題，提出了利用隨機(jī)采集的高速路段數(shù)據(jù)，基于車輛統(tǒng)計分布和概率分布模型選取車輛荷載指標(biāo)實現(xiàn)對溫度的補(bǔ)償修正。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析表明，反正切模型對實測壓電傳感器的實測數(shù)據(jù)擬合程度較好，實現(xiàn)了溫度補(bǔ)償。

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