1 引言

传统静态称重作为检测公路车辆超载的方法，存在效率低、占地面积大、移动不方便等缺点[1]，车辆行驶称重技术（weigh inmotion，简称 WIM[2]）作为一种智能称重技术得到了广泛研究和迅速的发展。欧美发达国家几十年前就开始了对车辆动态称重技术的研究，称重技术现已成熟并形成了相关的技术规范，我国在这方面的研究起步较晚，但随着动态称重技术的发展，我国也会制定相关 WIM 技术标准和精度划分标准。集成化应变式称重系统是动态称重系统的核心部分，其中偏载精度、动态响应特性直接决定整个动态称重系统的工作性能与测量精度。因此如何提高称重精度就成为当前动态称重技术发展的关键。

2 高精度集成化称重仪的结构设计

2.1 车辆动态称重的影响因素及主要防范方法

被测的车辆以一定的速度 v 通过称重板的时候。存在以下几种影响称重精度的运动：

（1）绕 X 轴的侧倾，引起轴上的重量在同一轮轴上由一侧车轮向另一侧车轮上转移或者在同一转向架上重量从一边向另一边转移。如果两边同时称重，重量在两个轮子间的分布不会影响到整个称重的分布。

（2）绕 Y 轴的俯仰运动，俯仰表示重量从前轴转移到后轴反之亦然。通常认为轴重法是将汽车先分轴测量，然后相加得到总重。然而这样可能会引入相当大的误差，这主要取决于车速和俯仰频率之间的相互作用。例如，在前轴称重瞬间，车的前端下俯，测量读数较实际重量偏大；若某瞬间后轴在秤台上，车的后端恰好下俯，则测量读数同样偏大，因此简单将两个测量值相加的做法严格来说是不恰当的。

（3）绕 Z 轴的横摆运动，横摆表示水平面内的运动产生的力，针对这个力可以选择对水平力不敏感的称重传感系统，可在机械设计中保障这一点。假如水平力约束器保持水平，则作用在约束器上的力将不会产生垂直分力影响称重系统。

（4）起伏表示沿 Z 轴的移动，即车辆的振动，也将影响重量读数，因为它象俯仰那样产生垂直的力，俯仰可以使车的前端或者后端重量读数增大或者减少，Z 方向同时在两端产生垂直力，因此这种效应也影响称重的精度。很显然这样的运动直接影响重量读数，因为它是垂直方向的作用力，是作用于称重系统的作用力。

2.2 集成化称重板的结构设计

首先规定板的方向，由于这里设计的为一矩形板。板的长度方向是指与车速方向相平行的方向，宽度方向则是与车速方向垂直的方向。

一般而言，要求称重板具有良好的弹性特性和稳定性，在长时间使用中温度变化时候都应保证稳定的特性。在称重板宽度设计时候经常考虑载重汽车最不利的情况即双连轴并且双轮胎情况，因此设计称重板的宽度时候按照尺寸很大的双轮胎断面宽度来考虑，根据实际载重车轮胎尺寸表 1 和如图 3 所示双连轴并且双轮胎情况可以计算出双轮胎宽度（包括两轮胎之间距离）范围为：843 mm≤Lmax双轮宽≤1013 mm，取值为 1000mm。因此设计尺寸不宜过小，以适合称量大尺寸轮胎的重型载重车；称重板的长度通常是越长越好，这样可以保证一定的测量精度，由于目前的技术发展，参考同样功能的轴重测量系统，板子的长度设计值可以减少到 600 mm 以下，取值为 500mm。

 

一般在 500 mm≤L长度≤600 mm。综合以上因素考虑称重台板是用 25 mm 厚 35CrMnSiA 热轧钢板通过切削加工出一块两个宽度外缘形成凸起区、中间为厚度为 13mm 凹陷区的大型35CrMnSiA 合金板，这时 35CrMnSiA 合金板就成为一块两个宽度带承力支承的板桥结构。这里所设计的集成化称重仪是由超静定梁组成的集成化称重传感器，因此剪支梁在受载情况下可以找到其纯剪切区域，然后就可以在纯剪切区域内沿着 45°或 135°方向粘贴电阻应变片。

传统的方法是根据材料力学计算可以确定中性层的位置，但是计算过于繁琐，根据有限元分析可以非常简便的确定中性层的位置及其周围接近纯剪切的区域（贴片的位置），中性层位置为应变符号相反两区域之间的过渡区域，因此选择了中性层及其中性层附近区域单元作为贴片单元，由主应力分析可知道，1 为受压应变片，2 为受拉应变片。

称重板贴片区域示意图在称重板的开槽区域采用集中贴片。可以知道贴片 1、3、5、7 为受压片，贴片 2、4、6、8 为受拉片，将图 6 中平分称重板长度中心轴线对称的槽的应变片按相同性质两应变片串联作为差动全桥的一个桥臂，拉压桥臂组成差动全桥电路。

 

3 称重质量计算方法

对于重量测量方案，采用积分平均法计算各轮载重量。通过采样得到了轮胎动载荷信号。

采用积分平均方法。认为车辆通过秤台时作用力分为静态分量和由各种谐波成分组成的动态分量两部分，将各应变区的输出总和，取一小段 L1，沿其长度 Seg（波峰的计算宽度，用触发门槛确定了其宽度）积分，图中阴影面积除以长度 L1便得到接近于轮重的静态分量。假设各应变区的电桥输出电压初值分别为 u10，u20，…，un0，载荷作用过后，各应变区的电桥输出为 u1，u2，…，un。

式中：S—各差动全桥电路调节到一致的灵敏度，其物理意义为各应变区的输出单位电压需要施加的载荷；n—差动全桥电路的数量，u 的值反映了载荷的大小。此方案的计算结果有很高的精度。

4 计算模型与算法

动态称重精度不仅与称重系统本身的结构有关，还受其他各种因素的影响：如车辆载重、车辆通过速度、板簧结构和车辆振动等，通过改善称重系统硬件设施，可减小称重误差；在相同的硬件条件下，一种成功的算方法能在很大程度上提高动态称重精度[4]。

提出了结合 BP 神经网络的算法：主计算模型的计算值G軍对WIM 系统计算输出值 G 的贡献起到主导作用，而 BP 神经网络修正模型的输出值△G 将对计算输出值 G 起到修正作用，以提高系统的测量精度，计算模型如图 11 所示。

因此，数学模型可表示为：G=G+△G，G=f_k（U）  （2），（3）

△G=f_ANN (U,v,P₀,τ,C, T)           （4）

式中：f_k—各路的电压输出 U 与主计算值G軍之间的函数；f_ANN—经过训练得到的 BP 神经网络函数；U，v，τ，C—上边采用积分平均法计算出来的集成化称重板的电压取值，车速、轮胎参数、系统刚度。

在训练时，将 U，v，τ，C 作为网络的输入，G₀-G（G₀为通过地磅测得的静态称重值）作为网络的输出（训练目标值）。利用从试验中得到的有效数据对网络进行训练与验证后，即可用于预测计算。

5 实验结果分析

根据试验，对模型的算法进行了验证，表 2 中数据为在船山矿石场做实验所得，测量时将动态称重系统置于汽车到达地磅之前的一段距离内（约 10m），车轮静态质量由地磅标定（误差为±20%kg），测得车辆左前（后）轮的质量与静态质量对比，如表 2 所示。从表 2 可以看出，车速在 5km/h 以内，由称重仪测得的轮重精度较高，控制在 3%以内。目前我国尚无相关的动态称重的法规和标准，本称重仪满足美国材料与试验协会（ASTM）IV 类 WIM 系统的要求，可用于交通数据采集、汽车总质量检查[6]。

6 结论

建立了高精度积分平均新方法求解称重质量并且结合 BP 神经网络的计算模型及算法，通过对硬件与软件的改善，称重精度达到了 ASTMIV 类的要求。所设计的 WIM 称重系统精度高、称重台面低、质量轻、便于携带，可用于交通数据采集、汽车过载检测。

 

参考文献

［1］James G.The oregon DOT slow-speed weigh-in-motion（SWIM）project

［R］.TheOregonDepartmentofTransportation，1998.

［2］BerganaAT，NormLindgrenb，CurtisBerthelot.Preservinghighwayinfras tructure using weigh-in-motion （WIM）［R］.Transportation Research News，1998：2-8.

［3］樊丽辉.车辆动态称重技术［J］.中南汽车运输，1998（2），30（5）：5-7.

［4］魏鲁原，伍斌，崔霞.动态称重系统的设计［J］.自动化仪表，2002，23（8）：34-37.

［5］Jacob B.Assessment for the accuracy and classification of weigh -in -motion systems: Part 1 statistical and background. Heavy vehicle systems［J］.A series of the international journal of vehicle design，2000，7（2/3）:136-152.

［6］Luo Yan，Cheng Zhibing，Su Qingzu，Research on Weigh -In -Motion System Using High-pressure Oil Pipe［J］.the 2004 SAE World Congress，PaperNo.:04AE-19，2004.

 
 

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