基于LabVIEW和.NET的動(dòng)態(tài)軸重測(cè)量系統(tǒng)

吳 雨 桐

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安710000)

基于LabVIEW和.NET的動(dòng)態(tài)軸重測(cè)量系統(tǒng)

吳 雨 桐

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院，陜西 西安710000)

針對(duì)目前日益繁重的交通運(yùn)輸現(xiàn)象，為減免超重車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，文中以壓電式傳感器為基礎(chǔ)原件，通過(guò)LabVIEW編程來(lái)控制PCI-6013完成數(shù)據(jù)的采集及存儲(chǔ)工作.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)動(dòng)態(tài)軸重測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很好地達(dá)到車輛數(shù)據(jù)動(dòng)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(dòng)態(tài)軸重測(cè)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(zhì)的一個(gè)便捷構(gòu)造物，在交通發(fā)展中起著不可替代的作用.隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及運(yùn)營(yíng)公司的利益，運(yùn)輸車輛超載超限現(xiàn)象日益普遍.結(jié)合當(dāng)前的運(yùn)輸狀況，如果橋梁上的荷載長(zhǎng)期超限，橋梁結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部的損傷會(huì)逐漸增大，其動(dòng)力沖擊系數(shù)也會(huì)相應(yīng)的提高，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累以后，必然會(huì)導(dǎo)致橋梁表面及內(nèi)部破壞的出現(xiàn)，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(shí)例.在距離橋頭100 m的路面上安裝動(dòng)態(tài)軸重測(cè)量系統(tǒng)，以便對(duì)行駛過(guò)的車輛進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)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(yùn)行速度；(2)通過(guò)分析得到車輛的軸重、輪重、軸數(shù)、軸距等詳細(xì)信息，最終確定出該車的車型，當(dāng)車輛載重超限時(shí)觸發(fā)報(bào)警裝置，在車輛上橋前發(fā)出警報(bào)，避免了對(duì)橋梁造成的嚴(yán)重危害.從交通數(shù)據(jù)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)的角度來(lái)看，這顯得尤為重要，在動(dòng)態(tài)方面來(lái)說(shuō)，這也是目前國(guó)內(nèi)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向[1].

2 系統(tǒng)組成

動(dòng)態(tài)軸重測(cè)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(lái)發(fā)布控制命令，結(jié)合圖像抓拍相機(jī)，及達(dá)到了軸重?cái)?shù)據(jù)的采集傳輸，又滿足了存儲(chǔ)的要求.

測(cè)量軸重所選用的傳感器為壓電復(fù)合薄膜傳感器(美國(guó)Measurement Specialties公司生產(chǎn))，該傳感器具有無(wú)源、信號(hào)強(qiáng)度高等特點(diǎn).該傳感器的設(shè)計(jì)原理在于：傳感器中的壓電材料在外界動(dòng)荷載的作用下，會(huì)產(chǎn)生與動(dòng)荷載大小成正比的電荷信號(hào).黨路面有汽車通過(guò)時(shí)，路面的荷載會(huì)發(fā)生變化，埋設(shè)于路面內(nèi)的壓電復(fù)合薄膜傳感器就會(huì)對(duì)外輸出變化的電荷信號(hào).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(shí)也設(shè)置了壓電薄膜傳感器，該傳感器安裝要根據(jù)路面的實(shí)際狀況進(jìn)行區(qū)別，對(duì)于直線型路面，一般垂直于路面方向設(shè)置，對(duì)于曲線路面，一般沿徑向設(shè)置.

由于壓電復(fù)合薄膜傳感器厚度較小，主要受構(gòu)件變形的影響，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的車輛荷載值不足以使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足夠大的變形，所以其輸出的電學(xué)信號(hào)較弱，必須采用電荷放大器對(duì)其電學(xué)信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，傳感器受到的干擾較多，產(chǎn)生的信號(hào)比較雜亂，對(duì)收集的信號(hào)還需進(jìn)行過(guò)濾，經(jīng)過(guò)放大、過(guò)濾以后的信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，同時(shí)還要進(jìn)行A/D的轉(zhuǎn)換[2].該套測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(kāi)發(fā)

軸重的數(shù)據(jù)是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)運(yùn)行的LabView程序采集處理后傳送給上位機(jī)的.通過(guò)設(shè)置設(shè)備號(hào)，數(shù)據(jù)采樣率，通道號(hào)及緩沖區(qū)大小即可.數(shù)據(jù)采集部分如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)測(cè)量方案

接下來(lái)就是把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化從而得到需要的數(shù)據(jù)，因?yàn)長(zhǎng)abView可以方便的調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)[3]，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)能帶來(lái)很大的方便，因此在這里，我們采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL的形式.

(1)基本概念.

DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))是一個(gè)程序模塊，由于模塊中封裝了很多資源和實(shí)例，所以，該模塊可以被很多程序共享.動(dòng)態(tài)鏈接是相對(duì)于靜態(tài)鏈接而言的.所謂靜態(tài)鏈接是指把要調(diào)用的函數(shù)或者過(guò)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的優(yōu)點(diǎn).

①共享代碼、資源和數(shù)據(jù).

②隱藏實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié).

(3)實(shí)現(xiàn)方法.

Run-time Dynamic Linking

文章提到的這種實(shí)現(xiàn)方法是指在編譯之前如何調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)并未確定，在運(yùn)行過(guò)程中結(jié)合實(shí)際情況去選擇和調(diào)用函數(shù)，并用LoadLibrary和GetProcAddress動(dòng)態(tài)獲得動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)的入口地址.

主要代碼如下：

/*參數(shù)說(shuō)明

*NorthSignal：北面?zhèn)鞲衅?，檢測(cè)到的軸的位置序列

*dimSize2：南面?zhèn)鞲衅?，檢測(cè)到的軸的個(gè)數(shù)

*SouthSignal：南面?zhèn)鞲衅?，檢測(cè)到的軸的位置序列

*Speed：計(jì)算出來(lái)的車輛的速度，根據(jù)北面和南面?zhèn)鞲衅鞯牡谝粋€(gè)軸位置計(jì)算可得

*dimSize1：北面?zhèn)鞲衅?，檢測(cè)到的軸的個(gè)數(shù)

*numZhou：計(jì)算出來(lái)的軸數(shù)

*/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(jìn)行軟件升級(jí)//的時(shí)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(gè)傳感器的軸數(shù)小于2,則不計(jì)算返回

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

//否則，首先計(jì)算出車速和軸距

//根據(jù)前兩個(gè)軸的位置計(jì)算出瞬時(shí)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(jì)算出軸距

//此時(shí)前面的兩根軸，已經(jīng)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(jù)的是車速和軸距

圖3 數(shù)據(jù)接收軟件中軸重?cái)?shù)據(jù)顯示

//首先計(jì)算出接下來(lái)的軸的車速S

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

//根據(jù)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(jì)算出來(lái)的相差在允許范圍內(nèi)，則接受此軸

*numZhou=num;

*Speed=CarSpeed;}

最后將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳到上位機(jī)，進(jìn)行顯示和存儲(chǔ).

4 系統(tǒng)顯示及web查詢功能

軸重傳感器是通過(guò)車輛的每一根軸對(duì)它的壓力及產(chǎn)生壓力的時(shí)間來(lái)計(jì)算車輛的軸重、總重、軸距和車速的，并且對(duì)超車道和行車道分別進(jìn)行計(jì)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(shù)據(jù)對(duì)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(jīng)過(guò)橋梁的時(shí)間、哪個(gè)車道、車速、軸數(shù)車重及軸重序列等信息.同時(shí)為了方便數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，程序中增加了查詢機(jī)制.可以通過(guò)指定的時(shí)間、車速、總重和軸數(shù)對(duì)軸重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行查詢顯示.例如在圖5中，該查詢的條件是時(shí)間在2016-6-22至2016-7-5之間，軸數(shù)大于等于3，車重小于等于20的車輛.在查詢結(jié)果中可以看出，滿足這樣條件的記錄總共有668條，共96頁(yè)，當(dāng)前頁(yè)為第1頁(yè).

圖4 Web軟件中軸重?cái)?shù)據(jù)顯示部分

圖5 Web軟件中軸重?cái)?shù)據(jù)查詢部分

5 結(jié) 論

文中以廊涿高速某橋梁為例，通過(guò)實(shí)際安裝動(dòng)態(tài)軸重測(cè)量系統(tǒng)，可以對(duì)過(guò)往車輛的各種基本數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)及展示.通過(guò)對(duì)交通數(shù)據(jù)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，有助于對(duì)道路及車輛管理部門的規(guī)劃制定提供有力的數(shù)據(jù)支撐.本文主要達(dá)到了以下結(jié)論：

(1)為汽車動(dòng)態(tài)軸重測(cè)量開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)采集顯示系統(tǒng).通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝測(cè)試表明：基于PCI-6013和LabVW相結(jié)合開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)(電容式、應(yīng)變式等)，壓電傳感系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性更高、兼容性更強(qiáng)和擴(kuò)展性更大的特點(diǎn)，同時(shí)壓電薄膜傳感器的響應(yīng)速度快、精度高.

(2)本文基于LabVIEW開(kāi)發(fā)出的這一套測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試和檢驗(yàn)，其靜態(tài)計(jì)量準(zhǔn)確度為III級(jí)，檢測(cè)結(jié)果完全達(dá)到國(guó)家強(qiáng)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(shù)采集方法研究[D].石家莊:石家莊鐵道學(xué)院,2010

[2]陳保平,鄭文興.基于PCI-6013汽車動(dòng)態(tài)軸重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(3):268～269

[3]侯屏國(guó),王珅,葉齊鑫.LabVIEW7.1編輯與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005

[4]GB 7258-2004,機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)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(xiàn)就讀于陜西省西安市西安科技大學(xué)高新學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè).

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.008

U 213

A