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一種微波稱重傳感器及車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微波稱重傳感器及車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法，通過(guò)掃頻微波信號(hào)經(jīng)過(guò)探針傳送給鋪設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的諧振腔，諧振腔在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)生形變，形變使得輸出的諧振頻率與輸入的諧振頻率不同，發(fā)生改變，由已知重量的車輛標(biāo)定頻率變化與車輛重量之間的函數(shù)關(guān)系，檢測(cè)到行進(jìn)車輛對(duì)微波稱重傳感器產(chǎn)生的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對(duì)應(yīng)的車輛重量。解決了現(xiàn)有稱重傳感器的測(cè)量精度不高，適用性局限導(dǎo)致的稱重結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問(wèn)題。解決了現(xiàn)有動(dòng)態(tài)稱重方法對(duì)車輛過(guò)衡速度的限制以及過(guò)衡設(shè)備只能對(duì)靜態(tài)或低速通過(guò)車輛進(jìn)行負(fù)荷檢測(cè)的局限性的技術(shù)問(wèn)題。
【專利說(shuō)明】一種微波稱重傳感器及車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于動(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域，涉及一種稱重傳感器，具體涉及一種微波動(dòng)態(tài)稱重傳 感器及車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著公路運(yùn)輸行業(yè)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展擴(kuò)大，物流運(yùn)輸量日益激增，車輛超限 超載、交通事故、道路養(yǎng)護(hù)、基礎(chǔ)設(shè)施安全及環(huán)境污染等一系列問(wèn)題隨之而來(lái)。因此，迅速有 效地遏制超載超限運(yùn)輸已成為目前全國(guó)交通運(yùn)輸管理工作中的重中之重。隨著超載問(wèn)題的 日益突出，國(guó)際上交通管理部門對(duì)所運(yùn)輸車輛的負(fù)荷載重管理要求越來(lái)越高，不僅要求計(jì) 量準(zhǔn)確而且要求操作流程簡(jiǎn)單、高效、迅速，由此引出的對(duì)于能夠滿足稱重精度、提高通行 效率、適用于動(dòng)態(tài)交通預(yù)警的動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)越來(lái)越受到重視。
[0003] 目前在動(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域采用的負(fù)載稱重技術(shù)還相對(duì)較為傳統(tǒng)，多數(shù)為靜態(tài)稱重方 式，并且適用范圍有限，主要在特定的工程車輛上得到應(yīng)用，同時(shí)需要設(shè)置專用場(chǎng)地或稱重 站，測(cè)量效率低。且由于靜態(tài)稱重規(guī)模大，引人注目，超載車輛往往以繞道的方式躲避稱重 檢查，或采用"跳秤"的方式來(lái)干擾正常的測(cè)量結(jié)果。雖然靜態(tài)稱重方法精度較高，但這種 檢測(cè)方式已明顯不適應(yīng)公路交通運(yùn)輸量日益膨脹的現(xiàn)狀，造成管理繁雜，人員勞動(dòng)強(qiáng)度高， 車輛流速慢，易造成公路阻塞，影響了公路交通安全、保暢工作的順利進(jìn)行。由于車輛在動(dòng) 態(tài)運(yùn)行過(guò)程中的載荷量受到多種因素的影響，如：車輛的速度及加速度、車輛輪胎、路面情 況與粗糙度、車輛類型等，所以車輛在動(dòng)態(tài)下實(shí)現(xiàn)稱重較為困難。如何在上述因素影響下提 取有效的信息，從而得到車輛在整個(gè)行駛過(guò)程中各種狀態(tài)下采集信號(hào)的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，以及 得到適用的數(shù)據(jù)模型，本領(lǐng)域科研人員長(zhǎng)期致力于這些問(wèn)題的解決。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種微波稱重傳感器，解 決現(xiàn)有稱重傳感器的測(cè)量精度不高，適用性局限導(dǎo)致的稱重結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法，解決了現(xiàn)有動(dòng)態(tài)稱重方法 對(duì)車輛過(guò)衡速度的限制以及過(guò)衡設(shè)備只能對(duì)靜態(tài)或低速通過(guò)車輛進(jìn)行負(fù)荷檢測(cè)的局限性 的技術(shù)問(wèn)題。
[0006] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0007] -種微波稱重傳感器，包括兩部分，一部分是一個(gè)封閉的圓柱形腔諧振腔，另一部 分是用于激勵(lì)諧振腔中電磁場(chǎng)的探針，作為磁偶極子激勵(lì)的探針沿諧振腔的徑向放置，探 針伸入諧振腔的腔體但不穿過(guò)諧振腔從而激勵(lì)諧振腔內(nèi)的電磁場(chǎng)；探針用于輸入一個(gè)掃頻 微波信號(hào)，諧振腔受力擠壓變形，能夠改變諧振腔中掃頻微波信號(hào)的頻率，根據(jù)諧振腔受力 擠壓變形前后的頻率差與諧振腔受力大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)微波稱重。
[0008] 本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：
[0009] 所述的諧振腔直徑為1cm?2cm，諧振腔長(zhǎng)度滿足至少一個(gè)待測(cè)車道的寬度，優(yōu)選 L 5m ?2m〇
[0010] 所述的諧振腔采用鈹銅作為腔壁材料。
[0011] 所述的探針采用內(nèi)徑為1. 52mm、外徑為3. 5mm的同軸線作為探針。
[0012] 所述的掃頻微波信號(hào)的頻率范圍為6GHz?11GHz。
[0013] 一種基于如上所述的微波稱重傳感器的車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法，快速掃頻系統(tǒng)為探 針提供一個(gè)掃頻微波信號(hào)，快速掃頻系統(tǒng)與CPU的輸出端相連，信號(hào)輸出系統(tǒng)中的環(huán)形器 采集諧振腔中的頻率，信號(hào)輸出系統(tǒng)（1-4)與CPU的輸入端相連，所述的CPU上還連接有前 置地感線圈和后置地感線圈，用于確定車輛駛?cè)氡O(jiān)測(cè)區(qū)域和駛出監(jiān)測(cè)區(qū)域；所述的CPU上 還連接有車輛分離器和輪胎識(shí)別器，車輛分離器用于分離車輛，輪胎識(shí)別器用于確定分離 開的車輛的類型，具體方法按照以下步驟進(jìn)行：
[0014] 步驟一，在整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重的監(jiān)測(cè)區(qū)域，首先在路面上鋪設(shè)前置地感線圈用來(lái)檢測(cè) 車輛是否進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，緊接車輛通過(guò)鋪設(shè)的車輛分離器，將車輛分離開；分離開的車輛通 過(guò)鋪設(shè)在路面上的輪胎識(shí)別器，輪胎識(shí)別器采集車輛的輪胎信息，確定車輛類型；微波稱重 傳感器以內(nèi)嵌形式埋于路面內(nèi)水平放置，沿著車輛行進(jìn)方向鋪設(shè)微波稱重傳感器，微波稱 重傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輛重量；微波稱重傳感器安裝于監(jiān)測(cè)區(qū)域的路面時(shí)，諧振腔X軸方向 與車輛行進(jìn)方向相同，諧振腔y軸方向與路面垂直，諧振腔z軸方向與車輛行駛方向垂直； 最后在路面上鋪設(shè)后置地感線圈用來(lái)檢測(cè)車輛是否駛出檢測(cè)區(qū)域；
[0015] 步驟二，CPU控制快速掃頻系統(tǒng)產(chǎn)生掃頻微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)探針傳送給鋪設(shè)在監(jiān)測(cè) 區(qū)域內(nèi)的諧振腔，諧振腔在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)生形變，形變使得輸出的諧振頻率與輸入的諧振 頻率不同，發(fā)生改變，輸出的諧振頻率通過(guò)信號(hào)輸出系統(tǒng)的環(huán)形器傳輸給功率監(jiān)測(cè)器，經(jīng)放 大器放大，放大后的信號(hào)傳送至CPU，通過(guò)對(duì)比車輛經(jīng)過(guò)微波稱重傳感器的輸入諧振頻率信 號(hào)和輸出諧振頻率信號(hào)的變化，由已知重量的車輛標(biāo)定頻率變化與車輛重量之間的函數(shù)關(guān) 系，檢測(cè)到行進(jìn)車輛對(duì)微波稱重傳感器產(chǎn)生的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對(duì)應(yīng)的車 輛重量。
[0016] 所示的微波稱重傳感器為三個(gè)，之間的間隔為16.5m。
[0017] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下技術(shù)效果：
[0018] 本發(fā)明將微波傳感技術(shù)用于動(dòng)態(tài)稱重領(lǐng)域這一設(shè)計(jì)思想，提出了一種對(duì)車輛過(guò)衡 速度無(wú)須限制的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；克服了以往過(guò)衡設(shè)備只能對(duì)靜態(tài)或低速通過(guò)車輛 進(jìn)行負(fù)荷檢測(cè)的局限性；利用微波信號(hào)作為測(cè)量參數(shù)，并采用低次主模激勵(lì)諧振腔，在獲得 高測(cè)量精度的同時(shí)，最大程度地簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)和尺寸，以適應(yīng)實(shí)際安裝環(huán)境，同時(shí)有 效降低了傳感器成本，利于應(yīng)用推廣；所設(shè)計(jì)諧振腔選用強(qiáng)度與靈敏度兼具的金屬材料，堅(jiān) 固耐用，保證了傳感器在惡劣環(huán)境中的較長(zhǎng)使用壽命；同時(shí)傳感器基于電磁原理，工作性能 穩(wěn)定，易校準(zhǔn)；此外封閉腔體設(shè)計(jì)可有效屏蔽測(cè)量環(huán)境中的電子噪聲，使傳感器具有良好的 抗噪、抗電磁干擾性能，這一特點(diǎn)對(duì)于環(huán)境嘈雜、車輛引擎噪聲頻譜較寬的交通檢測(cè)領(lǐng)域等 應(yīng)用尤為重要。
[0019] 本發(fā)明提供一種基于微波傳感技術(shù)的車輛動(dòng)態(tài)稱重方法，該微波傳感技術(shù)的車輛 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)（附圖1為系統(tǒng)圖）包括微波稱重傳感器、車輛分離器、輪胎識(shí)別器、地感線 圈和控制柜。稱重傳感器主要完成車軸的稱重、速度檢測(cè)、軸型判斷等工作；車輛分離器用 來(lái)進(jìn)行車輛的分離及提供開始、結(jié)束等信號(hào)；輪胎識(shí)別器主要用來(lái)檢測(cè)通過(guò)車輛每軸的輪 胎數(shù)；地感線圈主要用來(lái)完成測(cè)速、倒車等檢測(cè)，并與紅外分離器一起對(duì)非車輛以外的物體 或人通過(guò)時(shí)的判斷，減少出錯(cuò)；控制柜處理動(dòng)態(tài)稱重傳感器和線圈送來(lái)的信息，經(jīng)過(guò)分析和 處理得到車輛的負(fù)荷信息。本發(fā)明方法可用于檢測(cè)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓力，精確度高，抗電磁干擾 能力強(qiáng)，成本低，適合于強(qiáng)度較高的道路交通使用環(huán)境，維護(hù)成本低，適用于多種道路監(jiān)測(cè) 保護(hù)以及其它基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測(cè)、維護(hù)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1和圖2是諧振腔和探針結(jié)構(gòu)示意圖，圖1是立體圖，圖2是z軸方向視圖。
[0021] 圖3是快速掃描系統(tǒng)和信號(hào)輸出系統(tǒng)示意圖。
[0022] 圖4是輸入微波稱重傳感器探針的的掃頻微波信號(hào)。
[0023] 圖5是傳感器鋪設(shè)相對(duì)位置示意圖。
[0024] 圖6是傳感器連接關(guān)系示意圖。
[0025] 圖7是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的工作流程圖。
[0026] 圖8是車重與諧振頻率之間的關(guān)系曲線。
[0027] 圖9是諧振頻率與回波損耗的關(guān)系曲線，即動(dòng)態(tài)傳感器在不同負(fù)載條件下，S11值 與諧振頻率間的相互關(guān)系。
[0028] 圖10是諧振頻率與諧振腔中Q值線性關(guān)系圖。
[0029] 圖11是微擾尺寸、z方向長(zhǎng)度與頻移關(guān)系曲線。
[0030] 圖12是微波稱重傳感器金屬管的一致性測(cè)試結(jié)果。
[0031] 圖13是微波稱重傳感器金屬管不同位置一致性測(cè)試的誤差曲線。
[0032] 圖中各個(gè)標(biāo)號(hào)的含義為：1-微波稱重傳感器，2-前置地感線圈，3-后置地感線圈， 4-CPU，5-車輛分離器，6-輪胎識(shí)別器；（1-1)-諧振腔，（1-2)-探針，（1-3)-快速掃頻系統(tǒng)， (1-4)-信號(hào)輸出系統(tǒng)。
[0033] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)解釋說(shuō)明。

【具體實(shí)施方式】
[0034] 以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，需要說(shuō)明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施 例，凡在本申請(qǐng)技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035] 需要說(shuō)明的是，如圖1所示，本發(fā)明中諧振腔1-1的X軸表示諧振腔1-1的徑向一 個(gè)方向，y軸表示諧振腔1-1的徑向方向與X軸垂直的方向，Z軸表示諧振腔1-1軸向的方 向，其中探針1-2的方向?yàn)閥軸的方向。
[0036] 需要說(shuō)明的是，本發(fā)明所述的快速掃頻系統(tǒng)1-3為本領(lǐng)域中能產(chǎn)生如圖4所示的 掃頻微波信號(hào)的系統(tǒng)，具體如圖3所示，所述的信號(hào)輸出系統(tǒng)1-4包括安裝在諧振腔1-1上 的環(huán)形器，環(huán)形器依次與功率檢測(cè)器和放大器相連。
[0037] 本發(fā)明的微波稱重傳感器是基于模型諧振腔電磁場(chǎng)微擾理論制造的。其結(jié)構(gòu)圖如 附圖1所示，它由兩部分組成，一部分是兩端利用金屬板短路的圓柱腔，另一部分是用于激 勵(lì)諧振腔中電磁場(chǎng)的探針。探針沿y軸方向放置，傳感器實(shí)際安裝于路面時(shí)，圓柱腔沿z軸 方向水平放置，橫向埋于路面內(nèi)，諧振腔1-1直徑2a為lcm?2cm，a為半徑；諧振腔1-1長(zhǎng) 度d滿足至少一個(gè)待測(cè)車道的寬度，優(yōu)選1. 5m?2m。當(dāng)待測(cè)車輛駛過(guò)時(shí)，埋于路面內(nèi)的傳 感器方向?qū)⑴c車輛行駛方向相垂直。當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)該傳感器時(shí)，車輛重量將使得圓柱諧振腔 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，從而引起腔體諧振頻率根據(jù)不同負(fù)載而產(chǎn)生的線性變化。
[0038] 測(cè)量精度：本發(fā)明微波稱重傳感器的結(jié)構(gòu)采用微波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，意味著其測(cè)量 精度可高達(dá)微波信號(hào)頻率分辨率的精度標(biāo)準(zhǔn)。與其它各類測(cè)量參數(shù)信號(hào)相比，頻率信號(hào)可 具有極高的分辨率。因此，該發(fā)明提出的微波壓力傳感器相對(duì)于其它基于檢測(cè)電阻變化的 傳感器（例如彎板式或秤臺(tái)式測(cè)壓傳感器）在測(cè)量精度上具有較大的優(yōu)勢(shì)。
[0039] 測(cè)量準(zhǔn)確性：根據(jù)諧振腔基本理論，諧振腔在其諧振頻率上的測(cè)量精度與諧振腔 的品質(zhì)因數(shù)Q。值相關(guān)，Q。值越高，腔體諧振時(shí)的測(cè)量越準(zhǔn)確。本申請(qǐng)所設(shè)計(jì)的微波動(dòng)態(tài)稱 重傳感器工作于其諧振頻率，為達(dá)到較高的測(cè)量準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量選取較高的Q。，而Q。值隨著 諧振頻率的增大而增大，Q。值與諧振頻率的線性關(guān)系如圖10所示，因此，諧振頻率越高，可 以得到越高的Q。值，從而測(cè)量的結(jié)果會(huì)越精確。
[0040] 實(shí)施例1 :
[0041] 遵從上述技術(shù)方案，如圖1至圖4所示，本實(shí)施例給出了一種微波稱重傳感器，包 括兩部分，一部分是兩端利用金屬板短路的圓柱形腔諧振腔1-1，即封閉的圓柱形腔諧振腔 1-1，另一部分是用于激勵(lì)諧振腔1-1中電磁場(chǎng)的探針1-2,作為磁偶極子激勵(lì)的探針1-2沿 諧振腔1-1的徑向放置，探針1-2伸入諧振腔1-1的腔體但不穿過(guò)諧振腔1-1從而激勵(lì)諧 振腔1-1內(nèi)的電磁場(chǎng)；探針1-2用于輸入一個(gè)掃頻微波信號(hào)，諧振腔1-1受力擠壓變形，能 夠改變諧振腔1-1中掃頻微波信號(hào)的頻率，根據(jù)諧振腔1-1受力擠壓變形前后的頻率差與 諧振腔1-1受力大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)微波稱重。
[0042] 諧振腔1-1采用鈹銅作為腔壁材料。鈹銅為主要合金元素的銅合金，又稱為鈹青 銅，它是銅合金中性能最好的高級(jí)有彈性材料，有很高的強(qiáng)度、彈性、硬度、疲勞強(qiáng)度，彈性 滯后小、耐蝕、耐磨、耐寒、高導(dǎo)電、無(wú)磁性、沖擊不產(chǎn)生火花等一系列優(yōu)良的物理、化學(xué)和力 學(xué)性能。鈹銅管越細(xì)，相同情況下的形變?cè)叫。葎t越高。微波稱重傳感器的一般稱重精 度能控制在5 %以內(nèi)，高速稱重的精度在5 %?7 %，在客戶可接受范圍內(nèi)。
[0043] 諧振腔1-1選擇諧振主模TEm作為工作模式，TEm模式是圓柱諧振腔1-1的基 模。
[0044] 探針1-2采用內(nèi)徑為1. 52mm、外徑為3. 5mm的同軸線作為探針。
[0045] 不論輸入什么類型的電磁波，只要能夠在空腔中形成穩(wěn)定振蕩，都會(huì)以模式的形 式存在。本申請(qǐng)中所提到的由掃頻系統(tǒng)生成的周期掃頻微波信號(hào)輸入到諧振腔形成激勵(lì)。 本實(shí)施例中所述的微波是頻率在6?11GHZ，形狀就是我們圖4中所示的周期掃頻微波信 號(hào)，其中周期掃頻微波信號(hào)的產(chǎn)生是經(jīng)過(guò)掃頻系統(tǒng)得到的。
[0046] 圖3中的晶振產(chǎn)生的是一定頻率的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)掃頻系統(tǒng)的電路形成圖4中的 掃頻微波信號(hào)，但是頻率不會(huì)改變。所以說(shuō)初始信號(hào)是方波，輸入微波傳感器的是周期掃頻 微波信號(hào)。
[0047] 實(shí)施例2 :
[0048] 本實(shí)施例的動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中還增加一些其他傳感器，將其組成一個(gè)車輛動(dòng)態(tài)稱重 系統(tǒng)來(lái)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重。
[0049] -種基于上所述的微波稱重傳感器的車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法，快速掃頻系統(tǒng)1-3為 探針1-2提供一個(gè)掃頻微波信號(hào)，快速掃頻系統(tǒng)1-3與CPU 4的輸出端相連，信號(hào)輸出系統(tǒng) 1-4中的環(huán)形器采集諧振腔1-1中的頻率，信號(hào)輸出系統(tǒng)1-4與CPU 4的輸入端相連，所述 的CPU 4上還連接有前置地感線圈2和后置地感線圈3,用于確定車輛駛?cè)氡O(jiān)測(cè)區(qū)域和駛出 監(jiān)測(cè)區(qū)域；所述的CPU 4上還連接有車輛分離器5和輪胎識(shí)別器6,車輛分離器5用于分離 車輛，輪胎識(shí)別器6用于確定分離開的車輛的類型，具體方法按照以下步驟進(jìn)行：
[0050] 步驟一，稱重路面為三層結(jié)構(gòu)：從上到下第一層是水泥混凝土路面約為350mm，第 二層為熱浙青粘合斷路層約為100mm，第三層為石灰路基約為250mm。為了實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)行 駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)車輛進(jìn)行負(fù)荷檢測(cè)，傳感器以內(nèi)嵌形式埋于路面內(nèi)水平放置，，在整個(gè)動(dòng)態(tài) 稱重系統(tǒng)的區(qū)域，首先在路面上鋪設(shè)前置地感線圈用來(lái)檢測(cè)車輛是否進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，緊接 車輛通過(guò)鋪設(shè)的車輛分離器，將車輛分離開；分離開的車輛通過(guò)鋪設(shè)的輪胎識(shí)別器，輪胎識(shí) 別器采集車輛的輪胎信息，確定車輛類型；緊接著車輛通過(guò)步水平鋪設(shè)的三個(gè)微波稱重傳 感器，微波稱重傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)集線器將模擬線號(hào)傳送至AD模塊，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字 信息送至控制柜中的CPU ;最后車輛通過(guò)后置地感線圈，從而完成地感線圈對(duì)車輛行駛軌 跡的檢測(cè)。以上采集到的信息通過(guò)串行總線傳送至控制柜中的CPU，CPU再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù) 處理，從而得到精確的稱重信息。
[0051] 微波稱重傳感器安裝于監(jiān)測(cè)區(qū)域的路面時(shí)，微波稱重傳感器水平放置，諧振腔X 軸方向與車輛行進(jìn)方向相同，諧振腔y軸方向與路面垂直，諧振腔z軸方向與車輛行駛方向 垂直，沿著車輛行進(jìn)方向水平放置三根微波稱重傳感器，因?yàn)楦鶕?jù)公路相關(guān)規(guī)定，允許行使 的半掛的車身的最大長(zhǎng)度為16. 5m，三根微波稱重傳感器之間均以16. 5m隔開，可以在車輛 高速、低速通過(guò)以及靜止時(shí)對(duì)其速度進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別。
[0052] 步驟二，CPU控制快速掃頻系統(tǒng)產(chǎn)生掃頻微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)探針傳送給鋪設(shè)在監(jiān)測(cè) 區(qū)域內(nèi)的諧振腔，諧振腔在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)生形變，形變使得輸出的諧振頻率與輸入的諧振 頻率不同，發(fā)生改變，輸出的諧振頻率通過(guò)信號(hào)輸出系統(tǒng)的環(huán)形器傳輸給功率監(jiān)測(cè)器，經(jīng)放 大器放大，放大后的信號(hào)傳送至CPU，通過(guò)對(duì)比車輛經(jīng)過(guò)微波稱重傳感器的輸入諧振頻率信 號(hào)和輸出諧振頻率信號(hào)的變化，由已知重量的車輛標(biāo)定頻率變化與車輛重量之間的函數(shù)關(guān) 系，檢測(cè)到行進(jìn)車輛對(duì)微波稱重傳感器產(chǎn)生的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對(duì)應(yīng)的車 輛重量。
[0053] 仿真實(shí)施例：
[0054] 本申請(qǐng)的技術(shù)方案前期研究工作中，利用本申請(qǐng)研發(fā)的基于微波諧振腔原理方法 的仿真算法對(duì)所設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)稱重傳感器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。具體的仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程步驟：
[0055] 仿真實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)Ansoft公司開發(fā)的HFSS電磁仿真軟件，該軟件采用有限元法。 其性能分析和后處理功能可用于分析諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)，本發(fā)明中微波諧振腔是微波稱 重傳感器的重要組成，而微波諧振腔的主要參數(shù)有兩個(gè)：諧振頻率或諧振波長(zhǎng)和品質(zhì)因數(shù)。 因此我們采用HFSS電磁仿真軟件來(lái)做相關(guān)的電磁仿真。
[0056] 具體的仿真過(guò)程如下：
[0057] (1)HFSS設(shè)計(jì)環(huán)境概述。
[0058] 對(duì)圓柱諧振腔進(jìn)行建模，采用有限導(dǎo)體邊界，設(shè)置最小求解頻率為6GHz，本征模求 解，無(wú)需外界激勵(lì)，從而得到諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)Q。和場(chǎng)分布圖。
[0059] ⑵結(jié)果分析。
[0060] 觀察諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)Q。。由于仿真的條件限制，這里的仿真實(shí)驗(yàn)中采用半徑 的微小變化來(lái)模擬諧振腔的體積變化。通過(guò)大量的結(jié)果分析可知隨著體積的減小諧振頻率 會(huì)增大的結(jié)論，體積變化與諧振頻率變化量之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0061] 本實(shí)施例中使用所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)稱重傳感器為1?2cm直徑和1. 5?2m長(zhǎng)的圓柱 形腔體結(jié)構(gòu)。
[0062] 所得到的仿真結(jié)果顯示，諧振頻移和體積變化（或重量變化）存在著單調(diào)相關(guān)性。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8顯示，實(shí)線為實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，虛線是其擬合曲線，可以發(fā)現(xiàn)腔體所受壓力 與諧振頻率值呈線性關(guān)系，重量越大，諧振頻率越大，與試驗(yàn)得到的結(jié)論微擾越大，諧振頻 率越大一致。
[0063] 為了確定諧振腔的諧振頻率，需要測(cè)量S11參數(shù)值（S11為諧振腔的信號(hào)反射參 數(shù)）。圖9中所顯示的是動(dòng)態(tài)傳感器在不同負(fù)載條件下，S11值與諧振頻率間的相互關(guān)系。
[0064] 圖11是該傳感器在不同壓力形變下所測(cè)得的諧振頻率圖。可以看出在諧振腔在 同一壓力形變的微擾尺寸情況下，隨著諧振腔長(zhǎng)度的變化諧振頻率基本穩(wěn)定不變。而不同 的壓力形變微擾尺寸對(duì)頻率偏移的影響非常明顯，微擾尺寸越大，頻移越大。該特性證明傳 感器可穩(wěn)定工作于其諧振頻率，從而達(dá)到測(cè)量精確的目的。
[0065] 以上的研究工作充分表明本項(xiàng)目中所提出的這種基于微波諧振腔擾動(dòng)原理的壓 力傳感器設(shè)計(jì)思路合理可行，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有較好的吻合，驗(yàn)證了將這種微波壓力 傳感器應(yīng)用于動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的可行性和有效性。
[0066] 由大量的仿真結(jié)果可以知道，隨著微波諧振腔尺寸的變化腔體的諧振頻率發(fā)生變 化。大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到：當(dāng)腔體體積微變時(shí)，兩種基模TM010和TE111諧振頻率呈線性變 化，從而可以由諧振頻率對(duì)應(yīng)得到體積變化的量，由實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)學(xué)模型式I可以得到對(duì) 應(yīng)的壓力，從而可以得出車重。大量實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)學(xué)模型如式I所示，其中F代表測(cè)量車輛 的車重，K是Λ f = 0 (即諧振頻率變化量為零）時(shí)對(duì)應(yīng)的車重，α是實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的F和 Af擬合出來(lái)直線的斜率，因?yàn)楦鞣N類型車輛的對(duì)應(yīng)關(guān)系不一樣，其中Κ和α多種不同的組 合。圖12是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量下得到微波稱重傳感器所用金屬管的一致性檢測(cè)結(jié)果，可以看出 不同位置的測(cè)試都符合線性；圖13是管子不同位置的一致性測(cè)試的誤差范圍，可以看出誤 差在±3%范圍內(nèi)，能很好的滿足測(cè)量需要的線性和一致性。
[0067] F = Κ+ α Δ f (式 I )
[0068] 其中：Δ f表示頻率變化量。
[0069] 采用三類的車輛為例進(jìn)行測(cè)量，分別是微型轎車、中級(jí)轎車和微型客車。測(cè)量結(jié)果 如下表1，從表1可以看出測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)式I的擬合曲線的參數(shù)；磅秤稱重結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)重量 相比較，其誤差為±3%，而本發(fā)明的微波稱重傳感器稱重結(jié)果誤差為±4%。可知，采用微 波稱重傳感器的動(dòng)態(tài)稱重結(jié)果誤差較小，與靜態(tài)的磅秤稱重結(jié)果基本持平，稱重結(jié)果滿足 稱重精度要求。
[0070]

【權(quán)利要求】
1. 一種微波稱重傳感器，其特征在于：包括兩部分，一部分是一個(gè)封閉的的圓柱形腔 諧振腔（1-1)，另一部分是用于激勵(lì)諧振腔（1-1)中電磁場(chǎng)的探針（1-2)，作為磁偶極子激 勵(lì)的探針（1-2)沿諧振腔（1-1)的徑向放置，探針（1-2)伸入諧振腔（1-1)的腔體但不穿 過(guò)諧振腔（1-1)從而激勵(lì)諧振腔（1-1)內(nèi)的電磁場(chǎng)；探針（1-2)用于輸入一個(gè)掃頻微波信 號(hào)，諧振腔（1-1)受力擠壓變形，能夠改變諧振腔（1-1)中掃頻微波信號(hào)的頻率，根據(jù)諧振 腔（1-1)受力擠壓變形前后的頻率差與諧振腔（1-1)受力大小的對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)微波稱重。
2. 如權(quán)利要求1所述的微波稱重傳感器，其特征在于：所述的諧振腔（1-1)直徑為 lcm?2cm，諧振腔（1-1)長(zhǎng)度滿足至少一個(gè)待測(cè)車道的寬度。
3. 如權(quán)利要求2所述的微波稱重傳感器，其特征在于：所述的諧振腔（1-1)長(zhǎng)度為 L 5m ?2m〇
4. 如權(quán)利要求1所述的微波稱重傳感器，其特征在于：所述的諧振腔（1-1)采用鈹銅 作為腔壁材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的微波稱重傳感器，其特征在于：所述的探針（1-2)采用內(nèi)徑為 1. 52mm、外徑為3. 5mm的同軸線作為探針。
6. 如權(quán)利要求1所述的微波稱重傳感器，其特征在于：所述的掃頻微波信號(hào)的頻率范 圍為 6GHz ?11GHz。
7. -種基于如權(quán)利要求1所述的微波稱重傳感器的車輛的動(dòng)態(tài)稱重方法，其特征在 于：快速掃頻系統(tǒng)（1 - 3)為探針（1 - 2)提供一個(gè)掃頻微波信號(hào)，快速掃頻系統(tǒng)（1 - 3)與 CPU(4)的輸出端相連，信號(hào)輸出系統(tǒng)（1 -4)中的環(huán)形器采集諧振腔（1 -1)中的頻率，信號(hào) 輸出系統(tǒng)（1 -4)與CPU(4)的輸入端相連，所述的CPU(4)上還連接有前置地感線圈⑵和 后置地感線圈（3)，用于確定車輛駛?cè)氡O(jiān)測(cè)區(qū)域和駛出監(jiān)測(cè)區(qū)域；所述的CPU(4)上還連接 有車輛分離器（5)和輪胎識(shí)別器（6)，車輛分離器（5)用于分離車輛，輪胎識(shí)別器（6)用于 確定分離開的車輛的類型，具體方法按照以下步驟進(jìn)行： 步驟一，在整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重的監(jiān)測(cè)區(qū)域，首先在路面上鋪設(shè)前置地感線圈（2)用來(lái)檢測(cè) 車輛是否進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域，緊接車輛通過(guò)鋪設(shè)的車輛分離器（5)，將車輛分離開；分離開的車 輛通過(guò)鋪設(shè)在路面上的輪胎識(shí)別器￠)，輪胎識(shí)別器（6)采集車輛的輪胎信息，確定車輛類 型；微波稱重傳感器（1)以內(nèi)嵌形式埋于路面內(nèi)水平放置，沿著車輛行進(jìn)方向鋪設(shè)微波稱 重傳感器（1)，微波稱重傳感器（1)動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輛重量；微波稱重傳感器（1)安裝于監(jiān)測(cè)區(qū) 域的路面時(shí)，諧振腔（1 -1)χ軸方向與車輛行進(jìn)方向相同，諧振腔（1 -l)y軸方向與路面垂 直，諧振腔（1 -l)z軸方向與車輛行駛方向垂直；最后在路面上鋪設(shè)后置地感線圈（3)用來(lái) 檢測(cè)車輛是否駛出檢測(cè)區(qū)域； 步驟二，CPU(4)控制快速掃頻系統(tǒng)（1 -3)產(chǎn)生掃頻微波信號(hào)，經(jīng)過(guò)探針（1 -2)傳送給 鋪設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的諧振腔（1 - 2)，諧振腔（1 - 2)在車輛經(jīng)過(guò)時(shí)發(fā)生形變，形變使得輸出 的諧振頻率與輸入的諧振頻率不同，發(fā)生改變，輸出的諧振頻率通過(guò)信號(hào)輸出系統(tǒng)（1 -4) 的環(huán)形器傳輸給功率監(jiān)測(cè)器，經(jīng)放大器放大，放大后的信號(hào)傳送至CPU(4)，通過(guò)對(duì)比車輛經(jīng) 過(guò)微波稱重傳感器（1)的輸入諧振頻率信號(hào)和輸出諧振頻率信號(hào)的變化，由已知重量的車 輛標(biāo)定頻率變化與車輛重量之間的函數(shù)關(guān)系，檢測(cè)到行進(jìn)車輛對(duì)微波稱重傳感器（1)產(chǎn)生 的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對(duì)應(yīng)的車輛重量。
8. 如權(quán)利要求7所述的動(dòng)態(tài)稱重方法，其特征在于：所述的微波稱重傳感器（1)為三 個(gè)，之間的間隔為16. 5m。
【文檔編號(hào)】G01G19/03GK104266734SQ201410461201
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】郭晨, 靳釗, 賀之莉, 秦鴻瑜, 劉策, 宋煥生 申請(qǐng)人:長(zhǎng)安大學(xué)