一種微波稱重傳感器及車輛的動態(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態(tài)稱重方法，通過掃頻微波信號經(jīng)過探針傳送給鋪設(shè)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的諧振腔，諧振腔在車輛經(jīng)過時發(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，檢測到行進車輛對微波稱重傳感器產(chǎn)生的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對應(yīng)的車輛重量。解決了現(xiàn)有稱重傳感器的測量精度不高，適用性局限導(dǎo)致的稱重結(jié)果不準(zhǔn)確的技術(shù)問題。解決了現(xiàn)有動態(tài)稱重方法對車輛過衡速度的限制以及過衡設(shè)備只能對靜態(tài)或低速通過車輛進行負(fù)荷檢測的局限性的技術(shù)問題。
【專利說明】一種微波稱重傳感器及車輛的動態(tài)稱重方法

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

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著公路運輸行業(yè)和商業(yè)貿(mào)易的不斷發(fā)展擴大，物流運輸量日益激增，車輛超限 超載、交通事故、道路養(yǎng)護、基礎(chǔ)設(shè)施安全及環(huán)境污染等一系列問題隨之而來。因此，迅速有 效地遏制超載超限運輸已成為目前全國交通運輸管理工作中的重中之重。隨著超載問題的 日益突出，國際上交通管理部門對所運輸車輛的負(fù)荷載重管理要求越來越高，不僅要求計 量準(zhǔn)確而且要求操作流程簡單、高效、迅速，由此引出的對于能夠滿足稱重精度、提高通行 效率、適用于動態(tài)交通預(yù)警的動態(tài)稱重技術(shù)越來越受到重視。
[0003] 目前在動態(tài)稱重領(lǐng)域采用的負(fù)載稱重技術(shù)還相對較為傳統(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，同時需要設(shè)置專用場地或稱重 站，測量效率低。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"的方式來干擾正常的測量結(jié)果。雖然靜態(tài)稱重方法精度較高，但這種 檢測方式已明顯不適應(yīng)公路交通運輸量日益膨脹的現(xiàn)狀，造成管理繁雜，人員勞動強度高， 車輛流速慢，易造成公路阻塞，影響了公路交通安全、保暢工作的順利進行。由于車輛在動 態(tài)運行過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，所以車輛在動態(tài)下實現(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行駛過程中各種狀態(tài)下采集信號的區(qū)別與關(guān)聯(lián)，以及 得到適用的數(shù)據(jù)模型，本領(lǐng)域科研人員長期致力于這些問題的解決。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的一個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)問題。
[0005] 本發(fā)明的另一個目的是提供一種車輛的動態(tài)稱重方法，解決了現(xiàn)有動態(tài)稱重方法 對車輛過衡速度的限制以及過衡設(shè)備只能對靜態(tài)或低速通過車輛進行負(fù)荷檢測的局限性 的技術(shù)問題。
[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] -種微波稱重傳感器，包括兩部分，一部分是一個封閉的圓柱形腔諧振腔，另一部 分是用于激勵諧振腔中電磁場的探針，作為磁偶極子激勵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諧振腔從而激勵諧振腔內(nèi)的電磁場；探針用于輸入一個掃頻 微波信號，諧振腔受力擠壓變形，能夠改變諧振腔中掃頻微波信號的頻率，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應(yīng)關(guān)系實現(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，諧振腔長度滿足至少一個待測車道的寬度，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態(tài)稱重方法，快速掃頻系統(tǒng)為探 針提供一個掃頻微波信號，快速掃頻系統(tǒng)與CPU的輸出端相連，信號輸出系統(tǒng)中的環(huán)形器 采集諧振腔中的頻率，信號輸出系統(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)測區(qū)域和駛出監(jiān)測區(qū)域；所述的CPU上 還連接有車輛分離器和輪胎識別器，車輛分離器用于分離車輛，輪胎識別器用于確定分離 開的車輛的類型，具體方法按照以下步驟進行：
[0014] 步驟一，在整個動態(tài)稱重的監(jiān)測區(qū)域，首先在路面上鋪設(shè)前置地感線圈用來檢測 車輛是否進入檢測區(qū)域，緊接車輛通過鋪設(shè)的車輛分離器，將車輛分離開；分離開的車輛通 過鋪設(shè)在路面上的輪胎識別器，輪胎識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，沿著車輛行進方向鋪設(shè)微波稱重傳感器，微波稱 重傳感器動態(tài)檢測車輛重量；微波稱重傳感器安裝于監(jiān)測區(qū)域的路面時，諧振腔X軸方向 與車輛行進方向相同，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)后置地感線圈用來檢測車輛是否駛出檢測區(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，經(jīng)過探針傳送給鋪設(shè)在監(jiān)測 區(qū)域內(nèi)的諧振腔，諧振腔在車輛經(jīng)過時發(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信號輸出系統(tǒng)的環(huán)形器傳輸給功率監(jiān)測器，經(jīng)放 大器放大，放大后的信號傳送至CPU，通過對比車輛經(jīng)過微波稱重傳感器的輸入諧振頻率信 號和輸出諧振頻率信號的變化，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，檢測到行進車輛對微波稱重傳感器產(chǎn)生的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對應(yīng)的車 輛重量。
[0016] 所示的微波稱重傳感器為三個，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)用于動態(tài)稱重領(lǐng)域這一設(shè)計思想，提出了一種對車輛過衡 速度無須限制的動態(tài)稱重系統(tǒng)設(shè)計方案；克服了以往過衡設(shè)備只能對靜態(tài)或低速通過車輛 進行負(fù)荷檢測的局限性；利用微波信號作為測量參數(shù)，并采用低次主模激勵諧振腔，在獲得 高測量精度的同時，最大程度地簡化了傳感器的結(jié)構(gòu)和尺寸，以適應(yīng)實際安裝環(huán)境，同時有 效降低了傳感器成本，利于應(yīng)用推廣；所設(shè)計諧振腔選用強度與靈敏度兼具的金屬材料，堅 固耐用，保證了傳感器在惡劣環(huán)境中的較長使用壽命；同時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)計可有效屏蔽測量環(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，這一特點對于環(huán)境嘈雜、車輛引擎噪聲頻譜較寬的交通檢測領(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)的車輛動態(tài)稱重方法，該微波傳感技術(shù)的車輛 動態(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、軸型判斷等工作；車輛分離器用 來進行車輛的分離及提供開始、結(jié)束等信號；輪胎識別器主要用來檢測通過車輛每軸的輪 胎數(shù)；地感線圈主要用來完成測速、倒車等檢測，并與紅外分離器一起對非車輛以外的物體 或人通過時的判斷，減少出錯；控制柜處理動態(tài)稱重傳感器和線圈送來的信息，經(jīng)過分析和 處理得到車輛的負(fù)荷信息。本發(fā)明方法可用于檢測靜態(tài)及動態(tài)壓力，精確度高，抗電磁干擾 能力強，成本低，適合于強度較高的道路交通使用環(huán)境，維護成本低，適用于多種道路監(jiān)測 保護以及其它基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)測、維護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[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。
[0023] 圖5是傳感器鋪設(shè)相對位置示意圖。
[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試的誤差曲線。
[0032] 圖中各個標(biāo)號的含義為：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-輪胎識別器；（1-1)-諧振腔，（1-2)-探針，（1-3)-快速掃頻系統(tǒng)， (1-4)-信號輸出系統(tǒng)。
[0033] 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體內(nèi)容作進一步詳細(xì)解釋說明。

【具體實施方式】
[0034] 以下給出本發(fā)明的具體實施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實施 例，凡在本申請技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護范圍。
[0035] 需要說明的是，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的方向為y軸的方向。
[0036] 需要說明的是，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 掃頻微波信號的系統(tǒng)，具體如圖3所示，所述的信號輸出系統(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 勵諧振腔中電磁場的探針。探針沿y軸方向放置，傳感器實際安裝于路面時，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 度d滿足至少一個待測車道的寬度，優(yōu)選1. 5m?2m。當(dāng)待測車輛駛過時，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)過該傳感器時，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)采用微波信號進行測量，意味著其測量 精度可高達微波信號頻率分辨率的精度標(biāo)準(zhǔn)。與其它各類測量參數(shù)信號相比，頻率信號可 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于其它基于檢測電阻變化的 傳感器（例如彎板式或秤臺式測壓傳感器）在測量精度上具有較大的優(yōu)勢。
[0039] 測量準(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，腔體諧振時的測量越準(zhǔn)確。本申請所設(shè)計的微波動態(tài)稱 重傳感器工作于其諧振頻率，為達到較高的測量準(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，從而測量的結(jié)果會越精確。
[0040] 實施例1 :
[0041] 遵從上述技術(shù)方案，如圖1至圖4所示，本實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諧振腔1-1中電磁場的探針1-2,作為磁偶極子激勵的探針1-2沿 諧振腔1-1的徑向放置，探針1-2伸入諧振腔1-1的腔體但不穿過諧振腔1-1從而激勵諧 振腔1-1內(nèi)的電磁場；探針1-2用于輸入一個掃頻微波信號，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受力大小的對應(yīng)關(guān)系實現(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有彈性材料，有很高的強度、彈性、硬度、疲勞強度，彈性 滯后小、耐蝕、耐磨、耐寒、高導(dǎo)電、無磁性、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)，相同情況下的形變越小，精度則越高。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，都會以模式的形 式存在。本申請中所提到的由掃頻系統(tǒng)生成的周期掃頻微波信號輸入到諧振腔形成激勵。 本實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，其中周期掃頻微波信號的產(chǎn)生是經(jīng)過掃頻系統(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，經(jīng)過掃頻系統(tǒng)的電路形成圖4中的 掃頻微波信號，但是頻率不會改變。所以說初始信號是方波，輸入微波傳感器的是周期掃頻 微波信號。
[0047] 實施例2 :
[0048] 本實施例的動態(tài)稱重過程中還增加一些其他傳感器，將其組成一個車輛動態(tài)稱重 系統(tǒng)來對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的車輛進行動態(tài)稱重。
[0049] -種基于上所述的微波稱重傳感器的車輛的動態(tài)稱重方法，快速掃頻系統(tǒng)1-3為 探針1-2提供一個掃頻微波信號，快速掃頻系統(tǒng)1-3與CPU 4的輸出端相連，信號輸出系統(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)測區(qū)域和駛出 監(jiān)測區(qū)域；所述的CPU 4上還連接有車輛分離器5和輪胎識別器6,車輛分離器5用于分離 車輛，輪胎識別器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。為了實現(xiàn)傳感器對行 駛過程中的動態(tài)車輛進行負(fù)荷檢測，傳感器以內(nèi)嵌形式埋于路面內(nèi)水平放置，，在整個動態(tài) 稱重系統(tǒng)的區(qū)域，首先在路面上鋪設(shè)前置地感線圈用來檢測車輛是否進入檢測區(qū)域，緊接 車輛通過鋪設(shè)的車輛分離器，將車輛分離開；分離開的車輛通過鋪設(shè)的輪胎識別器，輪胎識 別器采集車輛的輪胎信息，確定車輛類型；緊接著車輛通過步水平鋪設(shè)的三個微波稱重傳 感器，微波稱重傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過集線器將模擬線號傳送至AD模塊，轉(zhuǎn)化后的數(shù)字 信息送至控制柜中的CPU ;最后車輛通過后置地感線圈，從而完成地感線圈對車輛行駛軌 跡的檢測。以上采集到的信息通過串行總線傳送至控制柜中的CPU，CPU再進行相應(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)測區(qū)域的路面時，微波稱重傳感器水平放置，諧振腔X 軸方向與車輛行進方向相同，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，沿著車輛行進方向水平放置三根微波稱重傳感器，因為根據(jù)公路相關(guān)規(guī)定，允許行使 的半掛的車身的最大長度為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、低速通過以及靜止時對其速度進行自動識別。
[0052] 步驟二，CPU控制快速掃頻系統(tǒng)產(chǎn)生掃頻微波信號，經(jīng)過探針傳送給鋪設(shè)在監(jiān)測 區(qū)域內(nèi)的諧振腔，諧振腔在車輛經(jīng)過時發(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信號輸出系統(tǒng)的環(huán)形器傳輸給功率監(jiān)測器，經(jīng)放 大器放大，放大后的信號傳送至CPU，通過對比車輛經(jīng)過微波稱重傳感器的輸入諧振頻率信 號和輸出諧振頻率信號的變化，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，檢測到行進車輛對微波稱重傳感器產(chǎn)生的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對應(yīng)的車 輛重量。
[0053] 仿真實施例：
[0054] 本申請的技術(shù)方案前期研究工作中，利用本申請研發(fā)的基于微波諧振腔原理方法 的仿真算法對所設(shè)計動態(tài)稱重傳感器進行了仿真實驗。具體的仿真實驗過程步驟：
[0055] 仿真實驗采用美國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：諧振頻率或諧振波長和品質(zhì)因數(shù)。 因此我們采用HFSS電磁仿真軟件來做相關(guān)的電磁仿真。
[0056] 具體的仿真過程如下：
[0057] (1)HFSS設(shè)計環(huán)境概述。
[0058] 對圓柱諧振腔進行建模，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，無需外界激勵，從而得到諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)Q。和場分布圖。
[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，這里的仿真實驗中采用半徑 的微小變化來模擬諧振腔的體積變化。通過大量的結(jié)果分析可知隨著體積的減小諧振頻率 會增大的結(jié)論，體積變化與諧振頻率變化量之間存在對應(yīng)關(guān)系。
[0061] 本實施例中使用所設(shè)計的動態(tài)稱重傳感器為1?2cm直徑和1. 5?2m長的圓柱 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。 實驗結(jié)果如圖8顯示，實線為實際測量的結(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，需要測量S11參數(shù)值（S11為諧振腔的信號反射參 數(shù)）。圖9中所顯示的是動態(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得的諧振頻率圖?？梢钥闯鲈谥C振腔在 同一壓力形變的微擾尺寸情況下，隨著諧振腔長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，從而達到測量精確的目的。
[0065] 以上的研究工作充分表明本項目中所提出的這種基于微波諧振腔擾動原理的壓 力傳感器設(shè)計思路合理可行，仿真結(jié)果與實測結(jié)果有較好的吻合，驗證了將這種微波壓力 傳感器應(yīng)用于動態(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。大量實驗驗證得到：當(dāng)腔體體積微變時，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應(yīng)得到體積變化的量，由實驗得到的數(shù)學(xué)模型式I可以得到對 應(yīng)的壓力，從而可以得出車重。大量實驗得到的數(shù)學(xué)模型如式I所示，其中F代表測量車輛 的車重，K是Λ f = 0 (即諧振頻率變化量為零）時對應(yīng)的車重，α是實驗測量得到的F和 Af擬合出來直線的斜率，因為各種類型車輛的對應(yīng)關(guān)系不一樣，其中Κ和α多種不同的組 合。圖12是在實驗室測量下得到微波稱重傳感器所用金屬管的一致性檢測結(jié)果，可以看出 不同位置的測試都符合線性；圖13是管子不同位置的一致性測試的誤差范圍，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行測量，分別是微型轎車、中級轎車和微型客車。測量結(jié)果 如下表1，從表1可以看出測量結(jié)果對應(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%?？芍捎梦?波稱重傳感器的動態(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，一部分是一個封閉的的圓柱形腔 諧振腔（1-1)，另一部分是用于激勵諧振腔（1-1)中電磁場的探針（1-2)，作為磁偶極子激 勵的探針（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 過諧振腔（1-1)從而激勵諧振腔（1-1)內(nèi)的電磁場；探針（1-2)用于輸入一個掃頻微波信 號，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)受力大小的對應(yīng)關(guān)系實現(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)長度滿足至少一個待測車道的寬度。
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)提供一個掃頻微波信號，快速掃頻系統(tǒng)（1 - 3)與 CPU(4)的輸出端相連，信號輸出系統(tǒng)（1 -4)中的環(huán)形器采集諧振腔（1 -1)中的頻率，信號 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)測區(qū)域和駛出監(jiān)測區(qū)域；所述的CPU(4)上還連接 有車輛分離器（5)和輪胎識別器（6)，車輛分離器（5)用于分離車輛，輪胎識別器（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行： 步驟一，在整個動態(tài)稱重的監(jiān)測區(qū)域，首先在路面上鋪設(shè)前置地感線圈（2)用來檢測 車輛是否進入檢測區(qū)域，緊接車輛通過鋪設(shè)的車輛分離器（5)，將車輛分離開；分離開的車 輛通過鋪設(shè)在路面上的輪胎識別器￠)，輪胎識別器（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，沿著車輛行進方向鋪設(shè)微波稱 重傳感器（1)，微波稱重傳感器（1)動態(tài)檢測車輛重量；微波稱重傳感器（1)安裝于監(jiān)測區(qū) 域的路面時，諧振腔（1 -1)χ軸方向與車輛行進方向相同，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 檢測車輛是否駛出檢測區(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，經(jīng)過探針（1 -2)傳送給 鋪設(shè)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的諧振腔（1 - 2)，諧振腔（1 - 2)在車輛經(jīng)過時發(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信號輸出系統(tǒng)（1 -4) 的環(huán)形器傳輸給功率監(jiān)測器，經(jīng)放大器放大，放大后的信號傳送至CPU(4)，通過對比車輛經(jīng) 過微波稱重傳感器（1)的輸入諧振頻率信號和輸出諧振頻率信號的變化，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，檢測到行進車輛對微波稱重傳感器（1)產(chǎn)生 的頻率變化，根據(jù)函數(shù)關(guān)系即可得到對應(yīng)的車輛重量。
8. 如權(quán)利要求7所述的動態(tài)稱重方法，其特征在于：所述的微波稱重傳感器（1)為三 個，之間的間隔為16. 5m。
【文檔編號】G01G19/03GK104266734SQ201410461201
【公開日】2015年1月7日 申請日期: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 申請人:長安大學(xué)