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基于压电薄膜的车辆动态称重算法的研究与实现

汇报人：

2024-01-24

目录

CONTENTS

引言

压电薄膜传感器原理及特性

车辆动态称重算法研究

系统设计与实现

实验测试与结果分析

总结与展望

引言

国内外研究现状

发展趋势

随着新材料、新工艺的不断涌现，压电薄膜传感器的性能将不断提升；同时，结合先进的信号处理技术和人工智能算法，车辆动态称重系统的测量精度和稳定性将得到进一步提高。

目前，国内外学者在压电薄膜传感器设计、信号处理、动态称重算法等方面取得了一定成果，但仍存在测量精度不高、抗干扰能力弱等问题。

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研究目的

研究内容

研究意义

本研究旨在设计一种基于压电薄膜的车辆动态称重系统，包括压电薄膜传感器设计、信号采集与处理电路设计、动态称重算法研究等。

通过理论分析和实验研究，探究压电薄膜传感器在车辆动态称重中的响应特性和影响因素，提出一种高精度、高稳定性的动态称重算法，为实际应用提供理论支持和技术指导。

本研究不仅有助于推动压电薄膜传感器在智能交通领域的应用发展，还可为车辆载重监测、道路安全等领域提供新的技术解决方案。同时，对于提高交通运输效率、保障道路交通安全具有重要意义。

压电薄膜传感器原理及特性

压电效应

指某些晶体在受到机械应力作用时，会在其表面产生电荷的现象。这种效应是可逆的，即当施加电场时，这些晶体也会产生机械变形。

压电材料

具有压电效应的材料称为压电材料。常见的压电材料有石英、陶瓷、聚合物等。其中，聚合物压电材料具有柔韧性好、质量轻、易于加工成型等优点，在车辆动态称重等领域具有广泛应用前景。

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压电薄膜传感器主要由柔性基底、压电薄膜、电极和引线等部分组成。其中，柔性基底用于支撑和保护压电薄膜，电极用于收集压电薄膜产生的电荷，引线用于将电荷引出并传输到后续处理电路。

工作原理

当车辆通过压电薄膜传感器时，车轮对传感器的压力使得压电薄膜产生机械变形，进而在压电薄膜表面产生电荷。这些电荷经过电极收集和引线传输，最终被后续处理电路转换为与车轮重量成比例的电压信号。

结构

灵敏度

线性度

稳定性

耐久性

线性度是指传感器输出电压与输入压力之间的线性关系程度。良好的线性度有助于简化后续的信号处理和分析过程。

压电薄膜传感器的灵敏度是指其输出电压与输入压力之间的比值。高灵敏度意味着传感器能够更准确地反映车轮重量的微小变化。

耐久性是指传感器在恶劣环境下（如高温、低温、潮湿等）长时间工作的能力。对于车辆动态称重系统而言，传感器需要能够承受各种恶劣环境的考验，以确保系统的长期稳定运行。

稳定性是指传感器在长时间使用过程中保持其性能参数不变的能力。对于车辆动态称重系统而言，稳定性至关重要，因为它直接关系到系统的测量精度和可靠性。

车辆动态称重算法研究

车辆动态称重（Weigh-In-Motion，WIM）技术是指在不干扰车辆正常行驶的情况下，通过测量车辆通过特定路段时产生的动态响应来推算车辆重量、轴数、轴距等参数的一种技术。

车辆动态称重算法是实现动态称重技术的关键，其准确性和稳定性直接影响到车辆重量监测的精度和可靠性。

传统的车辆称重方法需要在收费站等固定地点进行静态称重，而动态称重技术可以实现实时、连续的车辆重量监测，具有更高的效率和便利性。

压电薄膜传感器是一种能够将机械能转换为电信号的传感器，具有高灵敏度、宽频响、低功耗等优点，适合用于车辆动态称重系统。

基于压电薄膜传感器的车辆动态称重算法主要包括信号预处理、特征提取和重量估算三个步骤。

信号预处理：对压电薄膜传感器采集的信号进行去噪、滤波等处理，以提高信号质量。

特征提取：从预处理后的信号中提取出与车辆重量相关的特征参数，如振幅、频率等。

重量估算：通过建立车辆重量与特征参数之间的数学模型，实现对车辆重量的实时估算。

系统设计与实现

传感器布局设计

合理布置压电薄膜传感器，以充分捕捉车辆动态称重过程中的关键信息。

信号处理模块

设计专门的信号处理电路，对压电薄膜传感器输出的微弱信号进行放大、滤波和数字化处理。

数据采集与传输

采用高性能数据采集卡，实时采集经过处理的压电信号，并通过高速通信接口传输至上位机软件。

01

选用具有高灵敏度、宽频响、低噪音等优点的压电薄膜传感器。

压电薄膜传感器选型

02

设计包括放大电路、滤波电路和模数转换电路在内的信号调理电路，以确保压电信号的准确性和稳定性。

信号调理电路设计

03

为系统提供稳定、可靠的电源，并设计合理的接地方案，以降低系统噪声和干扰。

电源与接地设计

编写数据采集程序，实现压电信号的实时采集、数字化处理和存储。

数据采集与处理

车辆动态称重算法实现

人机交互界面设计

基于压电信号的特征提取和分析，实现车辆动态称重算法，包括车辆识别、轴重计算等。

设计友好的人机交互界面，方便用户实时查看车辆动