TỔ NG QUAN V Ề CÂN ĐỘ NG
GI Ớ I THI Ệ U CHUNG V Ề H Ệ TH ỐNG CÂN ĐỘ NG
Hệ thống cân động (WIM), viết tắt của Weigh-In-Motion, là một công nghệ cân điện tử sử dụng cảm biến thạch anh để chuyển đổi tải trọng thành tín hiệu điện Với khả năng đo đạc trọng tải một cách chính xác khi xe di chuyển liên tục, WIM giúp tăng mật độ lưu thông giao thông Hệ thống này ghi lại trọng lượng của phương tiện và hiển thị thông tin trên máy tính hoặc màn hình mà không cần dừng xe tại trạm cân, từ đó giảm thời gian cân trọng lượng và nâng cao hiệu quả so với hệ thống cân tĩnh.
Với sự phát triển của nền kinh tế, việc vận chuyển hàng hóa ngày càng gia tăng, dẫn đến tình trạng xe chở quá tải trở thành vấn nạn trên nhiều tuyến Quốc lộ, ảnh hưởng đến chất lượng mặt đường và tuổi thọ công trình Để khắc phục tình trạng này, cần thiết phải có một hệ thống cân đo trọng tải xe chính xác và nhanh chóng, đồng thời đảm bảo lưu thông trên các tuyến đường Trước nhu cầu cấp bách, hệ thống cân động đã được ra đời, cho thấy hiệu quả vượt trội so với các trạm cân tĩnh truyền thống.
1.1.3 Thực tiễn nước ta với tính cấp thiết của hệ thống cân động
Việt Nam đang theo đuổi con đường xây dựng Chủ nghĩa xã hội kết hợp với cơ chế thị trường có sự điều tiết của nhà nước Mục tiêu này nhằm thúc đẩy công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, hướng tới việc trở thành một nước công nghiệp vào năm 2020.
Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước yêu cầu phát triển các khu công nghiệp và nhà máy, dẫn đến sự gia tăng lưu lượng xe tải và tình trạng xuống cấp của nhiều tuyến đường Sự xuất hiện của các xe quá khổ, quá tải đã gây ra ùn tắc giao thông, đặc biệt trên các tuyến đường huyết mạch với mật độ phương tiện dày đặc Để giải quyết vấn đề này, các trạm cân quá tải được thiết lập nhằm xử lý vi phạm, chủ yếu sử dụng cảm biến loadcell hoặc cân chết Tuy nhiên, việc yêu cầu xe phải đứng yên trên cân để có kết quả chính xác đã không đáp ứng được thực tiễn giao thông đông đúc, dễ dẫn đến tắc nghẽn Do đó, cần thiết phải phát triển một hệ thống quản lý lưu thông hiệu quả hơn, giúp xử lý kịp thời mà không gây cản trở giao thông.
Hình 1.2 Cân điện tửthông thường dùng cảm biến Loadcell
Bộ Giao thông Vận tải đã lắp đặt hệ thống cân tải trọng các trục xe để kiểm soát tải trọng khi xe di chuyển qua cảm biến Hệ thống này giúp hạn chế xe quá tải, từ đó bảo vệ tuổi thọ các công trình giao thông và giảm thiểu tai nạn, bảo vệ tính mạng con người và tài sản Bài viết sẽ giới thiệu về nguồn gốc và ứng dụng thực tiễn của hệ thống cân cảm biến thạch anh này.
1.1.4 Lịch sử phát triển cân động
Hệ thống WIM (Weighing-In-Motion) đã ra đời tại Mỹ vào giữa những năm 1950 và đã trải qua nhiều bước phát triển cùng với các mô hình ứng dụng khác nhau trên toàn cầu Ban đầu, các trạm kiểm tra tải trọng xe chỉ sử dụng cân tĩnh (Static Weighing Station) để phát hiện và xử lý các xe quá tải Tuy nhiên, với sự gia tăng lưu lượng xe tải và năng lực thông xe hạn chế của các trạm kiểm tra tải trọng, tình trạng ùn tắc đã xảy ra, gây khó khăn trong việc kiểm soát chính xác tải trọng của xe quá tải.
Hệ thống cân động (WIM) đang được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu, từ các quốc gia phát triển đến các nước đang phát triển Đến năm 2006, Bắc Mỹ dẫn đầu thế giới với 3.864 làn xe sử dụng công nghệ WIM, tiếp theo là châu Á với 1.700 làn, châu Mỹ La Tinh với 1.208, châu Âu với 1.188, Úc có 120 và châu Phi.
Elcom Corp đã triển khai hệ thống WIM tại nhiều tuyến đường cao tốc tại Việt Nam, bao gồm Nội Bài – Lào Cai, trạm thu phí BOT trên quốc lộ 1 ở Quảng Bình, quốc lộ 14 ở Đắc Nông, Mĩ Lộc và Long Thành.
+ Dùng cho các đường cao tốc với mật độ giao thông cao
+ Ứng dụng cho các khu công nghiệp khi mật độ xe tải vào ra nhiều mà cân điện tửthông thường không đáp ứng được
Hệ thống được lắp đặt trên các tuyến đường nhằm xác định trọng lượng xe, từ đó phát hiện và xử lý các trường hợp xe quá tải Việc này giúp giảm thiểu hư hỏng mặt đường do xe tải nặng gây ra.
+ Hệ thống cân động cho phép xác định kết quả cân ngay cảtrong điều kiện phương tiện đang di chuyển.
C Ấ U TRÚC T Ổ NG QUAN
Cấu trúc chung của cân động được chia làm 2 phần: phần cứng và phần mềm a Ph ần cứng
Phần cứng của hệ thống bao gồm bốn thành phần chính: cảm biến trọng lượng trục xe, bộ khuếch đại (amps), bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và vi điều khiển.
Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống
Bộ khuyếch đại tín hiệu
Bộ biến đổi tương tự - số (A-D converter)
Quy trình hoạt động của phần cứng trong bộ cảm biến trọng lượng bao gồm các cảm biến dài 12 feet (khoảng 3.66m) chuyển đổi trọng lượng xe thành tín hiệu điện Tín hiệu này được gửi đến bộ khuếch đại, sử dụng hai con khuếch đại thuật toán cùng các tụ điện và điện trở để khuếch đại tín hiệu Sau đó, tín hiệu được chuyển đổi từ dạng tương tự sang dạng số (ADC) và tiếp tục được xử lý bởi đơn vị tính toán, cuối cùng cho ra kết quả khối lượng của vật thể di chuyển qua.
Sử dụng tính toán vòng lặp HIL (hardware-in-loop) giúp chuyển đổi tín hiệu đầu vào từ cảm biến thành tín hiệu điện áp, từ đó thực hiện các phép tính và đưa ra kết quả về trọng lượng của phương tiện.
1.2.2 Chức năng các khối thành phần a C ảm biến trọng lượng
Dựa trên hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh, biến đổi trọng lượng phương tiện cần đo thành tín hiệu điện đểđo đạc b B ộ khuyếch đại tín hiệu
Khuyếch đại tín hiệu điện thu được từ cảm biến trọng lượng để phù hợp với các chuẩn đo lường trong công nghiệp c B ộ biến đổi tương tự- số (A-D converter)
Có nhiệm vụ chuyển những tín hiệu tương tự (liên tục) thành những tín hiệu dạng số (rời rạc) đểđưa vào vi điều khiển d Vi điều khiển
Chức năng của thiết bị là tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và bộ biến đổi, sau đó thực hiện tính toán dữ liệu và hiển thị kết quả trên màn hình hoặc truyền tải lên máy tính.
ĐẶC ĐIỂ M C ỦA CÂN ĐỘ NG
Với cấu trúc và tính năng nổi trội của mình, hệ thống cân động tỏ ra ưu việt hơn so với hệcân tĩnh.
Bảng so sánh hệcân động và hệcân tĩnh
+ Cảm biến trọng lượng có thể được chôn xuống mặt đường + Kích thước bàn cân nhỏ gọn
+ Bàn cân có kích thước lớn, chiếm nhiều diện tích
+ Cần nhiều Loadcell gắn vào bàn cân
Tính năng Đo trọng tải xe ngay cả khi xe đang di chuyển
Bắt buộc phải dừng xe để cân Ưu điểm
+ Độ chính xác cao + Không chịu tác động của điều kiện môi trường như gió, tốc độ,…
+ Tính ổn định cao + Dễ dàng lắp đặt
Hệ thống cân xe tự động mang lại tính kinh tế cao nhờ khả năng cân nhiều xe mà không cần dừng lại, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí Với thiết kế nhỏ gọn, hệ thống này dễ dàng lắp đặt và sử dụng Đặc biệt, nó còn tự động cảnh báo khi phát hiện xe quá tải, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
+ Chi phí đầu tư thấp + Độ chính xác cao + Dễ dàng thay thế thiết bị khi xảy ra hỏng hóc
+ Chi phí đầu tư lớn + Mặt đường mà bị biến dạng sẽ gây ra sai số cho cảm biến
+ Chịu ảnh hưởng từmôi trường + Thiết bị cồng kềnh
+ Dễ gây ách tắc giao thông
Bảng 1.1: So sánh hệ thống cân động và hệ thống cân tĩnh
Hệ thống cân động đã khắc phục hầu hết nhược điểm của hệ cân tĩnh truyền thống sử dụng cảm biến Loadcell (cầu hoặc trụ) Với cấu trúc và tính năng vượt trội, hệ thống cân động thể hiện ưu thế rõ rệt so với hệ cân tĩnh Dưới đây, chúng ta sẽ phân tích chi tiết hơn về các ưu và nhược điểm của hệ thống cân động.
+ Tiết kiệm chi phí phát sinh sửa chữa: vì hệ thống khá ổn định và bền vững với điều kiện thời tiết biến đổi, đặc biệt là ở Việt Nam
+ Do đặc tính của thạch anh nên độ nhạy của tín hiệu điện không phụ thuộc vào thời gian, nhiệt độ và tốc độ
Trong môi trường lý tưởng như phòng thí nghiệm, hệ thống cảm biến thạch anh có thể đạt độ sai số dưới 2% Điều này rất phù hợp cho các yêu cầu về độ chính xác cao, đặc biệt trong việc xử lý các vi phạm liên quan đến quá tải.
Thạch anh mang lại tính ổn định cao trong hiệu quả đo lường với hệ thống WIM, giúp loại bỏ nhu cầu về tinh chỉnh, sửa chữa và bảo dưỡng Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí phát sinh.
+ Không phụ thuộc nhiệt độ: vì cảm biến thạch anh chỉ sai số 0.05%/10C Rất phù hợp với biến đổi khí hậu như nước ta
+ Không gây ảnh hưởng mặt đường: độ dày cảm biến 60mm nên không gây ảnh hưởng tới mặt đường
Hệ thống tự động cảnh báo quá tải giúp hiển thị thông tin ngay lập tức, cho phép các lực lượng chức năng sử dụng thiết bị từ xa để kiểm tra Khi có tín hiệu quá tải, hệ thống sẽ tự động gửi thông báo để kịp thời xử lý tình huống.
+ Chi phí ban đầu cao: suất đầu tư của một hệ thống cân động có giá thành đắt hơn rất nhiều so với trạm cân tĩnh thông thường
+ Khi mặt đường biến dạng sẽ gây ra sai số cho cảm biến: vì cảm biến khá mỏng, bám sát mặt đường.
LÝ THUYẾ T V Ề CÂN ĐỘ NG
C Ả M BI ẾN ĐO LỰ C VÀ KH ỐI LƯỢ NG
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý hoặc phi điện thành tín hiệu điện để đo đạc và xử lý.
Các đại lượng cần đo như khối lượng, nhiệt độ và áp suất thường không có tính chất điện, nhưng khi tác động lên cảm biến, chúng sẽ tạo ra đầu ra điện như điện áp, dòng điện hoặc trở kháng Đầu ra của cảm biến phụ thuộc vào đại lượng cần đo, được biểu diễn bằng công thức s = F(m).
Với s: đại lượng đầu ra của cảm biến m: đại lượng đầu vào của cảm biến
2.1.2 Cảm biến đo lực a Nguyên t ắc đo lực Đểđo khối lượng của phương tiện qua trạm cân động ta cần xác định trọng lực (P) của phương tiện đó tác dụng lên mặt đường Để làm được việc đó ta dùng cảm biến đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện của thạch anh
Theo định luật II Newton, trọng lực mà phương tiện tác dụng lên mặt đường được xác định theo công thức:
P = M.g với P: trọng lực phương tiện
M: khối lượng của phương tiện g: gia tốc trọng trường của Trái đất g ≈ 9,8 m/s 2
Bằng cách sử dụng cảm biến đo lực để xác định trọng lực của phương tiện, chúng ta có thể gián tiếp tính toán khối lượng của xe cần đo Hiệu ứng áp điện cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Hiện tượng áp điện xảy ra khi chất điện môi bị biến dạng dưới tác dụng của lực, dẫn đến sự phân cực điện Khi một lớp áp điện mỏng được phủ lên bề mặt hai bản cực của tụ điện và lực được tác dụng, điện tích trái dấu sẽ xuất hiện trên hai bản cực Hiệu điện thế giữa chúng tỉ lệ thuận với lực tác dụng Sự giải thích cho hiện tượng này có thể thấy rõ qua tinh thể thạch anh: khi không có lực tác dụng, các điện tích âm và dương cân bằng, nhưng khi lực được tác động theo phương dọc trục, cấu trúc tinh thể thạch anh bị biến dạng, làm thay đổi phân bố điện tích và gây ra sự phân cực điện.
Hình 2.1: Sựthay đổi điện áp trên cảm biến thạch anh c C ảm biến áp điện
Cảm biến áp điện có cấu trúc cơ bản bao gồm một thanh đồng được phủ bởi một lớp vật liệu áp điện, xung quanh được bao bọc bởi các lớp đồng mỏng.
Dưới tác động của lực, vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng và tạo ra các cực tính Tuy nhiên, việc sử dụng các phiến ghép đơn sẽ dẫn đến việc giảm độ nhạy của cảm biến.
Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lí của hiệu ứng áp điện
Cảm biến áp điện được cấu tạo tương tự như một tụ điện, với hai bản cực phủ lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng Thạch anh thường được sử dụng do độ cứng và tính ổn định cao, nhưng hiện nay, vật liệu gốm ngày càng được ưa chuộng nhờ vào độ bền, độ nhạy cao, dễ sản xuất và chi phí chế tạo thấp.
Khi có lực tác dụng, cảm biến hoạt động như một nguồn dòng điện Nhờ vào nguyên tắc áp thức liên điện, chúng ta có mối quan hệ giữa điện áp và điện tích được tạo ra khi lực tác động lên cảm biến.
Với U: điện áp của cảm biến áp điện
Q: điện tích tạo ra bởi thạch anh (cu-lông) C: điện dung giữa 2 mặt của tinh thểáp điện thạch anh Nhưng do giá trị U rất bé nên vì thế để phù hợp với chuẩn đo công nghiệp ta cần phải khuếch đại tín hiệu này
Như vậy nếu xác định được trọng lực thì dễ dàng suy ra khối lượng cần đo.
PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊ NH S Ố LI ỆU ĐO
Để xác định trọng tải của phương tiện, cần biết mức độ tác động của nó lên cảm biến, cụ thể là mức điện áp tạo ra trên cảm biến áp điện Quá trình bánh xe lăn qua dải cảm biến được ghi lại bởi bộ chuyển đổi DAC (digital – analog converter), cho phép khảo sát dạng sóng và mối liên hệ giữa điện áp tạo ra trong suốt quá trình theo thời gian.
Điện áp đầu ra trên cảm biến được mô tả bằng phương trình hàm số Gauss: f(x) = 𝑒𝑒 −(𝑥𝑥−𝑏𝑏) 2 /𝑐𝑐 2 Trong phương trình này, a đại diện cho đỉnh của hàm số Gauss, b thể hiện sự thay đổi theo trục x, và c điều chỉnh độ rộng của tín hiệu.
Ta có một số tham số của phép đo như sau:
+ Tỉ lệ lấy mẫu: R (mẫu/s)
+ Độ rộng cảm biến: w (feet)
+ Hệ số liên hệ giữa điện áp và khối lượng xe: f
+ Bài toán: Xác định đỉnh của tín hiệu => khối lượng xe
+ Cách làm: Tính diện tích phần tín hiệu
Tính thời gian tồn tại của tín hiệu
Chiều cao phần tín hiệu
Chia tín hiệu thành các hình chữ nhật mảnh bằng cách sử dụng các tia song song với trục Oy theo chiều dương Các tia này cắt hàm số Gauss tại hai đường: y = f(x) = 0 và y = f(x) = 𝑒^−(𝑥−𝑏)^2/𝑐^2.
Diện tích của mỗi hình chữ nhật mảnh được xác định bằng công thức tính diện tích, trong đó fi là chiều cao và ti là chiều rộng Khi n tiến tới vô cực, diện tích của phần tín hiệu trên cảm biến sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
Thời gian đểxe đi qua bề rộng của cảm biến kép là: tw= 𝑤𝑤
𝑣𝑣 (s) Coi phần tín hiệu có dạng hình chữ nhật với diện tích 𝐴𝐴 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 và chiều rộng là tw
chiều cao trung bình phần tín hiệu là: h = 𝐴𝐴 tw 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠
Do đó, mối quan hệ giữa khối lượng xe và diện tích phần tín hiệu đo được khi lấy 1 mẫu trong cả quá trình:
hệ sốa được tính theo: a = 𝑊𝑊.𝑡𝑡𝑤𝑤
Ví dụ 1: Ví dụ này sẽhướng dẫn cách số hóa tín hiệu thu được
Giả sửcác đặc tính của xe được cho như sau:
+ Khối lượng xe: W (pound) = 20,000 pounds
+ Tỉ lệ lấy mẫu: R = 4000 (mẫu/s)
+ Độ rộng cảm biến: w = 0.16404199575 (feet)
+ Hệ số liên hệ giữa điện áp và khối lượng xe: f = (1541.4768)×2
Sử dụng các công thức (5) và (9) ởtrên ta tính được: a = 3.66 c = 0.001864
Tỷ lệ lấy mẫu là 4000, do đó quá trình số hóa tín hiệu được thực hiện bằng công thức: cho i từ 0 đến 3999, xi = (i - 2000)/4000, với f(𝑥𝑥𝑠𝑠) = a𝑒𝑒^(-𝑥𝑥𝑠𝑠^2/𝑐𝑐^2) Đỉnh của phần tín hiệu được thể hiện trong hình minh họa.
Hình 2.3: Đỉnh của tín hiệu giả lập
* Tính toán lại các tín hiệu sốhóa để xác định trọng lượng
Từ các tín hiệu rời rạc tạo ra, phần diện tích tín hiệu và trọng lượng xe được tính theo các công thức sau:
𝐴𝐴 𝑓𝑓 𝐴𝐴 𝑓𝑓 𝑓𝑓 v = vận tốc xe (foot/s) w = độ rộng cảm biến (feet)
Ví dụ 2: Các số liệu được cho như trong Ví dụ 1
Ta cần kiểm tra lại xem trọng lượng xe được tính theo công thức ở trên có chính xác không
Ta tính được các thông sốnhư sau:
0.001836 × 4000 = 20,000 𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑑𝑑𝑝𝑝 Như vậy dạng sóng ta sử dụng để giả lập là đúng.
THIẾ T K Ế CÂN ĐỘ NG D ỰA TRÊN VI ĐIỀ U KHI Ể N
YÊU C Ầ U THI Ế T K Ế
Hệ thống cân động giúp khách hàng theo dõi lưu lượng và thu thập dữ liệu xe theo thời gian thực, bất kể tốc độ Thông tin thu thập được bao gồm trọng lượng xe, tốc độ, độ dài trục bánh xe và loại xe Hệ thống còn cho phép lưu trữ và truy xuất thông tin xe thông qua các thiết bị ngoại vi.
Giả thiết rằng, trong phạm vi đề tài này hệ thống cân động được thiết kế cho các tuyến đường cao tốc hoặc đường quốc lộ với 2 làn xe
Hình 3.1: Hệ thống cân động cho 2 làn đường
Để quản lý hiệu quả các tuyến đường có nhiều làn xe, việc lắp đặt nhiều dải cảm biến là cần thiết Bộ lưu trữ và hiển thị thông tin trung tâm cần được thiết kế với nhiều kênh nhằm truyền tải thông tin từ các cảm biến một cách đồng thời và hiệu quả.
• Sai số khối lượng cho phép: ± 5%
• Sai số khoảng cách trục xe: ± 10cm
• Sai sốđộ dài xe: ± 50cm
• Dải đo khối lượng rộng
• Dải đo tốc độ rộng
THI Ế T K Ế PH Ầ N C Ứ NG
3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống cân động bao gồm bốn thành phần chính: cảm biến trọng lượng, bộ khuếch đại tín hiệu, bộ chuyển đổi tương tự - số (A/D converter) và bộ vi điều khiển Sơ đồ khối của hệ thống này được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3.2: Sơ đồ khối của cân động
Bộ chuyển đổi chuẩn hóa
Bộ ADC Vi điều khiển
3.2.2 Thiết kế chi tiết a C ảm biến
Cảm biến trọng lượng có chức năng xuất tín hiệu điện tương ứng với trọng lượng của từng xe, được thiết kế mỏng và phẳng để lắp đặt trên mặt đường Độ dày của cảm biến thạch anh áp điện là 2.00 mm và bề rộng là 6.68 mm Số lượng cảm biến lắp đặt phụ thuộc vào số làn đường, theo tiêu chuẩn mỗi làn cần 4 cảm biến; do đó, đường một làn cần 4 cảm biến, trong khi đường hai làn cần 8 cảm biến Khi đề cập đến số lượng cảm biến, thường hiểu rằng đó là số cảm biến lắp đặt trên mỗi làn xe.
Để lắp đặt bộ cảm biến cân động một cách thuận tiện, có thể sử dụng hai dải cảm biến đơn song song trên cùng một dải nền cao su với khoảng cách xác định Phương pháp này giúp xác định chính xác tốc độ xe Một trong những ưu điểm của việc sử dụng dải cảm biến kép trên cùng một khổ cao su là tăng cường độ chính xác trong việc đo lường.
+ Đơn giản quá trình lắp đặt
+ Không phải đo khoảng cách trên dải cảm biến đơn
Tuy nhiên phương pháp này cũng có một số khuyết điểm như sau:
+ Tăng trọng lượng bàn cân vì phải tăng mặt nền cao su
+ Chi phí chế tạo tăng lên đáng kể so với dải cảm biến đơn
Hình 3.4: Cảm biến trọng lượng dải kép
Hình 3.5: Hình ảnh bàn cân trọng lượng dải kép trên thực tế
Thông số cảm biến kép được cung cấp bởi nhà sản xuất cho bởi bảng sau đây:
Số hiệu sản phẩm UTILITY 2-160 GRADE II 1/32X1/32-NA
Mã hiệu sản phẩm Transtex 908860
Cấu trúc sản phẩm 2 dải mảnh, có cao su mịn che phủ 2 mặt
Hợp chất cấu thành Cao su loại II
Gage tổng quát trên danh nghĩa 0.154 ± 0.015 (3.9 ± 0.4)
Trọng lượng danh định, theo (Kg/m 2 ) 0.98 ± 10%
Tỉ lệ làm việc 160 lbs/in, 28 N/mm @ 2%
Che phủ bề mặt trên Semi – mịn
Che phủ bề mặt dưới Semi – mịn Đường kính tối thiểu pully 102 mm
Các tiêu chuẩn đặc biệt RMA loại II
Hệ số ma sát bề mặt, thép 0.75
Hê sốma sát đáy, thép 0.75
Bề rộng sản phẩm 72 inches(1829mm)
Nhà sản xuất Forbo movement system
Để kiểm tra tín hiệu của bàn cân, đầu ra của cảm biến dải kép được kết nối với bộ khuếch đại Dạng sóng tín hiệu từ bộ khuếch đại sau đó được khảo sát qua osiloscope, và kết quả kiểm nghiệm thu được cho thấy các thông số kỹ thuật của cảm biến.
Hình 3.6: Dạng sóng thu được trên dải cảm biến đơn
Hình 3.7: Dạng sóng thu được từ dải cảm biến kép
Cảm biến trọng lượng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống cân động, ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của toàn bộ hệ thống Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, cảm biến đo cần phải đáp ứng các tiêu chí nhất định.
+ Công nghệ thạch anh áp điện hoặc gốm
+ Độ chính xác cao và ổn định lâu dài
+ Dải đo khối lượng và tốc độ rộng
+ Ít bịảnh hưởng bởi chênh lệch nhiệt độ
Nhiều nhà sản xuất cung cấp cảm biến đáp ứng tiêu chí cho hệ thống cân động, nhưng hai hãng phổ biến nhất hiện nay là KISTLER và Measurement Specialties, Inc Bài viết này sẽ tập trung vào hai loại cảm biến: TYPE 9195G của KISTLER và RoadTrax_BL của Measurement Specialties, Inc.
Thông số TYPE 9195G RoadTrax_BL Độ nhạy 1,62 (± 10%) pC/N 49 pC/N Điện trở cách điện >1000 MΩ > 500 MΩ
Sai số do nhiệt độ 0,02 % / °C 0.2%/ºF
Dải nhiệt độ hoạt động -40 – 80 °C -40 – 70 °C Ứng suất chịu được 6 N/mm 2 Điện dung cáp Cáp 40m: 8-12 nF
Sai số ± 2% ± 5% Độ dài cảm biến 1.5 –1.75 – 2.0 m 2.0 – 5.0 m
Dải đo khối lượng 0 – 50 tấn 0 –60 tấn
Dải đo tốc độ 1-250 km/h 1-160 km/h
Tuổi thọ 7-8 năm 40 triệu lượt đo
Bảng 3.2: So sánh thông số 2 cảm biến áp điện
Cảm biến TYPE 9195G nổi bật với nhiều tính năng ưu việt so với cảm biến RoadTrax_BL, thường được sử dụng trong các trạm cân tại cầu đường và bến cảng, nơi yêu cầu độ chính xác cao Trong khi đó, cảm biến RoadTrax_BL thường được áp dụng trên đường cao tốc Trong đề tài này, chúng tôi chọn cảm biến RoadTrax_BL cho hệ thống cân động, dựa trên tài liệu tham khảo từ hãng KISTLER.
“Lineas Quart Sensor” và tài liệu hãng Measurement specialties: “Roadtrax_BL Sensor”
Để lắp đặt cảm biến, trước tiên cần đảm bảo rằng đoạn đường đã được đóng cửa an toàn theo quy định của địa phương Sử dụng bút sơn, thước dây và dây để cẩn thận đánh dấu vị trí lắp đặt cảm biến, đảm bảo rằng cảm biến được đặt vuông góc với chiều di chuyển.
Hình 3.8: Cắt một khe để chôn dải cảm biến
1) Cắt một khe để chôn dải cảm biến, khe này rộng 3/4”(20 mm) và sâu tối thiểu 1’’(25mm) Cắt 1 khe dài hơn chiều dài của dải cảm biến 200mm để đi dây cáp nối ở2 đầu cảm biến
Hình 3.9: Cắt một khe đểđi dây cáp
2) Cắt 1 khe để đi dây cáp, khe này rộng tối thiểu 6mm hoặc có thể rộng hơn nếu đi dây cáp bằng ống dẫn
3) Sau khi cắt cần làm sạch tất cả các khe
4) Thổi khô tất cả các khe bằng khí nén Tất cảcác khe và 2 đầu phải khô hoàn toàn
5) Đặt băng keo dọc theo chiều dài của hai bên của khe cảm biến Băng keo được đặt cách 2 mép khe 3mm Lặp lại với tất cả các khe cảm biến
Hình 3.10: Vịtrí đặt cảm biến
6) Lấy cảm biến BL từ hộp ra Kiểm tra cảm biến để chắc chắn rằng nó thẳng mà không có bất cứ chỗ nào xoắn, kiểm tra dây cáp nối và độ dài của nó để chắc chắn rằng nó đủdài để nối tới hộp điều khiển
7) Kết nối cảm biến tới hộp điều khiển Kiểm tra điện dung của dây cáp
8) Đặt cảm biến lên băng keo bên cạnh khe Từ thời điểm này trở đi, lắp đặt cảm biến cần sử dụng găng tay
9) Làm sạch cảm biến với len thép hoặc đá nhám
10) Bẻ cong phần đuôi của cảm biến 1 góc 30 0
Hình 3.11: Bẻ cong phần đuôi của cảm biến 1 góc 30 0
11) Đặt cảm biến vào các khe trên mặt đường Phần cuối của cảm biến nên cách mép cuối của khe ít nhất 50mm và mũi không nên chạm vào đáy của khe
Hình 3.12: Đặt cảm biến vào các khe trên mặt đường
12) Dùng vữa mịn trộn với chất tạo độ cứng để miết lên khe cảm biến Phải đảm bảo rằng khe đã được lấp đầy vữa xây dựng
Hình 3.13: Dùng vữa mịn để miết lên khe cảm biến
13) Dùng dao trát để miết vữa mịn dọc theo chiều dài khe cảm biến Có thể trát cao hơn mặt đường 1 chút vì vữa có thể co lại trong quá trình sử dụng
* Sai số và cách khắc phục
Kết quả thực nghiệm cho thấy tín hiệu từ các cảm biến có gợn sóng, gây sai lệch trong đo đạc Cảm biến áp điện sinh ra điện tích khi có lực tác động, và rung động là nguồn nhiễu cần xem xét Hiệu ứng gợn sóng xuất hiện do rung động tác động lên cảm biến trong quá trình đo Quan sát cho thấy sóng xung kích xuất hiện khi xe di chuyển qua dải cảm biến, với nhiều gợn sóng trước khi bánh xe tác động trực tiếp Để giảm sai số, cần triệt tiêu hoặc giảm tác động của sóng xung kích bằng cách đặt các dải cảm biến xa nhau Ngoài ra, nhiệt độ mặt đường truyền vào cảm biến cũng gây sai số Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã chứng minh sai số này bằng cách nung nóng cảm biến đến 90°C, tạo ra 200mV mà không có tác động từ phương tiện Tuy nhiên, sai số này có thể khắc phục bằng cách thiết kế bộ khuếch đại để bù lại sai số do nhiệt độ.
Hình 3.14: Giảm thiểu sai số bằng cách đặt hai dải cảm biến cách xa nhau
Trong mọi phép đo, sai số là điều không thể tránh khỏi Đối với những lĩnh vực không yêu cầu độ chính xác cao, việc lắp đặt hai cảm biến trên mỗi làn đường có thể giúp giảm chi phí đầu tư Tuy nhiên, kết quả thu được sẽ có sai số khá lớn, khoảng ± 7% theo thực nghiệm.
Hình 3.15: Sơ đồ lắp đặt 2 cảm biến mỗi làn
THI Ế T K Ế PH Ầ N M Ề M
Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán cân động
+ Giải thích lưu đồ thuật toán:
Khi vi điều khiển nhận điện, nó sẽ đọc giá trị từ cảm biến để tính toán Chương trình chuyển đổi sẽ chuyển đổi tín hiệu điện thành giá trị khối lượng của xe Sau đó, chương trình truyền thông sẽ hiển thị khối lượng và vận tốc xe trên màn hình LCD của mạch, đồng thời gửi thông tin lên máy tính.
- Khởi tạo các thông số
- Đọc giá trị từ cảm biến
- Truyền thông với máy tính
- Chuyển đổi tín hiệu thành khối lượng
KẾ T QU Ả ĐẠT ĐƯỢ C
PH Ầ N C Ứ NG
4.1.1 Cảm biến Để giả lập tín hiệu trên cảm biến thạch anh, ta sử dụng 2 biến trở 5K Ω, bằng cách thay đổi giá trị biến trở ta có thể coi như là sự thay đổi điện áp trên cảm biến thạch anh khi có phương tiện tác động vào cảm biến Sựthay đổi về mức điện áp sẽ được xửlí và tính toán để cho ra kết quả là khối lượng và vận tốc của phương tiện đó
Sử dụng bộ ADC on chip của vi điều khiển ATmega 328, đây là bộ ADC có độ phân giải 10 bit
Sử dụng một màn hình LCD 16x2 để cung cấp thông tin về phương tiện như khối lượng và vận tốc.
PH Ầ N M Ề M
Trong phần này sẽđề cập đến hai phần chính đó là: chương trình chính và giao diện phần mềm hiển thị trên máy tính giám sát
4.2.2 Giao diện phần mềm giám sát
Giao diện này được thiết kế để hỗ trợ người quản lý theo dõi thông tin về các phương tiện qua trạm cân từ xa, từ đó nâng cao hiệu quả giám sát các phương tiện.
+ Mục thiết lập kết nối:
Tốc độ truyền tải dữ liệu, hay còn gọi là baue rate, được đo bằng đơn vị bit/giây Để đảm bảo không xảy ra mất mát dữ liệu trong quá trình truyền, tốc độ 9600 bit/s là mức được khuyến nghị sử dụng.
Bit kiểm tra chẵn lẻ (Parity) là một công cụ quan trọng để đảm bảo tính đồng nhất giữa dữ liệu truyền đi và dữ liệu nhận được Tuy nhiên, trong trường hợp này, chúng ta không sử dụng bit Parity, do đó lựa chọn phù hợp là NONE.
- Stop bit: là bit báo quá trình truyền tin kết thúc, trong phần mềm này ta đặt stop bit mặc định là 0
Để đảm bảo việc truyền dữ liệu lên phần mềm giám sát, cần lựa chọn đúng cổng COM trên máy tính đã kết nối với bộ điều khiển qua cáp kết nối Việc chọn sai cổng COM sẽ dẫn đến việc không có thông tin nào được truyền tải.
+ Mục thời gian: báo ngày, tháng, năm đểngười quản lí biết chính xác phương tiện qua trạm cân vào lúc nào bất kểngày hay đêm.
+ Mục vận tốc: hiển thị vận tốc của phương tiện theo km/h
+ Mục khối lượng: hiển thị trọng tải của phương tiện qua trạm cân theo đơn vị kg
+ Mục làn xe: cho biết phương tiện di chuyển theo hướng nào ở làn xe số bao nhiêu trên trạm lắp đặt
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Cân động đang dần được ứng dụng tại Việt Nam, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Nghiên cứu về cân động ứng dụng vi điều khiển giúp làm chủ công nghệ thiết kế, từ đó giảm giá thành khi áp dụng trong điều kiện Việt Nam Qua quá trình nghiên cứu, học viên đã đạt được những kết quả và nội dung quan trọng liên quan đến đề tài này.
• Nắm được các phương pháp đo khối lượng cho vật chuyển động (ôtô)
• Thu nhận được kiến thức về trạm cân động ứng dụng cho cân ôtô
• Thiết kếđược trạm cân động dùng vi điều khiển ATMEGA328
• Mô phỏng các thiết kế
• Làm mạch chạy thử nghiệm các tính năng của cân động bằng giả lập các tín hiệu
• Lập trình được cho vi điều khiển, lập trình cho phần mềm giao diện thu thập số liệu trên máy tính
Các mạch thử nghiệm mô phỏng đã hoạt động đúng yêu cầu ban đầu Hướng nghiên cứu tiếp theo là hoàn thiện nghiên cứu và nội địa hóa các thành phần trong trạm cân động, nhằm tiến tới làm chủ công nghệ mới này tại Việt Nam.
1 Taek M.Kwon: “Development of a Weigh-Pad-Based portable Weigh – In – Motion System”
2 Rob Bushman Andrew J Pratt: “Weigh In Motion Technology - Economics and Performance”
3 Jodi L Carson: “WEIGH-IN-MOTION System Calibration”
4 Arturo Gonzalez: “Development of a bridge Weigh-in-motion”
5 Rob Bushman Andrew J Pratt: “ In Motion Weighing with vehicle Data Collecction System”
6 Chris Koniditsiotis: “ Weigh-In-Motion technology”
7 L.Zheng: “ Improving precision of Weigh-In_Motion system under middle traversing speed”
8 L.Zheng & H.Zhang: “ Vehicle Weigh-In-Motion technology”
9 Sungkon Kim, Junghee Lee, Min-Seok Park, Byung-Wan Jo: “Vehicle Signal Analysis Using Artificial Neural Networks for a Bridge Weigh-In-Motion System”
10 Tài liệu TDC Company:“High Speed Weigh In Motion”
11 Tài liệu hãng KISTLER: “Lineas Quart Sensor”
12 Tài liệu hãng KISTLER: “WIM data logger 5204 AC”
13 Tài liệu hãng Measurement specialties: “Roadtrax_BL Sensor”
14 Tài liệu hãng Essae: “Truck Weigh in motion System”
15 Tài liệu hãng METTLER TOLEDO: “Weigh-In-Motion Systems”
Chương trình chính được viết bằng ngôn ngữ C trên trình biên dịch Arduino
The code initializes a 16x2 LCD display using the LiquidCrystal library, setting up the necessary pins for communication It defines variables for sensor distance, input readings from two sensors, and additional calculations The setup function prepares the environment for the program's execution.
Serial.begin(1200); pinMode(input1,INPUT); pinMode(input2,INPUT); lcd.begin(16, 2);
} void loop() { c=analogRead(input1); if(c!=0)
{time1 = millis(); m1=c/5*1000/0.001; while(d=analogRead(input2)!=0) t=(millis()-time1)/1000; m2=d/5*1000/0.001; //khoi luong do duoc
