论文部分内容阅读
摘 要：汽车测重仪的示数是通过实时测量得到的，其值的大小主要受汽车的质量、行驶速度、加速度、仪器表面的摩擦等系数影响，和真实质量有关但不等于真实质量；文章首先分析了传统测重仪的测重原理，结合影响因素进行了推导，并给出了考虑速度等因素下的重力测量方法。
关键词：质量；初始速度；加速度；摩擦系数
汽车在通过路面时，压力应不超过地面的最大承载力，是路面设计及保护路面的关键。所以施工成本较高的公路，都会考虑路面的设计强度，同时会实时的对车体有压力的检测装置。本文认为，在汽车的运动过程中，对路面的压力并不处处等于汽车的自重，这是由于，在汽车启动和刹车的过程中，汽车需要由下蹲或者前倾的动作，以获得不同的加速度，因此对路面的压力处于变化的状态，这种状态不同于静止时的重量测量，因此研究汽车的动态质量，是设计相关系统的主要考虑因素。
一、测重仪发展现状
称重系统也在随着机械工业的以及控制及电子技术的发展，从有形的量具向无形的量具转化。从称重的状态来划分，常见的静态称重产品有：台秤、平台秤、轨道衡等。动态称重产品常见的有：复选秤、皮带秤等。此外在宇航科学中，针对空中飞行的飞行器，通过其飞行轨道的检测，可以计算出其质量的改变量。从以上应用场景可以看到，称重技术已经渗透到每个环节。
称重装置和重量测量系统在技术上差异很大，其应用系统是完全不同的领域，但二者的工作原理则完全相同。都是基于对重力的测量和计算，从产品的性能上比较，测量力的测量速度，要高于称重系统。测量目标也由于场景不同而完全不同。在一些慢速测量系统中，主要是在静力学平衡后，通过受力相等获得力的测量大小，而在快速测量系统中，则需要结合牛顿第二定律，通过测量运动速度，运动加速度，结合利于运动的关系，间接获得重力的测量值，因此其测量值与真实值之间的差异需要考虑系统误差，已经又大量的文献研究减小系统误差的方法。从测量的成本上考虑，可以使用测量速度相对慢一些的测量量具，具体的测量则需要综合成本、对象以及实际情况综合考虑。
二、称重仪器以及测力系统工作原理
称重与测力实际上是相同的力学系统，是通过力学关系获得重力的主要手段，重力施加作用后，称重/测力通过传感器的获取金属弹性体形变量量值，通过量值间接计算重力。随着信号处理技术的进展，称重/测力仪表控制器，通过测量传感器电压，经过采样放大器放大并去噪后，由模拟ADC芯片转换为数字信号，在数字域进行数值处理，数字信号经过CPU数据处理后数值输出显示。其本质上与重力测量的实测读数是相同的。
测量状态对测量结果的影响在于测量精度受测试方法的影响较大，同时在一定的条件下与测量状态及测量精度有关。一般通过多次测量求均值，平滑掉测量过程中的随机误差，或者通过差分测量消除系统误差，一提高测量精度，另一方面，并不是在所有场合都要求高精度测量，测量精度越高则造假也越高。测量技术包含测量精度和测量结果响应速度能力来综合衡量其测量能力。
由于称重或者测力与实施方法关联度高，因此随力学装置安装方式的不同，以及机械结构不同，测量结果有较大的差异。
三、量实施方法一：汽车在静止状态下直接测量车身的质量
对于停车场，对汽车测重最简单，可以直接利用弹簧的弹性形变的性质测出汽车的质量，来判断车体是否超过路面的最大承受力。在这种测量场景中，需要考虑的是弹簧的刚性系数，弹簧的疲劳次数，因为侧重的对象质量较大，如果弹簧的累计误差积累，造成测量误差逐渐放大，则测量系统的可靠性较低。其次由于测量采用弹簧系统测量，与单个弹簧不同，为了保证测量的精确性，需要保证弹簧的受力均匀性，因此测量水平面的水平程度也在较大程度上影响了测量结果的真实性和准确性。如图1所示：
根据弹簧的劲度系数公式可知：
四、测量实施方法二：对于高速公路行驶状态下汽车对路面的测量
要看汽车的运动状态；其主要原因是：汽车的高速运动中，由于惯性，在并不完全水平的道路上汽车在小距离内有轻接地与重接地的状态转换，这使得测量结果在真实重力附近波动；其次由于汽车的加速或者减速过程对地面的施加获得了反作用力，这种反作用力的叠加效应需要在测量中剥离。
（一）汽车匀速行驶状态下的压力测量
当汽车处于匀速行驶的状态时，不考虑气流压强对车体的作用，匀速行驶的汽车对路面的压力不等于車身的质量。受力分析如图2所示：
假定路面不平整度可以忽略，汽车以恒定的速度通过，不考虑空气阻力在垂向的影响，根据运动相互关系：
即在行驶中的汽车滚动摩擦力的存在，与在竖直方向上产生的挤压力有关，不同的地面摩擦力对竖直方向有程度不一的影响，考虑这一因素后，实际路面的非水平特性，摩擦力都可能在竖直方向上给汽车一定的分量。由此可知，力量与摩擦系数相关，这是因为，摩擦作用较为显著的路面，减速过程相对迅速，其对地面的挤压力也相应提高，另一方面，由于初始速度较大，产生了迅速制动的要求，这也等效于加剧了减速过程，对地面的压力增大，使得测量结果偏高，从实际情况来观察，汽车在最大制动过程中，路面往往留下轮胎较深的磨痕，显示其过程中挤压力有明显增加的趋势。
由于假象车都以相同速度行驶，则V0和μ为定值，所以当m超过最大值的时候，F压才会超载。
（二）汽车匀变速状态下的压力测量
在我们日常生活中，汽车在刹车时，我们明显感觉到车身前倾，并且可以观察到汽车前轮在地上所留下的印记，可以看出，汽车在匀变速过程中，其对地面的压力大于自身所受的重力；将此过程近似看做匀减速状态分析。
汽车在匀减速过程中，由于惯性的原因，前轮被锁死，后轮则还保持向前的惯性，质心前倾，所以前轮对路面的压力为：车身大部分的质量和重心前移所需的力之和。
即重力在车体上的分配，由于空间几何相对位置的变化而发生了偏移，这就是力矩效应，不同的力于力臂，在支点出产生的影响不同。 对于车体质量很大的情况，当车体进入测量仪器时，对弹簧压缩量较大，导致竖直方向上的位移偏大；所以车体在那一瞬间可看做一个平抛运动。当看作为是平抛运动时，车体下落产生的力是不可忽略的；重力势能的改变量和动量之和，就是在这段时间车体对仪器所做的功。所以我们可以利用动量守恒来反推路面所受的压力。
因此，对于这种复杂的情况下地面所受的压力测量，仪器可通过自身的改变量来测量出对其的压力。上述计算过程表明，压力和初始速度，运动过程高度差有关，行程较长的弹簧，则在竖直方向上引起被测物较大的高程变化，汽车同时受到重力的作用，在竖直方向上运动对弹簧产生的压缩量也相应增大，于是导致测量读数上的差异性，通过合理设计测量系统的机械装置，改善弹性系数，可以相应的减弱这种影响。
通过以上分析，汽车侧重仪的工作原理综合考虑到了汽车在实际测量装置上的速度与动态运动过程，将运动动态过程的影响通过测量系统的设计计量在内，通过推导其物理过程，将影响的量化形式计算得出，并反馈到测量系统中，由此估计出较为精确的测量结果。计算结果表明，汽车在静止状态下，在高速行驶过程中，以及在变速运动的过程中，由于车体的状态差异，其测量结果也不相同，即车辆姿态对测量结果产生了较大的影响。测量的结果的误差分析可以通过文中推导的数学表达式进行计算，关于误差分析，可以作为下一步研究工作的内容。
参考文献：
[1]郝晓光.对重力测量纬度改正概念的修正[J].大地测量与地球动力学，1996（3）：8-13.
[2]张善法，孟令顺，杜晓娟，等.高精度重力测量在金矿采空区探测中的应用研究[J].地球物理学进展，2009，24（2）：590-595.
[3]郑伟，许厚泽，钟敏，等.国际火星探测计划进展和中国火星卫星重力测量计划研究[J].大地测量与地球动力学，2011，31（3）：51-57.
[4]田静.用约利弹簧秤测液体表面张力系数的研究[J].物理實验，2001，21（3）：33-34.
[5]杨德甫，王玉清，任新成.利用交流电桥和约利弹簧秤测金属的线胀系数和液体密度[J].物理实验，2004，24（3）：42-43.
[6]邢毅，曾奕，盛戈皞，等.基于力学测量的架空输电线路覆冰监测系统[J].电力系统自动化，2008，32（23）：81-85.
[7]黄文焘，邰能灵，范春菊.基于杆塔结构力学测量的线路覆冰在线监测系统研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（24）：71-75.
[8]曾春华.力学测量方法及其进展[J].自然杂志，1984，7（5）：34-37+49+82.
关键词：质量；初始速度；加速度；摩擦系数
汽车在通过路面时，压力应不超过地面的最大承载力，是路面设计及保护路面的关键。所以施工成本较高的公路，都会考虑路面的设计强度，同时会实时的对车体有压力的检测装置。本文认为，在汽车的运动过程中，对路面的压力并不处处等于汽车的自重，这是由于，在汽车启动和刹车的过程中，汽车需要由下蹲或者前倾的动作，以获得不同的加速度，因此对路面的压力处于变化的状态，这种状态不同于静止时的重量测量，因此研究汽车的动态质量，是设计相关系统的主要考虑因素。
一、测重仪发展现状
称重系统也在随着机械工业的以及控制及电子技术的发展，从有形的量具向无形的量具转化。从称重的状态来划分，常见的静态称重产品有：台秤、平台秤、轨道衡等。动态称重产品常见的有：复选秤、皮带秤等。此外在宇航科学中，针对空中飞行的飞行器，通过其飞行轨道的检测，可以计算出其质量的改变量。从以上应用场景可以看到，称重技术已经渗透到每个环节。
称重装置和重量测量系统在技术上差异很大，其应用系统是完全不同的领域，但二者的工作原理则完全相同。都是基于对重力的测量和计算，从产品的性能上比较，测量力的测量速度，要高于称重系统。测量目标也由于场景不同而完全不同。在一些慢速测量系统中，主要是在静力学平衡后，通过受力相等获得力的测量大小，而在快速测量系统中，则需要结合牛顿第二定律，通过测量运动速度，运动加速度，结合利于运动的关系，间接获得重力的测量值，因此其测量值与真实值之间的差异需要考虑系统误差，已经又大量的文献研究减小系统误差的方法。从测量的成本上考虑，可以使用测量速度相对慢一些的测量量具，具体的测量则需要综合成本、对象以及实际情况综合考虑。
二、称重仪器以及测力系统工作原理
称重与测力实际上是相同的力学系统，是通过力学关系获得重力的主要手段，重力施加作用后，称重/测力通过传感器的获取金属弹性体形变量量值，通过量值间接计算重力。随着信号处理技术的进展，称重/测力仪表控制器，通过测量传感器电压，经过采样放大器放大并去噪后，由模拟ADC芯片转换为数字信号，在数字域进行数值处理，数字信号经过CPU数据处理后数值输出显示。其本质上与重力测量的实测读数是相同的。
测量状态对测量结果的影响在于测量精度受测试方法的影响较大，同时在一定的条件下与测量状态及测量精度有关。一般通过多次测量求均值，平滑掉测量过程中的随机误差，或者通过差分测量消除系统误差，一提高测量精度，另一方面，并不是在所有场合都要求高精度测量，测量精度越高则造假也越高。测量技术包含测量精度和测量结果响应速度能力来综合衡量其测量能力。
由于称重或者测力与实施方法关联度高，因此随力学装置安装方式的不同，以及机械结构不同，测量结果有较大的差异。
三、量实施方法一：汽车在静止状态下直接测量车身的质量
对于停车场，对汽车测重最简单，可以直接利用弹簧的弹性形变的性质测出汽车的质量，来判断车体是否超过路面的最大承受力。在这种测量场景中，需要考虑的是弹簧的刚性系数，弹簧的疲劳次数，因为侧重的对象质量较大，如果弹簧的累计误差积累，造成测量误差逐渐放大，则测量系统的可靠性较低。其次由于测量采用弹簧系统测量，与单个弹簧不同，为了保证测量的精确性，需要保证弹簧的受力均匀性，因此测量水平面的水平程度也在较大程度上影响了测量结果的真实性和准确性。如图1所示：
根据弹簧的劲度系数公式可知：
四、测量实施方法二：对于高速公路行驶状态下汽车对路面的测量
要看汽车的运动状态；其主要原因是：汽车的高速运动中，由于惯性，在并不完全水平的道路上汽车在小距离内有轻接地与重接地的状态转换，这使得测量结果在真实重力附近波动；其次由于汽车的加速或者减速过程对地面的施加获得了反作用力，这种反作用力的叠加效应需要在测量中剥离。
（一）汽车匀速行驶状态下的压力测量
当汽车处于匀速行驶的状态时，不考虑气流压强对车体的作用，匀速行驶的汽车对路面的压力不等于車身的质量。受力分析如图2所示：
假定路面不平整度可以忽略，汽车以恒定的速度通过，不考虑空气阻力在垂向的影响，根据运动相互关系：
即在行驶中的汽车滚动摩擦力的存在，与在竖直方向上产生的挤压力有关，不同的地面摩擦力对竖直方向有程度不一的影响，考虑这一因素后，实际路面的非水平特性，摩擦力都可能在竖直方向上给汽车一定的分量。由此可知，力量与摩擦系数相关，这是因为，摩擦作用较为显著的路面，减速过程相对迅速，其对地面的挤压力也相应提高，另一方面，由于初始速度较大，产生了迅速制动的要求，这也等效于加剧了减速过程，对地面的压力增大，使得测量结果偏高，从实际情况来观察，汽车在最大制动过程中，路面往往留下轮胎较深的磨痕，显示其过程中挤压力有明显增加的趋势。
由于假象车都以相同速度行驶，则V0和μ为定值，所以当m超过最大值的时候，F压才会超载。
（二）汽车匀变速状态下的压力测量
在我们日常生活中，汽车在刹车时，我们明显感觉到车身前倾，并且可以观察到汽车前轮在地上所留下的印记，可以看出，汽车在匀变速过程中，其对地面的压力大于自身所受的重力；将此过程近似看做匀减速状态分析。
汽车在匀减速过程中，由于惯性的原因，前轮被锁死，后轮则还保持向前的惯性，质心前倾，所以前轮对路面的压力为：车身大部分的质量和重心前移所需的力之和。
即重力在车体上的分配，由于空间几何相对位置的变化而发生了偏移，这就是力矩效应，不同的力于力臂，在支点出产生的影响不同。 对于车体质量很大的情况，当车体进入测量仪器时，对弹簧压缩量较大，导致竖直方向上的位移偏大；所以车体在那一瞬间可看做一个平抛运动。当看作为是平抛运动时，车体下落产生的力是不可忽略的；重力势能的改变量和动量之和，就是在这段时间车体对仪器所做的功。所以我们可以利用动量守恒来反推路面所受的压力。
因此，对于这种复杂的情况下地面所受的压力测量，仪器可通过自身的改变量来测量出对其的压力。上述计算过程表明，压力和初始速度，运动过程高度差有关，行程较长的弹簧，则在竖直方向上引起被测物较大的高程变化，汽车同时受到重力的作用，在竖直方向上运动对弹簧产生的压缩量也相应增大，于是导致测量读数上的差异性，通过合理设计测量系统的机械装置，改善弹性系数，可以相应的减弱这种影响。
通过以上分析，汽车侧重仪的工作原理综合考虑到了汽车在实际测量装置上的速度与动态运动过程，将运动动态过程的影响通过测量系统的设计计量在内，通过推导其物理过程，将影响的量化形式计算得出，并反馈到测量系统中，由此估计出较为精确的测量结果。计算结果表明，汽车在静止状态下，在高速行驶过程中，以及在变速运动的过程中，由于车体的状态差异，其测量结果也不相同，即车辆姿态对测量结果产生了较大的影响。测量的结果的误差分析可以通过文中推导的数学表达式进行计算，关于误差分析，可以作为下一步研究工作的内容。
参考文献：
[1]郝晓光.对重力测量纬度改正概念的修正[J].大地测量与地球动力学，1996（3）：8-13.
[2]张善法，孟令顺，杜晓娟，等.高精度重力测量在金矿采空区探测中的应用研究[J].地球物理学进展，2009，24（2）：590-595.
[3]郑伟，许厚泽，钟敏，等.国际火星探测计划进展和中国火星卫星重力测量计划研究[J].大地测量与地球动力学，2011，31（3）：51-57.
[4]田静.用约利弹簧秤测液体表面张力系数的研究[J].物理實验，2001，21（3）：33-34.
[5]杨德甫，王玉清，任新成.利用交流电桥和约利弹簧秤测金属的线胀系数和液体密度[J].物理实验，2004，24（3）：42-43.
[6]邢毅，曾奕，盛戈皞，等.基于力学测量的架空输电线路覆冰监测系统[J].电力系统自动化，2008，32（23）：81-85.
[7]黄文焘，邰能灵，范春菊.基于杆塔结构力学测量的线路覆冰在线监测系统研究[J].电力系统保护与控制，2012，40（24）：71-75.
[8]曾春华.力学测量方法及其进展[J].自然杂志，1984，7（5）：34-37+49+82.