用于动态称重传感器的电子电路的制作方法

用于动态称重传感器的电子电路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种电子电路，用于将安装在行车道6中并具有电荷信号输出端和接地输出端的WIM(Weight-in-Motion)传感器3的电荷信号转换为电压信号。包括具有IC1的电荷放大器，IC1具有作为传感器3的输入端的第一输入端和第二输入端。该电子电路在相对于两线电缆5的输出端上具有集成的阻抗变换器(IEPE)，其具有电压信号输出端“OUT”和接地输出端“GND”。在IC1的第一输入端上，电容器Cc与传感器3的电荷信号输出端“In”串联连接，以对该电路关于传感器3的内部直流电压解耦。在传感器3的接地输出端和IC1的第二输入端之间设置齐纳二极管D，其可以通过电阻R1与设置在输出侧的电源8一起经由两线电缆5馈电，以调整IC1第二输入端上的电位。传感器的接地输出特别是与两线电缆5的接地输出具有相同的电位。
【专利说明】用于动态称重传感器的电子电路

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于将安装在行车道中的WIM(动态称重）传感器的电荷信号转 换为电压信号的电子电路以及一种包含这种电路的传感器。

【背景技术】
[0002] 用于在道路上的车辆驶过时检测车辆重量的力传感器，也就是所谓的 WM(Weight-in-Motion，动态称重）传感器安装在行车道中（例如公路中），并测量车辆的 动态地面反应力，以由此确定车辆的重量。通常为此使用压电传感器。在此将电荷作为信 号。通常是借助于电缆将电荷传输到外部的电荷放大器，其将电荷信号换算为电压信号。由 于电荷非常小，因此去往电荷放大器的信号路径必须是高度绝缘的，如其在压电传感器的 导线中所始终规定的那样。由此将产生较高的成本，因为高绝缘电缆是非常昂贵的。由于在 实践中，道路中的传感器和具有电子设备的机柜之间往往相距甚远，因此需要较长的电缆， 这使得设备相对昂贵。
[0003] 传输电压信号相比于电荷信号来说问题更少。如果传感器信号已经在传感器中转 换成电压信号，则之后对传感器信号的处理将大大简化，因为例如可以因此使用简单的电 缆。
[0004] 为了将电荷转换成电压信号，有两种已经证明是很好的电路。作为第一选择的是 所谓的ΙΕΡΕ电路（Piezotron?)，其优点是只需要为此使用很少的组件。由于这种用于 WIM传感器的上述应用的电子装置与传感器一起安装在行车道中，因此在任何情况下都必 须避免失效，因为更换传感器是不可能的。在更换传感器时，行车道在一定的时间内是无法 通行的并且必须被封闭。由于必须根据安装位置预估较高的温度差异和其他的环境影响， 从而再次增加了对质量的要求。较少数量的组件有助于简单并因此而耐久地保持该电子 装置。ΙΕΡΕ电路的第二个优点是：如果电荷信号已经在传感器中转换为电压信号，因此标 准的同轴电缆就足以实现信号传输和馈电（Speisung)。然而，在所给出的应用中不能使用 ΙΕΡΕ电路，因为传感器的较高的电容和内部电阻直接成为了电路的组成部分。而电容在传 感器之间会发生变化，这意味着，各个传感器具有不同的信号特性。此外，各个传感器的电 阻会随着时间的推移而改变，由此将导致信号的灵敏度也随着时间的推移而改变。因此，利 用ΙΕΡΕ电路不能获得具有所需精度的测量结果，特别关于较长的时间间隔的测量结果。
[0005] 由专利文献US 4009447的图7和图8可知这种根据现有技术的ΙΕΡΕ电路。有鉴 于传感器的较高的电容和该电容在温度波动时的变化，信号的灵敏度在各种情况下都会发 生变化，从而降低了测量结果的精度。
[0006] 专利文献US 5792956给出了 ΙΕΡΕ电路的另一个例子，其中，传感器的接地输出并 不位于与放大器的接地输出相同的电位上，因为在它们之间接入了齐纳二极管。但是，由于 在WIM传感器中，传感器接地必须位于输出信号接地的电位上，因此该电路不能用于所述 的目的。
[0007] 作为第二选择的电荷放大器没有这些缺点。为此，需要两芯屏蔽电缆用于信号和 馈电，如上所述，该电缆非常长，因而非常昂贵。所以，这与期望的解决方案不符。如果将电 荷放大器直接安装在传感器中，为此需要附加的馈电电缆，这将再次增加设备成本。
[0008] 由专利文献US 4009447的图10和图11可知另一种根据现有技术的电荷放大器。 在这种布置中，传感器的电压由齐纳二极管提供，如果绝缘随时间而变差，则会导致电流流 过传感器，这是绝对要避免的。


【发明内容】

[0009] 本发明的目的在于提出一种电子电路，其能够在传感器的内部实现电荷信号向电 压信号的转换，该电路安全、简单，从而能够直接安装在行车道中。而且，该电路可以连接在 两个简单的导线上，这种线路不必是高度绝缘的，并且可以为电子装置提供所需要的馈电。 此外，该电路不会受到传感器属性（例如电容和电阻）的影响。
[0010] 本发明的目的通过根据本发明的电子电路来实现。根据本发明的电路包括具有 IC1的电荷放大器，该IC1具有第一输入端和第二输入端。这些输入端可以作为传感器兀件 的输入端，传感器元件反过来又具有两个输出端，即电荷信号输出端和接地输出端。
[0011] 该电路在相对于两线电缆的输入端上还具有集成的阻抗变换器（ΙΕΡΕ)。根据本发 明，在电荷放大器的IC1的第一输入端上，电容器Cc与传感器的信号输出端串联连接，以便 使该电路的内部直流电压在传感器上去耦。此外，在传感器的接地输出端和IC1的第二输 入端之间设置齐纳二极管D，其可以通过电阻R1与设置在输出端侧的电源一起供电，以调 节IC1的第二输入端上的电位。
[0012] 根据本发明的电路可以连接标准的两线电缆。通过这种两线电缆可以在传输信号 数据的同时实现对馈电的耦合，馈电可以通过用于该电路的相同的两线电缆进行输送。此 外可以在不更换组件的情况下调整电位，从而不需要为此封闭道路。
[0013] 电压信号的传输相比于电荷信号的问题要少。因此可以为此使用更简单、更便宜 的电缆。此外，该电缆在安装和操作期间不容易受到损伤，并且相比于用于电荷信号的电缆 可以进行供电。在机柜中只需要简单的信号调制装置，以替代复杂的电荷放大器。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 下面参照附图对本发明进行详细说明。
[0015] 图1示出了在行车道中处于安装状态的已安装好的WM(动态称重）传感器，其具 有通向机柜的导线；
[0016] 图2示出了电荷放大器的示意图；
[0017] 图3示出了传感器中的ΙΕΡΕ电路（Piezotron?)的示意图；
[0018] 图4示出了根据本发明的电路以及传感器和带有集成馈电装置的两线电缆。

【具体实施方式】
[0019] 图1示出了在此为公路形式的行车道6的示意图，其具有两排集成在公路中的 WIM(动态称重）传感器3。类似于轨道车辆的设置也是可能的，其中，例如将传感器3设置 在轨道中。WM传感器3通常包括压电传感器元件3'，其给出电荷信号。这种信号必须通 过高绝缘导线5继续输送，直至其在相应的电子装置中转换为电压信号。
[0020] 在所示出的布置当中，利用WM传感器3在车辆驶过时确定车轮承载的重量。所 测得的结果通过电缆5输送到机柜4中的分析单元中，机柜4通常设置在距离公路非常远 的地方。
[0021] 在图2中示出了在这种应用中所习惯使用的电荷放大器1，其位于示出的机柜4 中。
[0022] 传感器信号通过高绝缘的同轴电缆5经过数米的距离输送到电荷放大器1的两个 输入端"In"和"GND"（接地）上，并转换为电压，电压可以被相对简单地进一步处理（低阻 抗的信号处理）。电荷放大器1常常被放置在位于路边的较远处的电子设备柜中。
[0023] 从传感器3到电荷放大器1的高度绝缘的连接电缆5是非常昂贵的，并且为了不 弄脏电缆5并防止因为污染而无法确保所需要的较高的绝缘性，必须在铺设过程中将电缆 5处理得非常干净。
[0024] 为了传输信号，在两个输出端"OUT"和"GND"上连接用于传输信号的导线5。附 加地必须向电荷放大器1馈电或者利用两线电缆5馈电，因此总计有四根导线5从电荷放 大器1引出。根据电荷放大器1是放置在传感器3中还是在机柜4中，在传感器3和机柜 4之间或者铺设较贵的高绝缘电缆5,或者铺设较贵的四线电缆5。
[0025] 在图3中示出了 IETO电路2,也被称为Piez〇tron?电路，其通常可以在传感器3 中、特别是在压电传感器3中如同所示出的那样一体化地设置。除了测量元件之外，在传感 器3中还配有传感器电容Cs以及传感器电阻Rp。电缆电容以Ck表示。
[0026] IEPE2的核心部件是设置在输出侧的阻抗变换器T2。阻抗变换器T2与两线电缆 5连接，在该两线电缆中集成有用于馈电的耦合器（Koppler)。
[0027] 在这两种应用中（几乎）不需要静态的测量，因此将在两个具有时间常数的系统 中运行，时间常数由Cg和RT的值给出。因此可以向下达到频率响应的极限值。
[0028] 在ΙΕΡΕ电路2中，传感器的绝缘电阻Rp并联于RT，并因此也对时间常数有影响。
[0029] 在ΙΕΡΕ电路2中，测量电路的灵敏度由输入端的电容Cg、传感器电容Cs和输入电 缆电容Ck决定。
[0030] 在WM中，传感器电容Cs较大，特别是由于温度影响、样本方差以及其他的环境影 响而在运行时间内不够稳定。这将极大地损害测量电路的灵敏度，因此不可能进行精确测 量。
[0031] ΙΕΡΕ电路2的优点在于能够在一对导线5上实现简单的信号传输，包括系统馈电。 该系统利用若干毫安（mA)的电源工作，并将表示为电压值的信号与约为10 VDC的静态值 (偏置电压）叠加。
[0032] 在图4中示出了根据本发明的电子电路7,其对于因为传感器3的电容变化而引起 的灵敏度的变化不敏感。
[0033] 组件IC1 (集成电路）和T1 (阻抗变换器）形成有源的放大级 (aktive Verstdrkerstufe )。齐纳二极管D与电阻R2和R3 -起确定了输出静态值，即偏 置电压。测量电路的灵敏度可以通过电容Cg加以调整。此外，电阻RT与电阻R2、R3和电 容Cg -起建立测量信号的时间常数。电容Cc用于使齐纳二极管D的电压相对于传感器3 去耦。
[0034] 整个电路7通过电源8馈电，电源8被放置在所谓的耦合器（英语：C〇upl er)中。
[0035] 如图4所示的根据本发明的电路汇聚了两个系统的优点：灵敏度如同电荷放大器 1的灵敏度一样几乎与输入端电容无关。正如在ΙΕΡΕ电路2中那样，信号传输以及对系统 的馈电通过一对导线5进行。在此，该系统也是利用几毫安的电源工作，并将表示为电压值 的信号与约10VDC的静态值（偏置电压）叠加。
[0036] 在WIM传感器3中，由于结构性限制，传感器接地和输出信号接地GND处于相同的 电位上。
[0037] 与电荷放大器1不同，传感器3不是位于"In"和"GND-A"之间，而是必须连接在 "GND，，± 〇
[0038] 在没有耦合电容（Cc被桥接）的情况下，齐纳二极管D的电压与传感器3的电压 并联。
[0039] 该电压与传感器绝缘电阻Rp -起在端口 "In"产生输入电流，该输入电流可以在 输出端明显地引起静态电压偏移，该电压可能会达到极限值，这将使测量无法进行。
[0040] 现在为了解决此问题，将耦合电容Cc连接到输入端，从而实现对输入电压、也就 是二极管D的电压的去耦。
[0041] 在此应当注意的是：现在可以相应地设定变成电荷分配器的Cc和（Ck+Cs)的大 小，以便能够忽略Cs的变化。
[0042] 根据本发明的电子电路7用于将安装在行车道6中并具有电荷信号输出端和接地 输出端的WM (动态称重）传感器3的电荷信号转换为电压信号，该电子电路7包括具有IC1 的电荷放大器，IC1具有第一输入端和第二输入端作为传感器3的输入端。此外，该电子电 路还在相对于两线电缆5的输入端上具有集成的阻抗变换器（ΙΕΡΕ)，其具有电压信号输出 端"OUT"和接地输出端"GND"。根据本发明，在电荷放大器的IC1的第一输入端上，电容器 Cc与传感器3的电荷信号输出端"In"串联连接，以便使电路关于传感器3的内部直流电压 解耦。此外，齐纳二极管D设置在传感器3的接地输出端"GND"和IC1的第二输入端之间， 其可以通过R1与设置在输出侧的电源8 -起经由两线电缆5被馈电，以调整IC1的第二输 入端上的电位。特别是传感器的接地输出位于与两线电缆5的接地输出相同的电位上。
[0043] 优选可以在电荷放大器和阻抗变化器之间接入两个电阻R2、R3,它们与齐纳二极 管D-起确定输出静态值。此外，优选关于电荷放大器的IC1设置电容Cg作为负反馈，用 于调整测量电路的灵敏度。优选在电荷放大器中相对于电容Cg并联设置电阻RT，其与电阻 R2和R3 -起构成测量信号的时间常数。
[0044] 在这种应用中，在输出端为两线电缆5配置外部耦合器作为馈电电源8。在此，两 线电缆5可以是同轴电缆。
[0045] 根据本发明的电路7包括位于输入侧的传感器3,特别是压电传感器3。尤其是传 感器3具有如上所述的根据本发明的电子电路7。
[0046] 优选将电路7集成在传感器3中。根据本发明，传感器3是动态称重（WIM)传感 器3,用于当车辆在行车道6上行进时对车辆进行动态轴重测量。
[0047] 附图标记列表
[0048] 1电荷放大器
[0049] 2 ΙΕΡΕ 电路，Piezotron?
[0050] 3传感器，WM传感器
[0051] 3 '传感元件
[0052] 4 机柜
[0053] 5导线，电缆
[0054] 6行车道
[0055] 7根据本发明的电子电路
[0056] 8电流源，电流供应装置。
【权利要求】
1. 一种电子电路，用于将安装在行车道（6)中并具有电荷信号输出端和接地输出端的 动态称重传感器（3)的电荷信号转换为电压信号，该电子电路包括具有IC1的电荷放大器， IC1具有作为所述传感器（3)的输入端的第一输入端和第二输入端，该电子电路在相对于 两线电缆（5)的输出端上具有集成的阻抗变换器（ΙΕΡΕ)，其具有电压信号输出端OUT和接 地输出端GND，其特征在于，在所述电荷放大器的IC1的第一输入端上，电容器Cc与所述传 感器（3)的电荷信号输出端In串联连接，以对该电路关于所述传感器（3)的内部直流电压 解耦，在所述传感器（3)的接地输出端GND和所述IC1的第二输入端之间设置齐纳二极管 D，其可以通过电阻R1与设置在输出侧的电流源（8) -起经由所述两线电缆（5)被馈电，以 匹配所述IC1的第二输入端上的电位，在此，所述传感器的接地输出与所述两线电缆（5)的 接地输出具有相同的电位。
2. 如权利要求1所述的电路，其特征在于，在所述电荷放大器和所述阻抗变换器之间 接入两个电阻R2和R3,其与所述齐纳二极管D -起确定输出静态值。
3. 如权利要求1或2所述的电路，其特征在于，通过所述电荷放大器的IC1设置电容 Cg作为负反馈，用于调整测量电路的灵敏度。
4. 如权利要求2或3所述的电路，其特征在于，在所述电荷放大器中相对于电容Cg并 行设置电阻RT，该电阻RT与所述电阻R2和R3 -起构成测量信号的时间常数。
5. 如前面任一项权利要求所述的电路，其特征在于，在输出端设置具有作为馈电电源 的外部耦合器的两线电缆（5)。
6. 如权利要求5所述的电路，其特征在于，所述两线电缆（5)是同轴电缆。
7. 如前面任一项权利要求所述的电路，其特征在于，所述电路包括位于输入侧的传感 器（3)，特别是压电传感器（3)。
8. 如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路集成在所述传感器（3)中。
9. 如权利要求7或8所述的电路，其特征在于，所述传感器（3)是动态称重（WIM)传感 器（3)，用于当车辆在行车道（6)上行进时对车辆进行动态轴重测量。
【文档编号】G01L1/16GK104145176SQ201380011612
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年3月26日 优先权日:2012年3月26日
【发明者】莱奥·阿姆斯特茨, 罗曼·斯特雷贝尔·昌恩, 克劳迪奥·卡瓦洛尼, 安德里安·霍夫曼, 大卫·科尔尼 申请人:基斯特勒控股公司