带电声转换器的WIM传感器的制作方法

本发明涉及一种带有电声转换器的wim传感器，用于确定车辆的总负载。

背景技术：

动态称重(wim)系统使用在运输领域中，用于确定车辆的总负载或轴载；或者用于确定驶过道路区间的车轴或车辆的数量。在此，wim系统由至少一个wim传感器、其它的外部传感器和外部分析元件组成。在下文中，车辆就是指车辆或者是由牵引车辆和一个或多个挂车组成的车辆组合。基于所确定的车辆的总负载或轴载来采取步骤，这些步骤尤其适用于：避免道路由于超载而损坏；确定道路的与使用相关的维护时段；根据车辆的总负载或轴载或者根据车轴的数量来确定支付费用以及提高交通安全性。

一负载是重力，简称为力，其由物体施加在地基上。与之相应地，轮载是由车辆的车轮施加到道路上的力；轴载是由车辆的一个车轴的所有车轮施加在道路上的力；而总负载则是由一车辆的所有车轮施加在道路上的力。

在下文中，将车轮、双轮和超级单轮概括为通用术语车轮。而车轴是带有双轮或超级单轮的车轴。

wim系统的wim传感器被置入到路面中，其中，车辆的车道在相对于行进方向的纵向方向上被多个沿着行进方向并排置入到路面中的wim传感器横穿行进方向行进方向，其中，每一个wim传感器横穿车辆的一轮距。wim传感器通常被设计为沿着纵轴线的长形的型材。轮距是指车辆的车轮在车辆行驶通过在路面上的轨迹。车道是指车辆的所有轮距的总体。也可以利用长的wim传感器横穿整个车道，或者通过wim传感器仅采集车辆的一个轮距。wim传感器通常是在两个沿行进方向间隔开的位置上被置入到道路中，在此是通过wim传感器的已知间距来确定车轮在两个间隔开的wim传感器之间的速度。wim传感器将信号传输给外部分析元件。

因此，由多个间隔开的wim传感器和外部分析元件组成的wim系统就足以确定轮载、驶过的车辆的车轴的数量和驶过车辆的速度。在此，wim传感器为了确定轮载或轴载而通常具有一个或多个压电式力传感器。

车轮的负载的确定是通过在车轮驶过时利用至少一个力传感器测量动态的地面反作用力和车轮的速度来实现的。在此，地面反作用力是指反作用于车轮施加在地面上的力的力。速度通常是在外部分析元件中计算得到。

为了将驶过的车轮或车轴对应于车辆，除了wim传感器以外，通常还需要其它的外部传感器来识别在道路区间上车辆的存在，例如在每条车道中置入到路面中的感应环。也可以使用诸如照相机、光栅、光幕或雷达测量之类的光学方法来识别通过wim传感器的车辆的存在。这些其它的外部传感器的数据与一个或多个wim传感器的数据一起被采集到外部分析元件中。这些其它的外部传感器加大了安装成本和维护成本，并最终加大了建立wim系统的财务和时间成本。

对于wim系统的未来应用而言，能够明确地将驶过的车轮或车轴对应于车辆是必不可少的。这些应用包括但不限于：

根据在全巡航速度下的wim测量，直接处罚超载的车辆；

根据在全巡航速度下的wim测量，直接处罚超速的车辆；

根据在全巡航速度下的wim测量，实现取决于重量的通行费支付；

根据在工业应用(港口、矿山等)中的wim测量，实现取决于重量的支付。

上述几点对于wim系统提出了很高的要求。因此，对于在没有操作者干预的情况下通过wim系统来测量车辆的总重量，国际法律计量组织(oiml)在标准oimlr134中的建议是：确定车辆的存在以及进行一致性检查，以检查是否已采集到车辆的所有车轮。这有助于提高所确定的数据的准确性，这对于在上述应用中使用wim系统非常重要。

此外，wim系统的成本的地位也越来越重要。期望以极少的组件实现尽可能简单的安装，并且在多个wim系统联网的趋势的带动下，wim传感器将尽可能地发挥自主的功能。

由专利文献us2014309966a已知一种wim系统；包括一种用于在车辆于道路区间上行驶期间通过wim系统确定车辆的总负载的方法；其中，在车辆驶过该道路区间期间，不仅采集所有车轮的轮载，而且还采集车辆在整个驶过期间的速度；在此，通过一个或多个wim传感器来采集轮载；其中，通过附加的传感器，例如雷达、沿行进方向布置的光束阵列，或者通过激光多普勒测速法来采集车辆的速度；其中，通过用于确定驶过道路区间的车辆的端部的装置，将所采集的轮载分配给车辆，该装置例如可以是横向于道路设立的辐射光栅，或者可以是安装在路面中的感应环；其中，可以根据所有属于车辆的轮载的总和来确定车辆的总负载。这样做的缺点是，为了确定车辆的总负载，需要确定车辆的末端，也就是通过wim传感器的车辆存在的终点，这要求在道路中、旁边或上方有额外的单独的传感器，而这些传感器的安装会引起对道路区间的更长的阻塞，并且会增加wim系统的安装和维护成本。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于，基于wim传感器的信号来确定车辆的总负载，而无需额外的外部传感器，并且降低了wim系统的相关成本和安装工作量。本发明的另一个目的在于提高wim系统的精度。

这些目的中的至少一个通过独立权利要求的特征来实现。

本发明涉及一种wim传感器，用于在一道路区间上在车辆的车轮驶过wim传感器时确定车辆的负载；wim传感器在该道路区间中被布置在道路表面中并与道路表面形成一平面；wim传感器被构造为沿着纵轴线长形设计的、具有至少一个空间的型材；在该空间中布置有至少一个力传感器；该力传感器产生力传感器信号；该力传感器信号对应于在车轮驶过时的动态地面反作用力，车轮在道路区间上施加力；其中，在空间中布置有至少一个电声转换器；并且其中，电声转换器测量声波并提供作为转换器信号。

电声转换器被理解为采集声波的传感器。

在道路区间上行驶的车辆会产生噪声。这些噪声或者发出的声波尤其是通过车辆的车轮在路面上的滚动或车辆的发动机产生，在此，声波不仅在周围空气中传播，而且也在路面中传播。在此，在空间中的某个位置上所确定的这些声波的特性还取决于到声波来源的距离和传播介质。

由于空间中的物体会反射声波，因此物体的存在对于声波的传播会产生特征性的影响。例如，声波在山体上的反射是已知的，其中所发出的声波的传播会受到特征性的影响。在本文所述的情况下，声波会在车辆的构件上发生反射，并因此也在车辆的底部上发生反射。因此，车辆的这些构件可以被视为声波的其它来源，其中，这些声波会与原始存在的声波叠加。被反射的声波又撞击在路面上。

因此，由车辆产生的声波和在车辆的构件上反射的声波分别在路面中传播，并且当然还穿过被引入到路面中的wim传感器。声波相应地也在wim传感器的型材的空间中传播。

根据所提到的声波的叠加，通过分析由电声转换器所确定的信号来确定车辆构件在引入到路面中的电声转换器的周围环境中的存在。

根据已知的声波传播定律，可以通过具有三个或更多个电声转换器的布置和对电声转换器所确定的信号的分析来确定声波来源在某一时间点的位置。

通过了解声波来源在某一时间点的位置，就可以通过分析位置随时间的变化来确定声波来源的轨迹，该轨迹描述了声波来源的动态位置变化。

电声转换器被布置在路面中的空间中，特别是布置在嵌入到路面中的wim传感器的空间中。

与由专利文献us2014309966a已知的用于测量车辆总负载的wim系统相比，具有至少一个用于确定车辆在wim传感器附近存在的电声转换器的wim传感器是更有利的，因为除了wim传感器之外，不再需要其他单独的外部传感器来必须确定车辆在传感器区域中的存在，用以将所确定的各个轮载对应于车辆；在此，通过取消其它单独的外部传感器，降低了安装成本、维护成本和安装工作量。此外，可以将安装wim系统的道路阻塞时间减少到8小时以下。内置于wim传感器中的、用于信号处理的微处理器还允许传感器能够自主地使用，并降低了对外部分析元件的要求。

附图说明

下面参照附图对本发明进行详细说明。其中：

图1示出了具有wim系统的一部分的道路区间的示意性局部视图，其包括wim传感器和用于确定通过wim传感器的车辆的存在的其它外部传感器，

图2示出了具有根据第一种实施方式的wim系统的一部分的道路区间的示意性局部视图，其包括wim传感器，该wim传感器具有用于确定通过wim传感器的车辆的存在的集成的传感器，

图3示出了wim传感器的一种优选实施方式的示意性局部视图，其具有用于确定通过wim传感器的车辆的存在的集成的传感器，

图4示出了wim传感器的一种优选实施方式的另一示意性局部视图，其具有用于确定通过wim传感器的车辆的存在的集成的传感器，

图5示出了具有wim系统的一部分的第一种实施方式的道路区间的示意性局部视图，该部分包括wim传感器，该wim传感器具有用于确定通过wim传感器的车辆的存在以及用于示出所确定的车辆轨迹和在车辆轨迹的不同位置处的速度的集成的传感器，

图6示出了用于说明在一种优选实施方式中的wim传感器的信号的图示，在该图示中出于理解原因而示意性示出了wim传感器的各个组件，

图7示出了wim传感器的另一种实施方式的示意性局部视图，其具有能量供应和用于确定通过wim传感器的车辆的存在的集成的传感器，

图8示出了wim传感器的另一种实施方式的示意性局部视图，其具有信号发生器和用于确定通过wim传感器的车辆的存在的集成的传感器。

具体实施方式

图1示出了具有根据现有技术的wim系统的一部分的道路区间1，该wim系统借助一个或多个wim传感器3和用于测量通过wim传感器的车辆2、2′、2″、2″′的存在的多个外部传感器4、4′、4″、4″′来确定车辆2、2′、2″、2″′的总负载。

图2示出了具有根据第一种实施方式的wim系统的一部分的道路区间1，用于借助于至少两个有利的wim传感器5来确定车辆2、2′、2″、2″′的总负载，该wim传感器沿车轮的行进方向xx′间隔开地布置在该道路区间；其中，如图3和图4所示，wim传感器5是长形设计的型材；在该型材中布置有一个或多个空间20、21；其中，在空间20、21中布置有至少一个用于确定轮载或轴载的力传感器13。

在一种优选的实施方式中，空间20、21是指部分地或完全地被型材包围的区域，该区域完全或部分地沿型材6的纵轴线yy′存在。空间20被布置在图4所示的型材6的旁边或下方。此外，空间21也可以邻接型材6的关于纵轴线yy′的一端部。因此，空间21可以关于行进方向xx′设置在如图4所示的型材6的旁边，或者关于高度方向zz′设置在如图4所示的型材6的下方。在此，高度方向zz′是指垂直于道路表面的方向。空间21也可以如图3所示地邻接型材6的一端部。

在一种优选的实施方式中，在空间20、21中布置有至少一个用于生成转换器信号110的电声转换器10和至少两个a/d转换器11。

此外，在空间20、21中还布置有至少一个力传感器13；其中，当力作用于型材上时，该力传感器会产生力传感器信号100；力传感器信号100由第一a/d转换器11转换为数字式力传感器信号101并提供；其中，至少一个电声转换器10的至少一个转换器信号110是由a/d转换器11转换并提供的，并且在下文中将其称为数字式转换器信号111。

在下文中将提供信号理解为：所提供的信号可以用于其他的应用。因此，提供也包括：在电子存储器上存储信号以及从该存储器加载信号。提供还包括在显示器上显示信号。

图6给出了下文中所述信号的示意图；其中，为了更好地理解，还示出了wim系统的一部分组件。

在优选的实施方式中，力传感器13由至少一个具有电极的压电式测量元件和至少一个电荷放大器组成；压电式测量元件在力作用下生成电荷；该电荷可以通过电极提供给电荷放大器；电荷放大器将电荷转换为力传感器信号100并提供该力传感器信号100；力传感器信号100是电信号，优选是电压。

当然，本领域技术人员也可以选择力传感器13的其他实施方式，例如应变仪或压阻式测量元件或者其他的具有或不具有电放大器或类似电路的测量元件，它们在力的作用下生成对应于该力的信号并作为力传感器信号100给出。

电声转换器10对于从20hz(包括20hz)至21khz的可听范围内的声波或者从21khz(包括21khz)至1ghz的超声波范围内的声波或者在该可听范围内和该超声波范围内的声波具有灵敏度。

此外，在空间20、21中还布置有至少一个微处理器8和至少一个非易失性的存储元件9。

在一种优选的实施方式中，至少一个数字式力传感器信号101和至少一个数字式转换器信号111可以被提供给微处理器8。

在微处理器511中，时间上同步地采集至少一个数字式力传感器信号101和至少一个数字式转换器信号111。时间上同步地采集至少一个数字式力传感器信号101和数字式电声信号111是指所采集的数字式力传感器信号101明确地关联于同时采集的数字电声信号111。同时，如果数字式力传感器信号101和数字式转换器信号111是根据已知的数字信号传输技术以正常的耗费在微处理器8的内部计时器的同一值上被采集，则数字式力传感器信号101与数字式转换器信号111是同时的。

时间上同步的采集至少两个数字式力传感器信号101是指两个被同时采集的数字式力传感器信号101的明确关联。如果数字式力传感器信号101是根据已知的数字信号传输技术以正常的耗费在微处理器8的内部计时器的同一值上被采集，则两个数字式力传感器信号101是同时的。应理解的是，两个同步采集的数字式力传感器信号101是来自于至少两个力传感器13。

借助于微处理器8中的算法分析至少一个数字式转换器信号111并将其作为存在信息121提供。在此，在非易失性存储元件9上存储有至少一个算法，该算法被加载到微处理器8中。该算法将数字式转换器信号111与用于车辆2、2′、2″、2″′在wim传感器5上存在的至少一个特性签名进行比较，并由此构成存在信息121。该特性签名是至少一个已知的且存储在非易失性存储元件9中的先前定义的信号电平，该信号电平是在数字式转换器信号111的至少一个先前定义的频率范围内。该信号电平是所确定的信号的定义的强度。该特性签名被加载到微处理器8中。

如果算法在比较中发现在被加载的特性签名与数字式转换器信号111之间存在一致性，则确定通过wim传感器5的车辆2、2′、2″、2″′的存在，并且该算法形成一个肯定存在信息121。否则，该算法形成一个否定存在信息121。

如图5所示，微处理器8中的算法对至少三个间隔开布置的电声转换器10的转换器信号111进行分析。在此，该算法基于数字式转换器信号的形状对这些数字式转换器信号111进行比较，并根据两个数字式转换器信号111的两个已知形状的时间偏移，形成两个所采集的数字式转换器信号(111)的到达时间的时间差。在接下来的步骤中，该算法成对地形成不同电声转换器10的三个转换器信号111的到达时间的时间差。该算法由此形成相位信息125并提供该相位信息。该算法根据该相位信息125计算在wim传感器5的周围环境中经过的车辆2、2′、2″、2″′的准确位置p1、p2。该算法根据车辆2、2′、2″、2″′的位置生成车辆位置信息122并提供该车辆位置信息。

该算法根据车辆位置信息122和车辆位置信息122的时间变化生成车辆2、2′、2″、2″′在wim传感器5的周围环境中的轨迹t。该算法将轨迹t作为车辆轨迹信息123来提供。轨迹t是三维坐标系中的随时间变化的数学轨迹曲线。因此，该轨迹关于时间的一阶导数是车辆2、2′、2″、2″′在wim传感器5的周围环境中的速度，在图5中表示为v1、v2、v3。该轨迹关于时间的二阶导数是车辆2、2′、2″、2″′在wim传感器5的周围环境中的加速度。

车辆2、2′、2″、2″′的加速度作为附加的力分量作用在力传感器13上，从而影响所确定的数字式力传感器信号101。因此，当车辆2、2′、2″、2″′减速时(负加速度)，由车辆2、2′、2″、2″′的前轮施加在路面上的力增加了一力分量，该力分量与车辆2、2′、2″、2″′的负加速度成比例并与车辆2、2′、2″、2″′的重量成比例，而由车辆2、2′、2″、2″′的后轮施加在路面上的力减小了一力分量，该力分量与车辆2、2′、2″、2″′的加速度和重量成比例。

同样，在沿着三维坐标系中的弯曲轨迹曲线运动的车辆2、2′、2″、2″′的径向加速度下，有附加的力分量作用在力传感器13上并由此影响所确定的数字式力传感器信号102。因此，在车辆2、2′、2″、2″′行驶的左弯曲线中，由车辆2、2′、2″、2″′的右轮施加在路面上的力增加了一力分量，而由车辆2、2′、2″、2″′的左轮施加在路面上的力减少了一力分量，上述的力分量分别与车辆2、2′、2″、2″′的径向加速度以及车辆2、2′、2″、2″′的重量成比例。

该算法根据车辆轨迹信息123和数字式力传感器信号101形成驶过wim传感器5的车辆2、2′、2″、2″′的车轮的校正后的数字式力传感器信号102。该算法根据车辆轨迹信息123计算车辆2、2′、2″、2″′在力传感器的位置处的加速度或径向加速度，并根据所确定的由车轮施加在力传感器13上的力来计算由车辆2、2′、2″、2″′的加速度所给出的那一部分力(力分量)来形成该力分量与所确定的数字式力传感器信号101的差，并由此产生校正后的数字式力传感器信号102。因此，校正后的数字式力传感器信号102与由车辆2、2′、2″、2″′的加速度或径向加速度施加在道路区间上的力无关。

在一种优选的实施方式中，根据车辆轨迹信息123和车辆2、2′、2″、2″′的驶过wim传感器5的车轮的至少一个数字式力传感器信号101以及至少一个其他的测量参数，该算法形成校正后的数字式力传感器信号102；其中，该其他的测量参数也可以是但不限于温度，该温度由温度探测器16确定为温度探测信号130，通过a/d转换器11进行转换并且以数字形式提供为数字式温度探测信号131。在该算法从数字式力传感器信号101减去上述的与车辆2、2′、2″、2″′的径向加速度或加速度和车辆2、2′、2″、2″′的重量成比例的力分量并形成结果作为校正后的数字式力传感器信号之前，该算法是基于力传感器13的先前已知的温度相关性来校正数字式力传感器信号101。

在一种优选的实施方式中，在肯定存在信息121期间，微处理器8或外部分析元件7中的算法将所有可用的校正后的数字式力传感器信号102分配给车辆2、2′、2″、2″′。

外部分析元件7中的算法确定了所有轴的校正后的轴载和车辆2、2′、2″、2″′的校正后的总负载，并将它们数字化地提供。通过将校正后的数字式力传感器信号102用于该确定，提高了对车辆2、2′、2″、2″′的驶过的轮载、轴载以及总负载的测量的测量精度。

在一种实施方式中，wim传感器5具有电子信号传输元件15；其中，在一种优选的实施方式中，在电子信号传输元件15上布置有用于导体的连接元件，其中，导体用于将在wim传感器中提供的信号传输到外部分析单元；其中，在一种优选的实施方式中，在信号传输元件上布置有用于电磁波的发射器和接收器；其中，信号传输元件15通过电磁波将在wim传感器5中提供的信号传输到外部分析元件7。外部分析元件7例如是膝上型计算机或个人计算机或分布式it基础设施。

在另一种实施方式中，在至少一个空间20、21中布置有能量供应14，如图7中在一种优选实施方式中所示；其中，能量供应14向wim传感器5的至少一个电子元件供应电能。

在一种优选的实施方式中，电子元件的列表包括但不限于下列元件中的至少一个：力传感器13，电声转换器10，a/d转换器11，信号传输元件15，温度探测器16。

当然，也可能存在执行不同任务的电子元件，这些电子元件以单个电子部件的形式存在，例如专用集成电路，简称为asic。也可以存在多个执行相同任务的电子元件，这些电子元件也是以单个电子部件的形式存在。

在wim传感器5的一种实施方式中，能量供应14是wim传感器5的电能的唯一来源。在另一种实施方式中，能量供应14是wim传感器5的电能的附加来源，例如不间断电源或通用备用电源；其中，后者意味着在电网电压发生故障的情况下，在能量供应14自动供电之前供电的短暂中断。

在一种优选的实施方式中，能量供应14向至少一个布置在道路区间1中的电子元件供应电能。

在下文中将结束对电子元件的电能供应称为切断用于电子元件的能量供应14，即使该能量供应14还在保持向另外的电子元件供应电能。同样，在下文中将恢复对电子元件的电能供应称为接通用于电子元件的能量供应14。在下文中还将减少能量供应14向电子元件的电能供应称为减少电子元件的能量供应14。

微处理器8中的算法接通或切断至少一个布置在道路区间1中的电子元件的能量供应14，或者将至少一个布置在道路区间1中的电子元件从运行模式切换到低能模式，在该低能模式下，电子元件具有比运行模式降低的能量需求。

能量供应14在能量供应使用时间期间提供电能，当能量供应14大部分耗尽时，该能量供应使用时间终结。

在一种优选的实施方式中，借助于存在信息121，调整对wim传感器5的单个电子元件或者电子元件组的能量供应14；其中，该调整特别是减少或者切断能量供应14，由此将大大增加能量供应使用时间。在没有获知车轮11存在于道路区间1中的情况下，通过微处理器8中的算法，切断或减少对至少一个布置在道路区间1中的电子元件的能量供应14，该电子元件对于采集车轮11在道路区间1上的存在不是必需的。在获知有车轮11存在于道路区间1中的情况下，被切断或减少的能量供应14又被接通。通过切断或减少能量供应14，延长了能量供应14的能量供应使用时间。在一种优选的实施方式中，切换或减少对至少一个布置在道路区间1中的电子元件的能量供应14是基于存在信息121通过算法实现的。

在一种优选的实施方式中，通过分析至少一个数字式转换器信号111，能够确定当前的噪声污染。对当前的噪声污染的确定是通过微处理器8或外部分析元件7中的算法来实现的，该算法确定了数字式转换器信号111的声压水平。根据该声压水平，确定驶过车辆2、2′、2″、2″′的声音发射。将该声音发射与预先设定的用于声发射的边界值进行比较。该比较的结果作为噪声信号被提供，并通过信号传输元件经由因特网传输到外部分析元件或者膝上型电脑或者个人计算机或者分布式it基础设施。

在另一种实施方式中，如图8所示，在型材6的空间20、21中布置有至少一个声信号发生器12；声信号发生器12产生频率在21khz和1ghz之间的超声范围内的声信号；声信号发生器12是除了上述的来自车辆2、2′、2″、2″′的声波来源之外存在的附加的声波来源；声波以已知的方式传播并且在车辆2、2′、2″、2″′的构件上被反射。因此，除了车辆2、2′、2″、2″′产生的声波之外，还要由至少一个电声转换器10采集由声信号发生器12发出的声波，其中，所采集到的声信号发生器526的声波被用于确定车辆2、2′、2″、2″′的存在，该声波等于由车辆2、2′、2″、2″′产生的声波。通过微处理器511中的算法来操控声信号发生器12，其中，该算法调节所产生声波的频率、持续时间和强度。

在了解本发明的情况下，本领域技术人员可以将具有电声转换器10的多个wim传感器5彼此间隔开地置入到道路中。数字式转换器信号111和数字式力传感器信号101被采集到外部分析元件7中；其中，通过采集多个wim传感器5的数字式转换器信号111和数字式力传感器信号101，能够提高测量精度；其中，通过采集多个wim传感器5的数字式转换器信号111和数字式力传感器信号101，能够对所确定的信号进行一致性检查。

在wim传感器3的另一种优选的实施方式中，至少一个数字式转换器信号111在可配置的时间间隔中与至少一个数字式力传感器信号101并与时间戳141在时间上同步地存储在非易失性存储元件9或外部分析元件7上，其中，时间戳141由日期和时间组成并由微处理器8中的算法提供。

附图标记列表

1道路区间

2，2′，2″，2″′车辆，具有挂车的车辆，车辆组合体

3wim传感器

4，4′，4″，4″′用于车辆的存在识别的其它外部传感器

5第一种优选实施方式中的wim传感器

6型材

7外部分析元件

8微处理器

9非易失性存储元件

10电声转换器

11a/d转换器

12信号发生器

13力传感器

14能量供应

15信号传输元件

16温度探测器

20空间

21空间

100力传感器信号

101数字式力传感器信号

102校正后的数字式力传感器信号

110转换器信号

111数字式转换器信号

121存在信息

122车辆位置信息

123车辆轨迹信息

125相位信息

126负载信息

130温度探测信号

131数字式温度探测信号

p1第一位置

p2第二位置

v1第一速度

v2第二速度

v3第三速度

t轨迹

xx′行进方向

yy′纵轴线

zz′高度方向。