用于動態(tài)稱重傳感器的電子電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電子電路，用于將安裝在行車道6中并具有電荷信號輸出端和接地輸出端的WIM(Weight-in-Motion)傳感器3的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。包括具有IC1的電荷放大器，IC1具有作為傳感器3的輸入端的第一輸入端和第二輸入端。該電子電路在相對于兩線電纜5的輸出端上具有集成的阻抗變換器(IEPE)，其具有電壓信號輸出端“OUT”和接地輸出端“GND”。在IC1的第一輸入端上，電容器Cc與傳感器3的電荷信號輸出端“In”串聯(lián)連接，以對該電路關(guān)于傳感器3的內(nèi)部直流電壓解耦。在傳感器3的接地輸出端和IC1的第二輸入端之間設(shè)置齊納二極管D，其可以通過電阻R1與設(shè)置在輸出側(cè)的電源8一起經(jīng)由兩線電纜5饋電，以調(diào)整IC1第二輸入端上的電位。傳感器的接地輸出特別是與兩線電纜5的接地輸出具有相同的電位。
【專利說明】用于動態(tài)稱重傳感器的電子電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于將安裝在行車道中的WIM(動態(tài)稱重）傳感器的電荷信號轉(zhuǎn) 換為電壓信號的電子電路以及一種包含這種電路的傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002] 用于在道路上的車輛駛過時檢測車輛重量的力傳感器，也就是所謂的 WM(Weight-in-Motion，動態(tài)稱重）傳感器安裝在行車道中（例如公路中），并測量車輛的 動態(tài)地面反應(yīng)力，以由此確定車輛的重量。通常為此使用壓電傳感器。在此將電荷作為信 號。通常是借助于電纜將電荷傳輸?shù)酵獠康碾姾煞糯笃鳎鋵㈦姾尚盘枔Q算為電壓信號。由 于電荷非常小，因此去往電荷放大器的信號路徑必須是高度絕緣的，如其在壓電傳感器的 導(dǎo)線中所始終規(guī)定的那樣。由此將產(chǎn)生較高的成本，因?yàn)楦呓^緣電纜是非常昂貴的。由于在 實(shí)踐中，道路中的傳感器和具有電子設(shè)備的機(jī)柜之間往往相距甚遠(yuǎn)，因此需要較長的電纜， 這使得設(shè)備相對昂貴。
[0003] 傳輸電壓信號相比于電荷信號來說問題更少。如果傳感器信號已經(jīng)在傳感器中轉(zhuǎn) 換成電壓信號，則之后對傳感器信號的處理將大大簡化，因?yàn)槔缈梢砸虼耸褂煤唵蔚碾?纜。
[0004] 為了將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號，有兩種已經(jīng)證明是很好的電路。作為第一選擇的是 所謂的ΙΕΡΕ電路（Piezotron?)，其優(yōu)點(diǎn)是只需要為此使用很少的組件。由于這種用于 WIM傳感器的上述應(yīng)用的電子裝置與傳感器一起安裝在行車道中，因此在任何情況下都必 須避免失效，因?yàn)楦鼡Q傳感器是不可能的。在更換傳感器時，行車道在一定的時間內(nèi)是無法 通行的并且必須被封閉。由于必須根據(jù)安裝位置預(yù)估較高的溫度差異和其他的環(huán)境影響， 從而再次增加了對質(zhì)量的要求。較少數(shù)量的組件有助于簡單并因此而耐久地保持該電子 裝置。ΙΕΡΕ電路的第二個優(yōu)點(diǎn)是：如果電荷信號已經(jīng)在傳感器中轉(zhuǎn)換為電壓信號，因此標(biāo) 準(zhǔn)的同軸電纜就足以實(shí)現(xiàn)信號傳輸和饋電（Speisung)。然而，在所給出的應(yīng)用中不能使用 ΙΕΡΕ電路，因?yàn)閭鞲衅鞯妮^高的電容和內(nèi)部電阻直接成為了電路的組成部分。而電容在傳 感器之間會發(fā)生變化，這意味著，各個傳感器具有不同的信號特性。此外，各個傳感器的電 阻會隨著時間的推移而改變，由此將導(dǎo)致信號的靈敏度也隨著時間的推移而改變。因此，利 用ΙΕΡΕ電路不能獲得具有所需精度的測量結(jié)果，特別關(guān)于較長的時間間隔的測量結(jié)果。
[0005] 由專利文獻(xiàn)US 4009447的圖7和圖8可知這種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的ΙΕΡΕ電路。有鑒 于傳感器的較高的電容和該電容在溫度波動時的變化，信號的靈敏度在各種情況下都會發(fā) 生變化，從而降低了測量結(jié)果的精度。
[0006] 專利文獻(xiàn)US 5792956給出了 ΙΕΡΕ電路的另一個例子，其中，傳感器的接地輸出并 不位于與放大器的接地輸出相同的電位上，因?yàn)樵谒鼈冎g接入了齊納二極管。但是，由于 在WIM傳感器中，傳感器接地必須位于輸出信號接地的電位上，因此該電路不能用于所述 的目的。
[0007] 作為第二選擇的電荷放大器沒有這些缺點(diǎn)。為此，需要兩芯屏蔽電纜用于信號和 饋電，如上所述，該電纜非常長，因而非常昂貴。所以，這與期望的解決方案不符。如果將電 荷放大器直接安裝在傳感器中，為此需要附加的饋電電纜，這將再次增加設(shè)備成本。
[0008] 由專利文獻(xiàn)US 4009447的圖10和圖11可知另一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電荷放大器。 在這種布置中，傳感器的電壓由齊納二極管提供，如果絕緣隨時間而變差，則會導(dǎo)致電流流 過傳感器，這是絕對要避免的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于提出一種電子電路，其能夠在傳感器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電荷信號向電 壓信號的轉(zhuǎn)換，該電路安全、簡單，從而能夠直接安裝在行車道中。而且，該電路可以連接在 兩個簡單的導(dǎo)線上，這種線路不必是高度絕緣的，并且可以為電子裝置提供所需要的饋電。 此外，該電路不會受到傳感器屬性（例如電容和電阻）的影響。
[0010] 本發(fā)明的目的通過根據(jù)本發(fā)明的電子電路來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的電路包括具有 IC1的電荷放大器，該IC1具有第一輸入端和第二輸入端。這些輸入端可以作為傳感器兀件 的輸入端，傳感器元件反過來又具有兩個輸出端，即電荷信號輸出端和接地輸出端。
[0011] 該電路在相對于兩線電纜的輸入端上還具有集成的阻抗變換器（ΙΕΡΕ)。根據(jù)本發(fā) 明，在電荷放大器的IC1的第一輸入端上，電容器Cc與傳感器的信號輸出端串聯(lián)連接，以便 使該電路的內(nèi)部直流電壓在傳感器上去耦。此外，在傳感器的接地輸出端和IC1的第二輸 入端之間設(shè)置齊納二極管D，其可以通過電阻R1與設(shè)置在輸出端側(cè)的電源一起供電，以調(diào) 節(jié)IC1的第二輸入端上的電位。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的電路可以連接標(biāo)準(zhǔn)的兩線電纜。通過這種兩線電纜可以在傳輸信號 數(shù)據(jù)的同時實(shí)現(xiàn)對饋電的耦合，饋電可以通過用于該電路的相同的兩線電纜進(jìn)行輸送。此 外可以在不更換組件的情況下調(diào)整電位，從而不需要為此封閉道路。
[0013] 電壓信號的傳輸相比于電荷信號的問題要少。因此可以為此使用更簡單、更便宜 的電纜。此外，該電纜在安裝和操作期間不容易受到損傷，并且相比于用于電荷信號的電纜 可以進(jìn)行供電。在機(jī)柜中只需要簡單的信號調(diào)制裝置，以替代復(fù)雜的電荷放大器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 下面參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0015] 圖1示出了在行車道中處于安裝狀態(tài)的已安裝好的WM(動態(tài)稱重）傳感器，其具 有通向機(jī)柜的導(dǎo)線；
[0016] 圖2示出了電荷放大器的示意圖；
[0017] 圖3示出了傳感器中的ΙΕΡΕ電路（Piezotron?)的示意圖；
[0018] 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的電路以及傳感器和帶有集成饋電裝置的兩線電纜。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 圖1示出了在此為公路形式的行車道6的示意圖，其具有兩排集成在公路中的 WIM(動態(tài)稱重）傳感器3。類似于軌道車輛的設(shè)置也是可能的，其中，例如將傳感器3設(shè)置 在軌道中。WM傳感器3通常包括壓電傳感器元件3'，其給出電荷信號。這種信號必須通 過高絕緣導(dǎo)線5繼續(xù)輸送，直至其在相應(yīng)的電子裝置中轉(zhuǎn)換為電壓信號。
[0020] 在所示出的布置當(dāng)中，利用WM傳感器3在車輛駛過時確定車輪承載的重量。所 測得的結(jié)果通過電纜5輸送到機(jī)柜4中的分析單元中，機(jī)柜4通常設(shè)置在距離公路非常遠(yuǎn) 的地方。
[0021] 在圖2中示出了在這種應(yīng)用中所習(xí)慣使用的電荷放大器1，其位于示出的機(jī)柜4 中。
[0022] 傳感器信號通過高絕緣的同軸電纜5經(jīng)過數(shù)米的距離輸送到電荷放大器1的兩個 輸入端"In"和"GND"（接地）上，并轉(zhuǎn)換為電壓，電壓可以被相對簡單地進(jìn)一步處理（低阻 抗的信號處理）。電荷放大器1常常被放置在位于路邊的較遠(yuǎn)處的電子設(shè)備柜中。
[0023] 從傳感器3到電荷放大器1的高度絕緣的連接電纜5是非常昂貴的，并且為了不 弄臟電纜5并防止因?yàn)槲廴径鵁o法確保所需要的較高的絕緣性，必須在鋪設(shè)過程中將電纜 5處理得非常干凈。
[0024] 為了傳輸信號，在兩個輸出端"OUT"和"GND"上連接用于傳輸信號的導(dǎo)線5。附 加地必須向電荷放大器1饋電或者利用兩線電纜5饋電，因此總計有四根導(dǎo)線5從電荷放 大器1引出。根據(jù)電荷放大器1是放置在傳感器3中還是在機(jī)柜4中，在傳感器3和機(jī)柜 4之間或者鋪設(shè)較貴的高絕緣電纜5,或者鋪設(shè)較貴的四線電纜5。
[0025] 在圖3中示出了 IETO電路2,也被稱為Piez〇tron?電路，其通常可以在傳感器3 中、特別是在壓電傳感器3中如同所示出的那樣一體化地設(shè)置。除了測量元件之外，在傳感 器3中還配有傳感器電容Cs以及傳感器電阻Rp。電纜電容以Ck表示。
[0026] IEPE2的核心部件是設(shè)置在輸出側(cè)的阻抗變換器T2。阻抗變換器T2與兩線電纜 5連接，在該兩線電纜中集成有用于饋電的耦合器（Koppler)。
[0027] 在這兩種應(yīng)用中（幾乎）不需要靜態(tài)的測量，因此將在兩個具有時間常數(shù)的系統(tǒng) 中運(yùn)行，時間常數(shù)由Cg和RT的值給出。因此可以向下達(dá)到頻率響應(yīng)的極限值。
[0028] 在ΙΕΡΕ電路2中，傳感器的絕緣電阻Rp并聯(lián)于RT，并因此也對時間常數(shù)有影響。
[0029] 在ΙΕΡΕ電路2中，測量電路的靈敏度由輸入端的電容Cg、傳感器電容Cs和輸入電 纜電容Ck決定。
[0030] 在WM中，傳感器電容Cs較大，特別是由于溫度影響、樣本方差以及其他的環(huán)境影 響而在運(yùn)行時間內(nèi)不夠穩(wěn)定。這將極大地?fù)p害測量電路的靈敏度，因此不可能進(jìn)行精確測 量。
[0031] ΙΕΡΕ電路2的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在一對導(dǎo)線5上實(shí)現(xiàn)簡單的信號傳輸，包括系統(tǒng)饋電。 該系統(tǒng)利用若干毫安（mA)的電源工作，并將表示為電壓值的信號與約為10 VDC的靜態(tài)值 (偏置電壓）疊加。
[0032] 在圖4中示出了根據(jù)本發(fā)明的電子電路7,其對于因?yàn)閭鞲衅?的電容變化而引起 的靈敏度的變化不敏感。
[0033] 組件IC1 (集成電路）和T1 (阻抗變換器）形成有源的放大級 (aktive Verstdrkerstufe )。齊納二極管D與電阻R2和R3 -起確定了輸出靜態(tài)值，即偏 置電壓。測量電路的靈敏度可以通過電容Cg加以調(diào)整。此外，電阻RT與電阻R2、R3和電 容Cg -起建立測量信號的時間常數(shù)。電容Cc用于使齊納二極管D的電壓相對于傳感器3 去耦。
[0034] 整個電路7通過電源8饋電，電源8被放置在所謂的耦合器（英語：C〇upl er)中。
[0035] 如圖4所示的根據(jù)本發(fā)明的電路匯聚了兩個系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：靈敏度如同電荷放大器 1的靈敏度一樣幾乎與輸入端電容無關(guān)。正如在ΙΕΡΕ電路2中那樣，信號傳輸以及對系統(tǒng) 的饋電通過一對導(dǎo)線5進(jìn)行。在此，該系統(tǒng)也是利用幾毫安的電源工作，并將表示為電壓值 的信號與約10VDC的靜態(tài)值（偏置電壓）疊加。
[0036] 在WIM傳感器3中，由于結(jié)構(gòu)性限制，傳感器接地和輸出信號接地GND處于相同的 電位上。
[0037] 與電荷放大器1不同，傳感器3不是位于"In"和"GND-A"之間，而是必須連接在 "GND，，± 〇
[0038] 在沒有耦合電容（Cc被橋接）的情況下，齊納二極管D的電壓與傳感器3的電壓 并聯(lián)。
[0039] 該電壓與傳感器絕緣電阻Rp -起在端口 "In"產(chǎn)生輸入電流，該輸入電流可以在 輸出端明顯地引起靜態(tài)電壓偏移，該電壓可能會達(dá)到極限值，這將使測量無法進(jìn)行。
[0040] 現(xiàn)在為了解決此問題，將耦合電容Cc連接到輸入端，從而實(shí)現(xiàn)對輸入電壓、也就 是二極管D的電壓的去耦。
[0041] 在此應(yīng)當(dāng)注意的是：現(xiàn)在可以相應(yīng)地設(shè)定變成電荷分配器的Cc和（Ck+Cs)的大 小，以便能夠忽略Cs的變化。
[0042] 根據(jù)本發(fā)明的電子電路7用于將安裝在行車道6中并具有電荷信號輸出端和接地 輸出端的WM (動態(tài)稱重）傳感器3的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電子電路7包括具有IC1 的電荷放大器，IC1具有第一輸入端和第二輸入端作為傳感器3的輸入端。此外，該電子電 路還在相對于兩線電纜5的輸入端上具有集成的阻抗變換器（ΙΕΡΕ)，其具有電壓信號輸出 端"OUT"和接地輸出端"GND"。根據(jù)本發(fā)明，在電荷放大器的IC1的第一輸入端上，電容器 Cc與傳感器3的電荷信號輸出端"In"串聯(lián)連接，以便使電路關(guān)于傳感器3的內(nèi)部直流電壓 解耦。此外，齊納二極管D設(shè)置在傳感器3的接地輸出端"GND"和IC1的第二輸入端之間， 其可以通過R1與設(shè)置在輸出側(cè)的電源8 -起經(jīng)由兩線電纜5被饋電，以調(diào)整IC1的第二輸 入端上的電位。特別是傳感器的接地輸出位于與兩線電纜5的接地輸出相同的電位上。
[0043] 優(yōu)選可以在電荷放大器和阻抗變化器之間接入兩個電阻R2、R3,它們與齊納二極 管D-起確定輸出靜態(tài)值。此外，優(yōu)選關(guān)于電荷放大器的IC1設(shè)置電容Cg作為負(fù)反饋，用 于調(diào)整測量電路的靈敏度。優(yōu)選在電荷放大器中相對于電容Cg并聯(lián)設(shè)置電阻RT，其與電阻 R2和R3 -起構(gòu)成測量信號的時間常數(shù)。
[0044] 在這種應(yīng)用中，在輸出端為兩線電纜5配置外部耦合器作為饋電電源8。在此，兩 線電纜5可以是同軸電纜。
[0045] 根據(jù)本發(fā)明的電路7包括位于輸入側(cè)的傳感器3,特別是壓電傳感器3。尤其是傳 感器3具有如上所述的根據(jù)本發(fā)明的電子電路7。
[0046] 優(yōu)選將電路7集成在傳感器3中。根據(jù)本發(fā)明，傳感器3是動態(tài)稱重（WIM)傳感 器3,用于當(dāng)車輛在行車道6上行進(jìn)時對車輛進(jìn)行動態(tài)軸重測量。
[0047] 附圖標(biāo)記列表
[0048] 1電荷放大器
[0049] 2 ΙΕΡΕ 電路，Piezotron?
[0050] 3傳感器，WM傳感器
[0051] 3 '傳感元件
[0052] 4 機(jī)柜
[0053] 5導(dǎo)線，電纜
[0054] 6行車道
[0055] 7根據(jù)本發(fā)明的電子電路
[0056] 8電流源，電流供應(yīng)裝置。
【權(quán)利要求】
1. 一種電子電路，用于將安裝在行車道（6)中并具有電荷信號輸出端和接地輸出端的 動態(tài)稱重傳感器（3)的電荷信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，該電子電路包括具有IC1的電荷放大器， IC1具有作為所述傳感器（3)的輸入端的第一輸入端和第二輸入端，該電子電路在相對于 兩線電纜（5)的輸出端上具有集成的阻抗變換器（ΙΕΡΕ)，其具有電壓信號輸出端OUT和接 地輸出端GND，其特征在于，在所述電荷放大器的IC1的第一輸入端上，電容器Cc與所述傳 感器（3)的電荷信號輸出端In串聯(lián)連接，以對該電路關(guān)于所述傳感器（3)的內(nèi)部直流電壓 解耦，在所述傳感器（3)的接地輸出端GND和所述IC1的第二輸入端之間設(shè)置齊納二極管 D，其可以通過電阻R1與設(shè)置在輸出側(cè)的電流源（8) -起經(jīng)由所述兩線電纜（5)被饋電，以 匹配所述IC1的第二輸入端上的電位，在此，所述傳感器的接地輸出與所述兩線電纜（5)的 接地輸出具有相同的電位。
2. 如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于，在所述電荷放大器和所述阻抗變換器之間 接入兩個電阻R2和R3,其與所述齊納二極管D -起確定輸出靜態(tài)值。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的電路，其特征在于，通過所述電荷放大器的IC1設(shè)置電容 Cg作為負(fù)反饋，用于調(diào)整測量電路的靈敏度。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的電路，其特征在于，在所述電荷放大器中相對于電容Cg并 行設(shè)置電阻RT，該電阻RT與所述電阻R2和R3 -起構(gòu)成測量信號的時間常數(shù)。
5. 如前面任一項權(quán)利要求所述的電路，其特征在于，在輸出端設(shè)置具有作為饋電電源 的外部耦合器的兩線電纜（5)。
6. 如權(quán)利要求5所述的電路，其特征在于，所述兩線電纜（5)是同軸電纜。
7. 如前面任一項權(quán)利要求所述的電路，其特征在于，所述電路包括位于輸入側(cè)的傳感 器（3)，特別是壓電傳感器（3)。
8. 如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于，所述電路集成在所述傳感器（3)中。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的電路，其特征在于，所述傳感器（3)是動態(tài)稱重（WIM)傳感 器（3)，用于當(dāng)車輛在行車道（6)上行進(jìn)時對車輛進(jìn)行動態(tài)軸重測量。
【文檔編號】G01L1/16GK104145176SQ201380011612
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月26日
【發(fā)明者】萊奧·阿姆斯特茨, 羅曼·斯特雷貝爾·昌恩, 克勞迪奧·卡瓦洛尼, 安德里安·霍夫曼, 大衛(wèi)·科爾尼 申請人:基斯特勒控股公司