BR102021004560A2

BR102021004560A2 - Sistema de pesagem em movimento para veículos automotores baseado em sensores flexíveis e a fibra ótica

Info

Publication number: BR102021004560A2
Application number: BR102021004560-4A
Authority: BR
Inventors: Fávero Guilherme Santos; Emerson John Vieira Da Silva; Fernando Kelvin Da Silva Soares; Guilherme Dutra
Original assignee: Velsis Sistemas E Tecnologia Viaria Ltda
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-09-20
Also published as: US20240151574A1; WO2022187922A1; MX2023010611A

Abstract

A presente invenção corresponde ao sistema pesagem em movimento para veículos automotores baseado em sensores flexíveis e a fibra ótica. O campo de aplicação do objeto de patente é a medição de eventos físicos dinâmicos que são causados de maneira direta ou indireta pela passagem de um veículo automotor sobre os sensores. Tal sistema é constituído por 5 blocos: ao equipamento de processamento e apresentação de informações (5) são conectados o equipamento de emissão e detecção óticas (2), um ou mais sensores de presença (3), o sensor de temperatura (4), e um ou mais sensores de peso (1). Trazendo vantagens em relação às demais tecnologias, tais como: manufatura simplificada e de tamanho compacto, sensores imunes a interferências eletromagnéticas, longa vida útil, e a possibilidade de implantação em diferentes tipos de pavimentos.

Description

SISTEMA DE PESAGEM EM MOVIMENTO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES BASEADO EM SENSORES FLEXÍVEIS E A FIBRA ÓTICA

[01] A presente invenção refere-se ao sistema de pesagem em movimento para veículos automotores baseado em sensores flexíveis e a fibra ótica. Seu campo de aplicação técnica corresponde àquela dos sistemas de medição de eventos físicos dinâmicos que são causados de maneira direta ou indireta pela passagem de um veículo automotor sobre seus sensores. O objetivo da invenção é o monitoramento de variáveis de tráfego rodoviário tais como (mas não se limitando): a detecção de veículos, a contagem de rodas, a identificação de rodados simples e/ou duplos, a medição de peso por roda, a medição de peso por eixo, a medição do peso de grupos de eixos, a medição de peso total dos veículos e a medição de parâmetros mecânicos de pavimento. A solução proposta pela presente invenção apresenta uma série de vantagens, sendo elas: processo de manufatura simplificada e de tamanho compacto, sensores imunes a interferências eletromagnéticas, longa vida útil e a possibilidade de implantação em diferentes tipos de pavimentos.

[02] O monitoramento de parâmetros de tráfego é empregado nas áreas de segurança rodoviária, de controle de tráfego, de manutenção e infraestrutura, de diagnóstico de problemas de tráfego, de tarifação em rodovias pedagiadas e na aplicação de multas em situações irregulares de tráfego, entre outros tantos cenários. As informações geradas são utilizadas por diferentes agentes da sociedade, tais como órgãos governamentais responsáveis pelo setor rodoviário, agências regulatórias, entidades de segurança pública, concessionárias de rodovias e, em alguns casos, os próprios usuários das rodovias. A evolução constante das técnicas de monitoramento de parâmetros rodoviários é relevante e traz benefícios à sociedade.

[03] Como é de conhecimento dos meios técnicos do ramo de pesagem em movimento, de um modo geral, a movimentação de um veículo sobre o pavimento causa efeitos físicos que, quando monitorados, geram informações sobre as características do veículo. Essas características estão relacionadas aos aspectos construtivos do veículo, tais como o peso, as dimensões, o número de rodas e eixos, entre outros, e à utilização do veículo que está se deslocando sobre o pavimento, incluindo a velocidade, a aceleração, a carga, o número de passageiros, entre outros. As metodologias de detecção e medição de parâmetros físicos que envolvem o tráfego de veículos atualmente conhecidas são a detecção magnética, detecção por imagem, detecção por sensores óticos, detecção por radar, detecção por vibração, detecção por deformação e detecção por temperatura.

[04] Em alguns casos, um sistema de monitoramento de tráfego rodoviário emprega combinação de duas ou mais das metodologias descritas acima para gerar o máximo de informações possíveis, ou mesmo para reduzir as incertezas intrínsecas a determinada tecnologia com a combinação dos dados captados.

[05] Para garantir a medição com baixa incerteza de determinada variável de interesse, a técnica mais comum adotada, em qualquer que seja a tecnologia aplicada, é ter o maior número possível de leituras dos dados, de modo que se possa ter uma amostragem maior e consequentemente maior precisão.

[06] No caso da pesagem em movimento, empregam-se comumente ambas as técnicas: a combinação de sensores diferentes (em geral laços indutivos em combinação com sensores piezoelétricos ou com células de carga) e a instalação de uma maior quantidade de sensores quando se pretende atingir uma maior precisão.

[07] De uma maneira geral, a pesagem de um veículo em movimento ocorre mediante a medição das deformações ou das vibrações exercidas sobre o pavimento. As diferenças principais entre as metodologias de medição para sensores baseados a fibra ótica, sejam as reportadas na literatura na forma de patentes ou artigos técnicos, relacionam-se aos tipos de elementos sensores e o seu encapsulamento. Quanto aos tipos de elementos sensores, estes variam dependendo do tipo de grandeza a ser medida, como por exemplo, intensidade, frequência e/ou fase, ou comprimento de onda da onda ótica. O encapsulamento, por sua vez, consistente no elemento de proteção e, sobretudo, no elemento de transdução mecânica responsável por transformar e/ou amplificar as componentes de força relativas ao peso do veículo.

[08] Nos bancos de patentes são encontrados alguns registros de patentes na área de monitoramento de tráfego com sensores a fibra ótica.

[09] Na patente australiana WO2001027569A1 a fibra ótica é fixada a um substrato, placa de deflexão, que se deforma com a passagem de veículos e a detecção da deformação da fibra ótica é baseada em medição interferométrica.

[010] Na patente Britânica GB2056672A a fibra ótica é colocada ao lado e transversalmente ao caminho por onde passa o veículo.

[011] Na patente estadunidense US12376875 é empregado um dispositivo strain gauge composto por um interferômetro de Fabry Perot por fibra ótica.

[012] Na patente europeia EP20110160916 uma placa flexível com redes difrativas em fibra óticas é empregada para a medição de peso.

[013] Na patente estadunidense US07410764 a fibra ótica é instalada entre placa rígidas e semi-rígidas para medição da pressão através da deformação/curvatura das placas.

[014] Na patente estadunidense US11425392 redes difrativas são conectadas a uma estrutura mecânica.

[015] Na patente estadunidense US10467075 sensor é instalado na rodovia com detecção interferométrica por retro-espalhamento Rayleigh.

[016] A patente US5260520 reporta o encapsulamento da fibra ótica por material elastomérico, sendo este o elemento de transdução. Um dos grandes problemas desse tipo de material é a dependência com a temperatura que altera as taxas de deformação. Em temperaturas mais elevadas, como aquelas encontradas em pavimentos, o material pode saturar antes do fim da escala de medição, restringindo, assim, a faixa de operação do sensor.

[017] A patente estadunidense US5260520 revela dispositivo para pesar veículo em movimento que é suprido por pluralidade de sensores de fibra ótica alongados definidos por uma fibra ótica embutida em um encapsulamento de material elastomérico e dispostos em paralelo um ao outro na estrada no caminho dos veículos em movimento. Cada sensor de fibra ótica é provido com meios de contato dispostos em grade que podem ser seletivamente alterados para ter sensibilidade adequada a cada faixa de peso de veículos. Sistemas de comutadores são utilizados em conjunto com os sensores de fibra ótica para fornecer sinais indicativos da velocidade do veículo, distribuição de peso, posição do pneu e distância entre eixos. O uso de uma configuração de comutadores em formato de N também fornece a determinação do número de pneus em cada eixo, e a marca do pneu no solo. Quando os comutadores nesta configuração são formados por fibras óticas, a extensão da transmissão de luz pelas fibras em contato com os pneus do veículo é indicativa do peso do veículo.

[018] A patente de modelo de utilidade chinesa CN200962255 revela um detector de veículos por fibras que inclui uma fonte luminosa, unidade de sensores de fibra ótica, detector, unidade de aquisição de dados e unidade de processamento, sendo que a unidade de sensores de fibra ótica compreende dois sensores interferométricos Mach-Zehnder que incluem uma barra de aço inoxidável e uma folha de plástico mais leve de formato padronizado. A barra pode detectar o sinal da vibração da estrada enquanto a folha atua como reforço sob a superfície da estrada. Os efeitos benéficos são a melhoria da sensibilidade e do bloqueio da interferência eletromagnética sobre o detector, sem efeito do meio ambiente e melhoria da relação sinal-ruído, pela adição da barra de aço inoxidável e da folha de plástico mais leve nos sensores interferométricos, onde sempre um braço do sensor é braço de referência e outro é braço de sinal. Adicionalmente, o braço de referência é imóvel e correspondente ao invólucro de proteção, assim como há a rejeição do modo comum do amplificador diferencial no circuito eletrônico quando a barra de aço inoxidável e a folha de plástico mais leve vibram em conjunto.

[019] A patente romena RO127980 refere-se a um método para determinar o peso dos veículos a motor em movimento sem restringir de qualquer maneira o tráfego dos veículos a serem pesados e a um dispositivo que aplica o método. O método mede a variação da potência ótica transmitida por uma fibra ótica dependente do peso variável aplicado, utilizando um dispositivo opto-eletrônico com uma fibra ótica de modo único ou de modo múltiplo quando há propagada uma radiação luminosa com a onda gama espectral infravermelha emitida em regime de ondas contínuas por um diodo laser ou um LED, a fibra ótica está montada em um dispositivo mecânico que garante a sua curvatura dependendo do peso a ser medido. O dispositivo reivindicado compreende uma fonte de radiação no espectro infravermelho próximo que pode ser um diodo laser ou um LED, dito diodo laser ou LED emitindo a radiação infravermelha por uma fibra óptica curvada sob o peso do veículo motor a ser pesado, sendo que a micro-curvatura da fibra causada pelo peso causa uma mudança na transmissão da luz emitida através da fibra, proporcional ao peso do veículo sobre o asfalto.

[020] A patente Brasileira PI0106699 descreve um equipamento cujo objetivo principal é o de prover um mecanismo automatizado para a supervisão e fiscalização das vias de tráfego destinadas ao uso exclusivo de determinados tipos de veículos (transportes coletivos, veículos oficiais, etc.). Sua função é identificar e registrar, através de imagens digitalizadas, os veículos não autorizados que estejam trafegando nas vias exclusivas, sendo caracterizado por possuir detectores de veículo que realizam a coleta de dados através de sensores permitindo desde a identificação da presença um veículo num dado local e instante, bem como a sua caracterização em termos de parâmetros de comprimento e opcionalmente, peso, altura, velocidade e outras informações concernentes ao veículo detectado. Os dados capturados pelo detector de veículo são transmitidos eletronicamente para um computador local. O computador local recebe os dados dos detectores de veículo, as imagens das câmeras de vídeo, os processa e alimenta uma base de dados com as informações recebidas e processadas. O computador local tem capacidade de operar, simultaneamente, com diversos detectores de veículo e câmeras de vídeo. O equipamento objeto da PI0106699 é caracterizado por utilizar meio de comunicação que permite o intercâmbio de dados entre o computador local e a central de processamento. O meio de comunicação corresponde a qualquer tecnologia empregada comercialmente que permita a interligação de computadores, tais como, linhas telefônicas comuns, fibra ótica, linha privada, transmissão de rádio, conexões de redes locais ou remotas de computadores, entre outras. O equipamento objeto da PI0106699 é caracterizado ainda por poder possuir uma central de processamento que realiza o tratamento final das informações coletadas no computador local. A central de processamento tem capacidade para processar, simultaneamente, as informações provenientes de diversos computadores locais, e seu porte varia de um único computador a diversos computadores e demais acessórios de uma rede de computadores. Como produto final do equipamento objeto da patente PI0106699, tem-se na central de processamento a supervisão remota em tempo real dos veículos, a identificação automática dos veículos, em especial aqueles cujas características capturadas pelo detector de veículo não condizem com os padrões permitidos para tráfego (identificação dos veículos infratores), a geração de informações para emissão de autos de infração (multas) contemplando a imagem digitalizada do veículo no local e instante da ocorrência, os dados cadastrais do veículo com sua placa identificada através da imagem (por digitação manual ou reconhecimento automático quando utilizadas ferramentas de reconhecimento automático de caracteres), a emissão dos autos de infração, geração de dados e relatórios estatísticos para estudos do comportamento e utilização da região monitorada, entre outras informações que poderão ser facilmente geradas pelo processamento e cruzamento das informações obtidas.

[021] A patente estadunidense US 4.560.016 revela um método e aparato para medir o peso de um veículo em movimento, onde uma fibra ótica é embutida numa matriz, tal como um tapete de borracha, e uma multiplicidade de dispositivos de fixação em micro-dobraduras é distribuída ao longo do trajeto da fibra ótica. Assim, à medida que as rodas de um veículo passam sobre o tapete, a força das rodas faz com que os dispositivos de fixação com micro-dobraduras se comprimam juntos e atenuem a luz que é transmitida através da fibra ótica. A luz transmitida através da fibra ótica proveniente de uma fonte de luz em uma extremidade da fibra é recebida por um receptor de luz na outra extremidade da fibra ótica. Em seguida, medindo a quantidade de entrada de luz e a quantidade líquida de saída de luz e calibrando o dispositivo, o peso de cada eixo e o peso do veículo acima desse eixo podem ser medidos.

[022] A patente chinesa CN2924496 revela um dispositivo para pesagem dinâmica de eixo de veículo por grelha de fibras óticas, que compreende uma fonte de laser. O terminal de saída da fonte de laser está ligado a uma primeira extremidade do acoplador de fibra, e uma terceira extremidade do acoplador de fibra conectada com o modulo de comprimento de onda da grelha de fibra, modulo de conversão fotoelétrico, equipamento de aquisição de dados e PC industrial. O elemento sensor de pressão hidráulica é composto por cabeça sensora de pressão na grelha de fibra, conjunto de válvula hidráulica e mangueira hidráulica. A cabeça sensora de pressão da grade de fibra é feita de poliéster epóxi para prender a fibra nos dois lados da grelha de detecção em um calço flexível de metal, e o calço é ligado ao conjunto de válvula hidráulica que é comunicada com a mangueira hidráulica.

[023] A patente chinesa 206618472 revela um sensor de pesagem multiestágio de grelha de fibras óticas baseada em uma estrutura de haste telescópica que compreende a estrutura do corpo de caixa de sensoriamento múltiplo de fonte de luz, divisor ótico, medidor de energia ótica, trajetória de luz de demodulação e link telescópico. Onde a estrutura interna da caixa inclui: placa de pesagem superior, mola de suporte, orifício de controle de posição, presilha, borne da alavanca, feixe cantilever, elo telescópico. A superfície é colada, respectivamente, e possui uma grade de fibras sobre o feixe cantilever. Carga de peso faz com que o feixe cantilever sofra deformação, transmitida através do link telescópico, e alterações de valor de energia de saída de luz de demodulação, permitem realizar a medição do peso através de cálculos. O projeto do sensor é multiestágios, juntamente com a adição de massa de carga e das condições de operação que entram, respectivamente, em diferentes níveis a serem fornecidos com o protetor de carga excessiva. Esta estrutura conseguiu melhorar a faixa de medição ao garantir a potência de resolução das medições do sensor.

[024] A patente chinesa CN208254420 revela um equipamento de fibras óticas distribuídas, para medir deformações no solo, configurada na extremidade de fibra ótica, alinhada à placa de ancoragem fixa de uma pluralidade de fibras óticas na parte inferior da extremidade de fibra ótica, sendo a placa de ancoragem fixa de fibra ótica o ponto de referência, a ser equipado com furo de fibra de sensoriamento e furo de fibra ótica de medição de temperatura na placa de ancoragem fixa da fibra ótica, de modo que ela se move junto com o corpo do solo para realizar a medição de carga em tempo real através da fibra de detecção e a variação de temperatura de modo a realizar a correção de compensação de temperatura, a deformação interior que o solo atinge.

[025] As tecnologias reveladas pelas patentes atualmente existentes, em relação à tecnologia da presente patente, apresentam limitações, inconvenientes e desvantagens de:

[026] Nas patentes WO2001027569A1, EP20110160916, US07410764 e US11425392 as metodologias de medição empregam transdutores mecânicos baseados em placas de deflexão para transformar a força peso em deformação mecânica da fibra ótica. De uma maneira geral esse tipo de sensor tem dimensões grandes, são altamente intrusivos ao pavimento, têm requerimentos de geometria altamente exigentes no que tange à instalação e, ainda, são complexos para serem manufaturados.

[027] As patentes GB2056672A e RO127980 empregam a medição da variação da intensidade luminosa da luz que trafega pela fibra ótica como método de medição. A variação da intensidade ocorre através do estrangulamento da fibra ótica por meio de mecanismo com a passagem de veículo sobre a fibra. Essa técnica é susceptível a flutuações da fonte ótica e dos componentes de detecção sendo, além de cabos e conexões, assim, imprecisa e não utilizável em sistemas metrológicos.

[028] A patente US10467075 reporta o emprego de sistema de medição acústica distribuída para o monitoramento de parâmetros rodoviários. Essa técnica é baseada em medições das emissões acústicas oriundas dos veículos e da interação dos veículos com o pavimento.

[029] A patente US5260520 reporta o encapsulamento da fibra ótica por material elastomérico, sendo este o elemento de transdução. Um dos grandes problemas desse tipo de material é a dependência com a temperatura que altera as taxas de deformação. Em temperaturas mais elevadas, como aquelas encontradas em pavimentos, o material pode saturar antes do fim da escala de medição, restringindo, assim, a faixa de operação do sensor.

[030] A patente CN 20096255 utiliza transdutor mecânico baseado em placa de aço inoxidável e barra polimérica para detectar vibração. Esse projeto apresenta alta complexidade mecânica, alta dependência com a temperatura além de ter dimensões grandes e ser, logo, altamente intrusivo ao pavimento.

[031] Mais recentemente, o depositante da presente patente depositou a patente brasileira BR 102017017613-4 denominada “Sistema de monitoramento de pesagem dinâmica e de velocidade de veículos em pista” que revelou tecnologia de fibra ótica em configurações de montagem únicas com sensores pontuais e quasi-distribuídos, que permitem resposta rápida, para a medição de deformação, vibração, temperatura e pressão, ser encapsulados de modo a realçar a sensibilidade às variáveis de interesse, facilitar o processo de instalação e/ou proteger a fibra ótica sensora, empregar materiais específicos podendo ser instalados com configurações avançadas de redes óticas e com vantagens de possuir custo inferior e vida útil prolongada se comparada aos demais; os sensores poderem ser multiplexados; possuírem alta resolução espacial transversalmente ao pavimento; a tecnologia de fabricação ser simples e barata e transferível em função de custos associados. A patente apresentada difere da patente BR 102017017613-4 em três principais aspectos, sendo eles: a utilização de sensor contínuo e não pontual e quasi-distribuído; o efeito físico no qual a medição se baseia é o interferométrico, e não no tempo de vôo e medição da variação de comprimento de onda; e, por fim, apresenta uma evolução significativa no método de fabricação e montagem do sensor de peso, o que reduz custos e aumenta o rendimento do lote de fabricação.

[032] “SISTEMA DE PESAGEM EM MOVIMENTO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES BASEADO EM SENSORES FLEXÍVEIS E A FIBRA ÓTICA”, objeto da presente patente, foi desenvolvido para superar as limitações, inconvenientes e desvantagens das tecnologias existentes para pesagem dinâmica, monitoramento de variáveis físicas em pistas de rodagem, através de sensor que utiliza interferometria ótica guiada para medição e construído em material compósito como fibra de carbono, de vidro ou de aramida de qualquer gramatura ou trama, para tornar possível a medição dos parâmetro com alta precisão de maneira mais confiável e simples, com vantagens de poder se instalado e moldar-se em qualquer pavimento, minimamente intrusivo, baixas interferências, baixo custo, vida útil prolongada, pode ser multiplexado, e tecnologia de fabricação simples e com menor custo em relação ao demonstrado no estado da arte.

[033] O sensor da presente patente resolveu os seguintes problemas técnicos da seguinte maneira:

[034] A) Os sensores atuais quando instalados nas vias, devido ao tráfego, sofrem desgaste. Resolvido pelo presente invento através de um sistema composto por material compósito e fibra ótica, o seu desgaste ocorre conforme o desgaste da pista. Essa característica minimiza a chance da exposição de bordas ou quinas metálicas na rodovia que possam desestabilizar os veículos passantes, aumentando assim, a segurança.

[035] B) Os sensores atuais devido ao seu método de funcionamento, com componentes metálicos e a base de eletricidade sofrem interferências eletromagnéticas. Resolvido pelo presente invento através de elementos de sensoriamento imunes a interferências eletromagnéticas conduzidas ou irradiadas, devido as características inerentes da fibra ótica, diferente de outras tecnologias que funcionam a base de condutores metálicos.

[036] C) Os sensores atuais necessitam sua instalação próxima ao sistema de pesagem devido interferências e ruídos em sua transmissão. Resolvido pelo presento invento através de sensores de baixa atenuação, inferior a 0.05 dB/km, devido a fibra ótica.

[037] D) Os sensores atuais tem baixa segurança contra ataques, interferência de equipamentos terceiros, podendo assim ter alteração em suas medições. Resolvido pelo presente invento através de do efeito de modulação no sinal, que atua como uma camada de segurança adicional.

[038] Para melhor compreensão da presente patente são anexadas as seguintes figuras:
Figura 1., que mostra o diagrama em blocos detalhado do sistema da presente patente;
Figura 2., que mostra o diagrama em blocos geral do sistema da presente patente;
Figura 3., que mostra o diagrama em blocos do processo de software realizado pelo sistema da presente patente;
Figura 4., que mostra a montagem do invólucro (1-E) do sensor de peso (1) da presente patente;
Figura 5., que mostra a vista superior da instalação dos sensores de peso (1), temperatura (4-A), presença (3-A) e demais equipamentos utilizados no sistema da presente patente;
Figura 6., que mostra a vista em perspectiva transparente do sensor de peso (1) da presente patente instalado no pavimento (P);
Figura 7., que mostra a vista do corte transversal I da Fig.8, do sensor de peso (1) da presente patente;
Figura 8., que mostra a vista do corte transversal II da Fig.8, do sensor de peso da (1) presente patente;
Figura 9., que mostra a vista do corte transversal III da Fig.8, do sensor de peso (1) da presente patente;
Figura 10., que mostra os componentes do processo de fabricação do sensor de peso (1) da presente patente; e
Figura 11., que mostra os resultados dos estágios de fabricação do sensor de peso (1) da presente patente.

[039] O sensor da presente patente, ainda traz as seguintes vantagens:

a) Método de produção simples;
b) Tamanho compacto;
c) Funciona com base na detecção da fase de onda ótica não sofrendo interferências;
d) Extensa vida útil;
e) Pode ser instalado e se integrar em qualquer tipo de pavimento; e
f) Feito de material não prejudicial aos veículos em caso de remoção do pavimento.

[040] De acordo com a figura 2, o sistema de pesagem em movimento para veículos automotores baseado em sensores flexíveis e a fibra ótica é constituído de sensor(es) de peso (1) conectado(s) por cabo ótico multivia (C) com o equipamento de emissão e detecção óticas (2); equipamento de emissão e detecção óticas (2), conectado paralelamente aos sensor(es) de presença (3), e sensor de temperatura (4) e todos ligados ao equipamento de processamento e apresentação de informações (5).

[041] Tal como apresentado nas figuras 1 e 6, um sensor de peso (1) é composto por um acoplador ótico de entrada direito (1-A-1) e esquerdo (1-A-2) do tipo acoplador de taper duplo (ATD) ou acoplador de guia de onda planar (AGOP), mas não se limitando a estes, conectados unidirecionalmente as referência óticas (1-B-1) e (1-B-2), sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2) e através do cabo ótico multivia (C) ao fotoemissor (2-A); por referência ótica direita (1-B-1) e referência ótica esquerda (1-B-2), de material de fibra ótica, conectados unidirecionalmente aos acopladores óticos de entrada (1-A-1) e (1-A-2) e aos acopladores óticos de saída (1-C-1) e (1-C-2); por acoplador ótico de saída direito (1-C-1) e acoplador ótico de saída esquerdo (1-C-2), do tipo acoplador taper duplo (ATD) ou acoplador de guia de onda planar (AGOP), mas não se limitando a estes, conectados unidirecionalmente às referências óticas (1-B-1) e (1-B-2), aos sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2) e através do cabo ótico multivia (C) ao fotodetector (2-B); por sensor ótico direito (1-D-1), do tipo de fibra ótica mono ou multimodo, conectado unidirecionalmente aos acopladores óticos de entrada e saída direito (1-A-1), (1-C-1), e por sensor ótico esquerdo (1-D-2), do tipo de fibra ótica mono ou multimodo, conectado unidirecionalemnte aos acopladores óticos de entrada e saída esquerdo (1-A-2), (1-C-2); por um invólucro (1-E) de material escolhido entre metálico, plástico e compósito, preenchido por material de amortecimento (1-G) de borracha siliconada, que protege e isola os componentes referência do sensor: acopladores óticos de entrada (1-A-1, 1-A-2), referências óticas (1-B-1, 1-B-2), e acopladores óticos de saída (1-C-1, e 1-C-2) de vibrações e impactos; tais componentes referência são montados em uma bandeja (1-H); as duas hastes flexíveis (1-F-1 e 1-F-2) de material compósito de resina e fibra de vidro, de carbono ou de aramida são fixadas ao invólucro (1-E); sensor de peso (1) é conectado ao equipamento de emissão e detecção óticas (2) através de cabo ótico multivia (C).

[042] Conforme a figura 1 o equipamento de emissão e detecção óticas (2) é composto por um fotoemissor (2-A) do tipo diodo emissor de luz (LED) ou diodo laser, mas não limitado a estes, conectado unidirecionalmente ao acoplador ótico de entrada direita (1-A-1) e esquerdo (1-A-2) através de um cabo ótico multivia (C); por fotodetector (2-B), do tipo por avalanche, mas não se limitando a este, conectado ao acoplador ótico de saída (1-D) do sensor de peso (1) através do cabo ótico multivia (C); por filtro passa altas (2-C), do tipo ativo ou passivo, analógico ou digital, conectado após o fotodetector (2-B); por grampeador (2-D), do tipo ativo ou passivo, analógico ou digital, conectado após o filtro passa altas (2-C); por buffer (2-E), do tipo ativo ou passivo, analógico ou digital, interligado ao grampeador (2-D); por seguidor de pico (2-F), do tipo ativo ou passivo, analógico ou digital, ligado ao buffer (2-E); por gerador de referência (2-G), do tipo ativo ou passivo, analógico ou digital, conectado ao seguidor de pico (2-F); e por disparador de Schmitt (2-H) do tipo ativo ou passivo, analógico ou digital, conectado paralelamente ao buffer e ao gerador de referência (2-G).

[043] Sensor de presença (3) é composto por sonda de presença (3-A), do tipo laços indutivos, mas não limitado a este, conectado ao processador (3-B) que realiza o interfaceamento das variáveis gatilhos de presença (GP) e velocidade (V), tal como apresentado nas figuras 1 e 3.

[044] Sensor de temperatura (4) é composto por uma sonda de temperatura (4-A), do tipo termômetro digital ou analógico, mas não se limitado a estes, que é conectada ao processador (4-B) que realiza o interfaceamento da variável temperatura (T), tal como apresentado nas figuras 1 e 3.

[045] Equipamento de processamento e apresentação de informações (5) conectado ao equipamento de emissão e detecção (2), sensor de presença (3) e sensor de temperatura (4) e é composto por uma máquina que processa informações, computador ou sistema dedicado com processador com programa lógico gravado. Esta máquina contém um programa lógico especialmente desenvolvido para o funcionamento do sistema da presente patente. O programa realiza interfaceamento de frequências, sinais emitidos pelos sensores, gerando os dados e resultados desejados pelo inventor.

[046] O programa de computador está inserido no Equipamento de processamento e apresentação de informações (5), tendo seu processo na seguinte sequência (figura 3):

5.a) O sinal binário que advém do disparador de Schmitt (2-H) é capturado através de um conversor analógico-digital ou de pinos de entrada sensíveis a borda. As frequências instantâneas do sinal variável em fase, que são o inverso da diferença temporal entre bordas de subida ou entre as bordas de descida deste sinal, são armazenadas em um vetor de frequências;
5.b) Sobre o vetor de frequências é aplicado um algoritmo de detecção de pico de frequência (PF), que descreve o exato momento em que uma roda/eixo está sobre o sensor de peso (1). O PF detectado é temporalmente carimbado e uma janela com duração fixa ou não é aberta nos seus entornos;
5.c) Cada roda/eixo janelado é integrado e o valor resultante da integração é uma variável de entrada para a curva de estimação de peso;
5.d) Com os valores da integração obtidos em 5.c), da temperatura T, obtida em 4-B), e da velocidade (V), obtida em 4-B), é realizado o cálculo de peso por eixo;
5.e) Com os valores de peso por eixo, obtidos em 5.d), e a distância entre eixos, é possível calcular o peso por grupo de eixos; e
5.f) Por fim, com os valores de peso por grupo de eixo, obtidos em 5.e), e os momentos quando os veículos iniciam e terminam temporalmente, gatilhos de presença (GP), obtidos em 3-B), é possível calcular o peso bruto total.

[047] O conjunto de sensores, sensor(es) de peso (1), sensor(es) de presença (3) e o sensor de temperatura (4), são instalados no pavimento como mostrado na figura 5. A configuração de instalação dos sensores do sistema pode seguir o formato apresentado na figura 5 ou ainda outras variações de posicionamento. Quando um veículo trafega pela região de medição (RM), a temperatura do pavimento e os sinais proporcionais ao peso por eixo e a velocidade do veículo sofrem transdução, tais sinais são encaminhados ao equipamento de processamento e apresentação de informações (5). Após processamento matemático, é registrado o peso por roda, por eixo, por grupo de eixo, e o peso bruto total do veículo.

[048] Figuras 5, 6, 7, 8 e 9 exemplificam a instalação do sensor junto ao pavimento, demonstrando detalhadamente os cortes (I, II, III), com os componentes do sistema instalados, sendo eles: pavimento (P), profundidade haste (PH), largura trincheira (LT), profundidade trincheira - seção haste (PTH), resina (R), haste (1-F-1 ou 1-F-2), invólucro (1-E), cabo ótico multivia (C), profundidade trincheira - seção invólucro (PTI), largura cabo ótico multivia (LC), mostrando ainda a região de monitoramento (RM) e o sentido de tráfego (ST).

[049] O funcionamento do sistema da presente patente ocorre na seguinte sequência:

Aa) O acoplador de entrada (1-A-1 e 1-A-2) divide o sinal ótico gerado pelo fotoemissor (2-A). As parcelas dessa divisão são direcionadas aos sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2) para as referências óticas (1-B-1) e (1-B-2). O veículo, ao transitar sobre o aparato, exerce forças sobre o pavimento de tal maneira que estas são transmitidas para as hastes direita (1-F-1) e esquerda (1-F-2), as quais proporcionalmente são flexionadas; as hastes, por sua vez, transmitem o esforço sofrido para os sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2), mas não para as referências óticas (1-B-1) e (1-B-2). Os sinais dos sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2) e das referências óticas (1-B-1) e (1-B-2) sofrem interferência e o sinal resultante emitido pelos acopladores óticos de saída direito (1-C-1) e/ou esquerdo (1-C-2), é proporcional às forças exercidas no pavimento e captado pelo fotodetector (2-B);
Ab) O circuito fotodetector (2-B) transforma o sinal no domínio ótico para o elétrico e possui ganho ajustável, o que permite que perdas no caminho ótico sejam compensadas. O sinal elétrico é encaminhado para um filtro passa altas (2-C);
Ac) O filtro passa altas (2-C) remove as baixas frequências que fazem com que o sinal elétrico flutue em função da temperatura. Esse sinal filtrado, acrescido de um nível de corrente contínua conhecido (gerado através de um grampeador (2-D)) é encaminhado para um buffer (2-E);
Ad) O buffer (2-E) realiza a transferência do um sinal de uma região de alta impedância para outra de baixa impedância, transmitindo o sinal resultante paralelamente para o seguidor de pico (2-F) e para um disparador de Schmitt (2-H);
Ae) O seguidor de pico (2-F) gera um sinal cópia da envoltória do sinal emitido pelo buffer (2-E), que é encaminhado para um gerador de referência (2-G);
Af) O gerador de referência (2-G), gera tensões de referência dinâmicas, que se baseiam em porcentagens da intensidade de tensão da envoltória do sinal gerado por (2-F). Tais tensões são utilizadas como níveis de comparação para o disparador de Schmitt (2-H); e
Ag) Utilizando-se dos sinais dos processos (Ad) e (Af), o disparador de Schmitt (2-H) gera uma sequência binária com mesma fase e frequência do sinal captado no processo (Aa). Por fim, o sinal binário é enviado para o equipamento de processamento e apresentação de informações (5).

[050] Em relação ao sensor de peso (1) e sua fabricação, estes são descritos através das etapas fabricação de base (Fb), fabricação de hastes (Fh) e montagem do sensor (M), as quais são definidas a seguir (figuras 4, 10 e 11):

[051] Fabricação de base (Fb):

Fb1) Cortar três retângulos de fibra de carbono, de vidro ou de aramida, um retângulo de plástico, um retângulo de tela de sombreamento e um retângulo de peel ply;
Fb2) Encerar a face superior do molde inferior (9) e remover o excesso de cera com uma politriz;
Fb3) Colar fita dupla face (10) demarcando uma região retangular no centro de (9). Posicionar uma espira de plástico (8) em um dos lados e acoplar a mangueira de admissão do sistema de controle de vácuo (7);
Fb4) No centro da região demarcada em Fb3), aplicar três camadas alternadas de manta fibrosa e de resina epóxi. No topo da pilha, aplicar o peel ply e a tela de sombreamento (12). Finalizar a montagem selando o sistema com a tela de plástico para vácuo (11) colada na fita dupla face (10);
Fb5) Fechar o molde, iniciar a sistema de controle de vácuo (7) e o sistema de controle de temperatura (6). O vácuo deve ser mantido de 30 a 40 minutos. O processo de cura controlado por temperatura possui etapas que são descritas conforme a Tabela 1; e

[052] Tabela 1. Temporizações das etapas de controle de temperatura do processo de cura.

[053]

Fb6) Após o término do processo de cura controlado por temperatura, aguardar o sistema atingir temperatura ambiente. Abrir o molde, remover o plástico, tela de sombreamento, e o peel ply. Remover a chape base (13) fabricada e reservá-la em bancada. Remover a espira de plástico (8), a fita dupla face (10) e a mangueira do sistema de controle de vácuo (7).

[054] Fabricação de hastes (Fh):

Fh1) Com auxílio de um gabarito, demarcar as regiões de posicionamento das fibras óticas e das regiões de corte. Remover o gabarito e resinar a fibra ótica sobre as regiões demarcadas. Reservar a chapa base com fibras óticas (14);
Fh2) Cortar três retângulos de manta de fibra (de carbono, de vidro ou de aramida), um retângulo de plástico, um retângulo de tela de sombreamento e um retângulo de peel ply;
Fh3) Colar fita dupla face (10) demarcando uma região retangular no centro de (9). Posicionar uma espira de plástico (8) no comprimento de um dos lados e acoplar a mangueira de admissão do sistema de controle de vácuo (7);
Fh4) No centro da região demarcada em Fh3), montar a chapa base com fibras óticas (14) e aplicar quatro camadas alternadas de resina epóxi e três de manta fibrosa. No topo da pilha, aplicar o peel ply e a de tela de sombreamento. Finalizar a montagem selando o sistema com uma tela de plástico para vácuo (11) colada na fita dupla face (10);
Fh5) Fechar o molde, iniciar a sistema de controle de vácuo (7) e o sistema de controle de temperatura (6). O vácuo deve ser mantido de 30 a 40 minutos. O processo de cura controlado por temperatura possui etapas que são descritas conforme a Tabela 1;
Fh6) Após o término do processo de cura controlado por temperatura, aguardar o sistema atingir temperatura ambiente. Abrir o molde, remover o plástico, tela de sombreamento, e o peel ply. Remover a chapa final (15) fabricada e reservá-la em bancada. Remover a espira de plástico, a fita dupla face e a mangueira do sistema a vácuo; e
Fh7) Cortar as regiões demarcadas em Fh1) utilizando processo de corte adequado (jato d’água, laser, esmeril, ou por lâminas). O resultado do corte é a produção de hastes (16), que podem ser usadas como hastes direitas (1-F-1) ou esquerdas (1-F-2).

[055] Montagem (M) do sensor do sensor de peso (1) se dá na seguinte sequência:

M1) Testar a continuidade das fibras óticas dentro das hastes (16) com caneta a laser; se a haste estiver adequada, remover o excesso de cera e envernizá-la;
M2) Separar o invólucro (1-E);
M3) Dentro dele montar a bandeja (1-H);
M4) Colar as hastes (16) nas extremidades superiores direita e esquerda da base do invólucro (1-E-D e 1-E-E) com cianocrilato;
M5) Separar cabo ótico multivia (C), em uma das terminações, decapar um pedeço, colar a extremidade decapada do cabo ótico multivia (C) na extremidade inferior direita da base do invólucro (1-E-C);
M6) Posicionar na bandeja (1-H) os acopladores óticos de entrada (1-A-1 e 1-A-2), de saída (1-C-1 e 1-C-2) e duas seções de referências ótica (1-B-1 e 1-B-2) e realizar as emendas nos componentes óticos;
M7) Preencher o invólucro com material de amortecimento (1-G), borracha siliconada, e colar a tampa do invólucro (1-E-2) na base do invólucro (1-E-1) com adesivo bicomponente à base de resina epóxi;
M8) Esperar a cura completa do adesivo e testar o sensor;
M9) Aplicar termo retrátil nas regiões 1-E- E, 1-E-D e 1-E-C; e
M10) Identificar o sensor com número de série e armazenar em local apropriado.

Claims

“SISTEMA DE PESAGEM EM MOVIMENTO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES BASEADO EM SENSORES FLEXÍVEIS E A FIBRA ÓTICA” , constituído de: um ou mais sensor(es) de peso (1) conectado(s) com o equipamento de emissão e detecção óticas (2) através de cabo ótico multivia (C); equipamento de emissão e detecção óticas (2) conectado ao equipamento de processamento e apresentação de informações (5); sensor(es) de presença (3) e sensor de temperatura (4) ambos conectados ao equipamento de processamento e apresentação de informações (5), caracterizado por, sensor de peso (1), composto por um invólucro (1-E) de material escolhido entre metálico, plástico e compósito, preenchido por material de amortecimento (1-G) de borracha siliconada, que protege e isola os componentes referência do sensor: acopladores óticos de entrada (1-A-1, 1-A-2), referências óticas (1-B-1, 1-B-2), e acopladores óticos de saída (1-C-1, e 1-C-2) de vibrações e impactos; tais componentes referência são montados em uma bandeja (1-H); as duas hastes flexíveis (1-F-1 e 1-F-2) de material compósito de resina e fibra de vidro, de carbono ou de aramida são fixadas ao invólucro (1-E); sensor de peso (1) é conectado ao equipamento de emissão e detecção óticas (2) através de cabo ótico multivia (C).
“PROCESSO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE PESAGEM EM MOVIMENTO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES BASEADO EM SENSORES FLEXÍVEIS E A FIBRA ÓTICA”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por, o sensor de peso (1) capta esforços físicos proporcionais ao peso sob avaliação através dos efeitos inerentes ao fenômeno de interferometria ótica: fase, frequência e/ou intensidade (e suas variações) da onda ótica.
“PROCESSO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DE MEDIÇÃO COM SENSOR POR DEFORMAÇÃO PARA PESAGEM DINÂMICA DE VEÍCULOS ATRAVÉS DE USO DE FIBRA ÓTICA”, de acordo com a reinvindicação 1, caracterizado por, processo de operação do sistema da presente patente se dá na seguinte sequência:
- Aa) O acoplador de entrada (1-A-1 e 1-A-2) divide o sinal ótico gerado pelo foto emissor (2-A); as parcelas dessa divisão são direcionadas aos sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2) para as referências óticas (1-B-1) e (1-B-2); o veículo, ao transitar sobre o aparato, exerce forças sobre o pavimento de tal maneira que estas são transmitidas para as hastes direita (1-F-1) e esquerda (1-F-2), as quais proporcionalmente são flexionadas; as hastes, por sua vez, transmitem o esforço sofrido para os sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2), mas não para as referências óticas (1-B-1) e (1-B-2); os sinais dos sensores óticos (1-D-1) e (1-D-2) e das referências óticas (1-B-1) e (1-B-2) sofrem interferência e o sinal resultante emitido pelos acopladores óticos de saída direito (1-C-1) e/ou esquerdo (1-C-2), é proporcional às forças exercidas no pavimento e captado pelo fotodetector (2-B);
- Ab) O circuito fotodetector (2-B) transforma o sinal no domínio ótico para o elétrico e possui ganho ajustável, o que permite que perdas no caminho ótico sejam compensadas; o sinal elétrico é encaminhado para um filtro passa altas (2-C);
- Ac) O filtro passa altas (2-C) remove as baixas frequências que fazem com que o sinal elétrico flutue em função da temperatura; esse sinal filtrado, acrescido de um nível de corrente contínua conhecido, gerado através do grampeador (2-D), é encaminhado para um buffer (2-E);
- Ad) O buffer (2-E) realiza a transferência do um sinal de uma região de alta impedância para outra de baixa impedância, transmitindo o sinal resultante paralelamente para o seguidor de pico (2-F) e para um disparador de Schmitt (2-H);
- Ae) O seguidor de pico (2-F) gera um sinal cópia da envoltória do sinal emitido pelo buffer (2-E), que é encaminhado para um gerador de referência (2-G);
- Af) O gerador de referência (2-G), gera tensões de referência dinâmicas, que se baseiam em porcentagens da intensidade de tensão da envoltória do sinal gerado por (2-F); tais tensões são utilizadas como níveis de comparação para o disparador de Schmitt (2-H);
- Ag) Utilizando-se dos sinais dos processos (Ad) e (Af), o disparador de Schmitt (2-H) gera uma sequência binária com mesma fase e frequência do sinal captado no processo (Aa); e
- Ah) Por fim, o sinal binário junto dos sinais dos sensores de presença (3) e temperatura (4) são enviados para o equipamento de processamento e apresentação de informações (5).
“PROCESSO DE OPERAÇÃO DO SISTEMA DE PESAGEM EQUIPAMENTO DE PROCESSAMENTO E APRESENTAÇÃO DE INFORMAÇÕES EM MOVIMENTO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES BASEADO EM SENSORES FLEXÍVEIS E A FIBRA ÓTICA”, caracterizado por, programa inserido no equipamento de processamento e apresentação de informações (5), tendo seu processo de operação na seguinte sequência:
- 5.a) O sinal binário que advém do disparador de Schmitt (2-H) é capturado através de um conversor analógico-digital ou de pinos de entrada sensíveis a borda; As frequências instantâneas do sinal variável em fase, que são o inverso da diferença temporal entre bordas de subida ou entre as bordas de descida deste sinal, são armazenadas em um vetor de frequências;
- 5.b) Sobre o vetor de frequências é aplicado um algoritmo de detecção de pico de frequência (PF) do tipo detecção por derivada ou similar, que descreve o exato momento em que uma roda/eixo está sobre o sensor de peso (1); o pico de frequência (PF) detectado é temporalmente carimbado e uma janela com duração fixa ou não é aberta nos seus entornos;
- 5.c) Cada roda/eixo janelado é integrado e o valor resultante da integração é uma variável de entrada para a curva de estimação de peso;
- 5.d) Com os valores da integração, obtido em 5.c), da temperatura T, obtida em 4-B), e da velocidade V, obtida em 4-B), é realizado o cálculo de peso por eixo;
- 5.e) Com os valores de peso por eixo, obtidos em 5.d), e a distância entre eixos, é possível calcular o peso por grupo de eixos; e
- 5.f) Por fim, com os valores de peso por grupo de eixo, obtidos em 5.e) e os momentos quando os veículos iniciam e terminam temporalmente, gatilhos de presença (GP), obtidos em 3-B), é possível calcular o peso bruto total.
“SISTEMA DE PESAGEM EM MOVIMENTO PARA VEÍCULOS AUTOMOTORES BASEADO EM SENSORES FLEXÍVEIS E A FIBRA ÓTICA”, caracterizado por montagem (M) do sensor de peso (1) se dá na seguinte sequência:
- M1) Testar a continuidade das fibras óticas dentro das hastes (16) com caneta a laser; se a haste estiver adequada, remover o excesso de cera e envernizá-la;
- M2) Separar o invólucro (1-E);
- M3) Dentro dele montar a bandeja (1-H);
- M4) Colar as hastes (16) nas extremidades superiores direita e esquerda da base do invólucro (1-E-D e 1-E-E) com cianocrilato;
- M5) Separar cabo ótico multivia (C), em uma das terminações, decapar um pedaço, colar a extremidade decapada do cabo ótico multivia (C) na extremidade inferior direita da base do invólucro (1-E-C);
- M6) Posicionar na bandeja (1-H) os acopladores óticos de entrada (1-A-1 e 1-A-2), de saída (1-C-1 e 1-C-2) e duas seções de referências ótica (1-B-1 e 1-B-2) e realizar as emendas nos componentes óticos;
- M7) Preencher o invólucro com material de amortecimento (1-G), borracha siliconada, e colar a tampa do invólucro (1-E-2) na base do invólucro (1-E-1) com adesivo bicomponente à base de resina epóxi;
- M8) Esperar a cura completa do adesivo e testar o sensor;
- M9) Aplicar termo retrátil nas regiões (1-E- E, 1-E-D e 1-E-C); e
- M10) Identificar o sensor com número de série e armazenar em local apropriado.