CN105698908A

CN105698908A - 一种压电式车辆动态称重传感器

Info

Publication number: CN105698908A
Application number: CN201610173318.9A
Authority: CN
Inventors: 侯爽; 田野
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2016-06-22

Abstract

本发明公开了一种压电式车辆动态称重传感器，包括：弹性体，横截面呈“工”字梁形，包括平行设置的上、下端板及连接与所述上、下端板之间的连接部，连接部内沿长度方向设置有密闭腔室；上端传力块和下端传力块，上下连为一体后竖直地安装在密闭腔室内壁底部和顶部之间；FPC，固定于所述上端传力块和下端传力块之间的连接处；压电陶瓷，沿长度方向均匀分布于所述FPC上，并通过FPC实现电路并联连接。本发明为解决现有压电式车辆动态称重传感器称重敏感元件易因受力不均而破损、制作繁琐、人工成本高等问题，采用用FPC，并将焊有称重敏感元件的FPC置于凹槽内，使称重敏感元件受力更均匀更不易破损，制作工艺大为简化。

Description

一种压电式车辆动态称重传感器

技术领域

本发明涉及一种压电式车辆动态称重传感器，具体而言是一种使用柔性电路板(FPC)传输压电信号的易于组装的压电式车辆动态称重传感器。

技术背景

随着我国高速公路网的逐步形成和运输业的快速发展，车辆超限超载现象日益加剧，车辆超限超载给我国公路建设、交通安全和综合经济效益带来巨大的影响。而建立有效的车辆动态称重系统能在不影响车流的情况下对可能超重的车辆进行预警，再对被预警车辆精确称重，从而可对车辆超限超载现象进行监督。近年来，许多国家都对车辆动态称重技术进行了研究，并有一些实际的应用。

现有的压电式车辆动态称重技术中，传感器中的称重敏感元件(压电陶瓷或石英)直接承受由传力块传递的循环冲击荷载，在长时间的受压过程中，称重敏感元件可能会由于受力不均而破损。此外，称重敏感元件通过焊接导线传输压电信号，导线铺设繁琐，人工成本较高。本发明专利所涉及的一种压电式车辆动态称重传感器，可以较好地解决上述问题，为高速公路超重车辆预警提供可靠的保障。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计出一种称重敏感元件受力合理因而耐久度较高,制作工艺简单，人工成本小的车辆动态称重装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种压电式车辆动态称重传感器，包括：

弹性体，横截面呈“工”字梁形，包括平行设置的上、下端板及连接与所述上、下端板之间的连接部，所述连接部内沿长度方向设置有密闭腔室；

上端传力块和下端传力块，上下连为一体后竖直地安装在所述密闭腔室内壁底部和顶部之间；

FPC,固定于所述上端传力块和下端传力块之间的连接处；

压电陶瓷，沿长度方向均匀分布于所述FPC上，并通过FPC实现电路并联连接。

进一步地，所述的下端传力块上沿长度方向设置有用于容纳FPC和压电陶瓷的凹槽。

进一步地，所述凹槽深度大于FPC与压电陶瓷厚度之和。

进一步地，所述凹槽内设置有用于粘结上端传力块和下端传力块的环氧树脂，起到连接、密封和缓冲作用。

进一步地，所述FPC上间隔20～30mm设有用于与压电陶瓷电路焊接的焊点，所有的焊点用电路并联后通过接线端连接外部电路。

进一步地，所述压电陶瓷为直径5～10mm、厚度0.4～0.6mm的圆柱体，其正、负电极设置在同一面上，并用粘贴在电极上的铜片引出正负两极，保证压电陶瓷受力均匀。

进一步地，所述密闭腔室内壁底部沿长度方向设置有用于安装下端传力块的弹性体下部凹槽，顶部沿长度方向设置有用于安装上端传力块3的弹性体上部凹槽。

进一步地，所述弹性体的上端面沿长度方向均匀分布有间距为40～50mm的螺丝孔，所述螺丝孔内设置有用于压紧上端传力块的螺钉单元。

进一步地，所述弹性体的长为800～1000mm。

进一步地，所述密闭腔室的横截面形状为圆形或椭圆形。

相比现有技术，本发明装置的优点在于：

1.传力块的荷载没有直接作用在称重敏感元件上，在冲击荷载作用下称重敏感元件受力均匀，可以得到很好地保护，不易破坏，提高称重敏感元件的使用寿命。

2.用FPC替换传统的导线，以简化传感器的制作工艺。

附图说明

图1是本发明实施例的横截面示意图。

图2是图1中A处放大示意图。

图3是本发明实施例的俯视示意图。

图4是本发明实施例的FPC和压电陶瓷在下端传力块凹槽中的布置位置示意图。

图5是本发明实施例的压电陶瓷结构示意图。

图6是本发明实施例在单车道安装位置俯视示意图。

图7是本发明实施例在单车道安装位置剖视示意图。

图8是本发明实施例的信号采集示意图。

图中：1——弹性体；1-1——弹性体下部凹槽；1-2——弹性体上部凹槽；2——下端传力块；3——上端传力块；4——螺钉单元；5——FPC；5-1——焊点；5-2——电路；5-3——接线端；6——压电陶瓷；7——环氧树脂；8——动态称重传感器；9——行车轮胎轨迹；10——行车方向；11——轮胎；12——电荷放大器；13——数据采集系统。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1所示，一种压电式车辆动态称重传感器，包括弹性体1、下端传力块2、上端传力块3、螺钉单元4、FPC5、压电陶瓷6、环氧树脂7。

所述弹性体1的长为800～1000mm(保证其长度大于任何车型轮胎宽度)，横截面呈“工”字梁形，包括平行设置的上、下端板及连接与所述上、下端板之间的连接部，所述连接部内沿长度方向设置有横截面形状为圆形或椭圆形的密闭腔室，本实施例为圆形。所述密闭腔室内壁底部沿长度方向设置有用于安装下端传力块2的弹性体下部凹槽1-1，顶部沿长度方向设置有用于安装上端传力块3的弹性体上部凹槽1-2。

如图2所示，所述下端传力块2与上端传力块3和弹性体1等长，同时，下端传力块2上沿长度方向设置有用于容纳FPC5和压电陶瓷6的凹槽，所述凹槽深度为0.8～1mm，大于FPC5与压电陶瓷6厚度之和，所述上端传力块3和下端传力块2上下连为一体后竖直地安装在所述密闭腔室内壁的弹性体下部凹槽1-1和弹性体上部凹槽1-2之间。

所述凹槽内设置有用于粘结上端传力块3和下端传力块2的环氧树脂7。

所述FPC5固定于所述上端传力块和下端传力块之间的连接处，宽度20mm，长度比下端传力块2略长。所述压电陶瓷6沿长度方向均匀分布于所述FPC5上，所述FPC5上间隔20～30mm设有用于与压电陶瓷6电路焊接的焊点5-1，所有的焊点5-1用电路5-2并联后通过接线端5-3连接外部电路。

如图5所示，所述压电陶瓷6为直径5～10mm、厚度0.4～0.6mm的圆柱体，其正、负电极设置在同一面上，并用粘贴在电极上的铜片引出正负两极。

如图1和图3所示，所述弹性体1的上端面沿长度方向均匀分布有间距为50mm的螺丝孔，所述螺丝孔内设置有用于压紧上端传力块(3)的螺钉单元4。

如图4所示，本实施例的组装过程如下包括：

将FPC5用AB胶粘贴在下端传力块2凹槽中并留出接线端5-3；AB胶产生一定强度后，把压电陶瓷6粘贴在FPC5的焊点5-1附近适当的位置，使压电陶瓷6上的正负铜片电极能够与焊点5-1焊接；把环氧树脂4饱满涂覆在下端传力块2的凹槽中，将上端传力块3与下端传力块2通过环氧树脂7粘接为一个整体；待环氧树脂7硬化后，把粘接在一起的下端传力块2和上端传力块3置于弹性体1的空腔中内壁的弹性体下部凹槽1-1和弹性体上部凹槽1-2中；再把粘有螺丝胶的螺钉单元4拧入弹性体1的螺丝孔中并压紧上端传力块3，使压电陶瓷6产生一定的预紧力；最后，把FPC5的接线端5-3与数据采集系统用导线相连。

如图6至图8所示，在使用过程中，将本实施例提供的动态称重传感器8垂直行车方向埋设于单侧的行车轮胎轨迹9路面下，在当行驶车辆的轮胎11通过动态称重传感器8时，车轮荷载通过路面面层传递到动态称重传感器8上，即车辆轮胎上的压力作用于动态称重传感器8并通过螺钉单元4将力传递到下端传力块2与上端传力块3，传力块产生应变；当动态称重传感器8内的压电陶瓷6受到外部动力荷载作用时，根据正压电效应，厚度变形模式的压电陶瓷6上下表面会产生等量且电性相反的电荷，电荷量与外力成正比，通过FPC5上的电路5-2、接线端5-3将此电荷通过电荷放大器12转化为电压信号，最后通过数据采集系统13将荷载信号采集存储，通过现场试验建立动态称重传感器8输出与车轮荷载之间的关系，确定动态称重传感器8荷载的灵敏度系数，从而确定行驶中车辆的单侧所有轮重，可以认为车辆两侧所有车轮重量之和相等，将单侧所有轮重乘以2即为各轮重之和，进而得到整车重量，实现动态称重。具体的车重计算方法如下：

W_{g r o s s} = 2 &Integral; &Integral; σ_{i j} d x d y = 2 Σ_{j = 1}^{n} Σ_{i = 1}^{m} &Integral; σ_{i j} d x = \frac{2 V}{S} Σ_{j = 1}^{n} Σ_{i = 1}^{m} &Integral; Q_{i j} d t - - - (1)

其中，W_gross表示车重，V表示车速；σ_ij表示第j个轮胎通过时，第i个压电陶瓷测得的应力，相应的压电陶瓷输出的电荷量为Q_ij；m表示车轮下受压的所有动态称重传感器的数量，n表示车辆一侧的所有车轮数量；S表示动态称重传感器的灵敏度系数，即单位应力作用时压电陶瓷的输出电荷量，可通过现场试验得到。设U表示经过电荷放大器之后动态称重传感器的名义输出电压值，k为电荷放大系数，则车重可以表示为

W_{g r o s s} = \frac{2 V}{S} U - - - (2)

其中，车速可以很容易通过传统的测量手段得到，且动态称重传感器的灵敏度系数不随车速的变化而改变，设动态称重传感器的灵敏度系数为公式(2)可以写成

W_gross＝kU(3)

通过公式(3)，可以直接计算出车重。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化。凡在本发明的精神和原则之内，对发明所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种压电式车辆动态称重传感器，其特征在于，包括：

弹性体(1)，横截面呈“工”字梁形，包括平行设置的上、下端板及连接与所述上、下端板之间的连接部，所述连接部内沿长度方向设置有密闭腔室；

上端传力块(3)和下端传力块(2)，上下连为一体后竖直地安装在所述密闭腔室内壁底部和顶部之间；

FPC(5),固定于所述上端传力块和下端传力块之间的连接处；

压电陶瓷(6)，沿长度方向均匀分布于所述FPC(5)上，并通过FPC(5)实现电路并联连接。

2.根据权利要求1所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述的下端传力块(2)上沿长度方向设置有用于容纳FPC(5)和压电陶瓷(6)的凹槽。

3.根据权利要求2所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述凹槽深度大于FPC(5)与压电陶瓷(6)厚度之和。

4.据权利要求2所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述凹槽内设置有用于粘结上端传力块(3)和下端传力块(2)的环氧树脂(7)。

5.据权利要求1所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述FPC(5)上间隔20～30mm设有用于与压电陶瓷(6)电路焊接的焊点(5-1)，所有的焊点(5-1)用电路(5-2)并联后通过接线端(5-3)连接外部电路。

6.据权利要求1所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述压电陶瓷(6)为直径5～10mm、厚度0.4～0.6mm的圆柱体，其正、负电极设置在同一面上，并用粘贴在电极上的铜片引出正负两极。

7.据权利要求1所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述密闭腔室内壁底部沿长度方向设置有用于安装下端传力块(2)的弹性体下部凹槽(1-1)，顶部沿长度方向设置有用于安装上端传力块(3)的弹性体上部凹槽(1-2)。

8.据权利要求1或7所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述弹性体(1)的上端面沿长度方向均匀分布有间距为40～50mm的螺丝孔，所述螺丝孔内设置有用于压紧上端传力块(3)的螺钉单元(4)。

9.据权利要求1所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述弹性体(1)的长为800～1000mm。

10.据权利要求1所述的压电式车辆动态称重传感器，其特征在于：所述密闭腔室的横截面形状为圆形或椭圆形。