CN107655555B - 具有传感器封装的动态称重传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量车辆在道路上驶过时的车轮作用力的WIM传感器，其具有沿着纵轴线长形构成的、具有内部空间的中空成型件，该内部空间具有第一和第二内按压面，该按压面彼此相对设置并在两侧通过被预紧的弯曲成型件边缘彼此连接；在内部空间中沿着纵轴线设有多个压电测量元件，它们分别具有面对第一或第二按压面的第一和第二力接收面；测量元件被设置在两个接收元件之间，这两个接收元件通过按压面在测量元件上施加预紧力；其中，所有测量元件的第一力接收面通过电极彼此电连接并相对于第一按压面电绝缘；其中，电极被设计为具有单侧配置的导电层的长条状绝缘膜；电极设置在内部空间中在测量元件和第一按压面之间；导电层指向测量元件。

Description

具有传感器封装的动态称重传感器

技术领域

本发明涉及一种WIM(动态称重)传感器，用于测量车辆在道路上驶过时的车轮作用力；其中，WIM传感器具有沿着纵轴线长形构成的中空成型件，该中空成型件具有内部空间，该内部空间具有第一内按压面和第二内按压面，这些按压面彼此相对地设置，并且在两侧通过弯曲的、被预紧的成型件边缘彼此连接；其中，在内部空间中沿纵轴线的方向设置有多个压电测量元件，每个压电测量元件均具有第一力接收面和第二力接收面，这些力接收面面向第一按压面或第二按压面；其中，每个测量元件均被设置在两个接收元件之间，这两个接收元件通过按压面将预紧力施加在测量元件上；并且其中，所有测量元件的第一力接收面均通过电极彼此电连接并且相对于第一按压面电绝缘。

背景技术

这样的WIM传感器被安装在道路中，使其横跨至少一个车道，但优选横跨用于道路车辆的整个车道。已知的还有长至4m的WIM传感器。WIM传感器能够确定所驶过车轮的动态车轮负载，从而能够最终推断出车辆(大多数情况下与挂车一起)的动态总负载，车辆在驶过传感器时会作用在一个或多个WIM传感器上。

目前存在各种式样的、基于不同测量原理的WIM传感器。对于本发明来说重要的是开头部分所述类型的WIM传感器。

在专利文献US5265481A中描述了这种WIM传感器的第一示例。在中空成型件的内部空间中叠置地设有两个压电测量元件。在这两个压电测量元件之间设有电极，该电极使所有这些测量元件彼此连接起来并在中空成型件的端部上与插头或输出导体电连接。在两侧、也就是在测量元件的上方和下方设有支承元件。这些支承元件负责使按压面之间的测量元件被水平地平放在内部空间中。这些按压面在两侧通过成型件边缘彼此连接，并通过使成型件边缘处于张力下来确保在测量元件上作用有均匀的预紧力。

为了实现精确的测量，重要的是使预紧力在WIM传感器的整个长度上强度均匀。为此，必须首先使中空成型件在整个长度上关于成型件边缘的壁厚、按压面相互之间的间隔和按压面的平整度被均匀地设计。此外，被推入到中空成型件中的整个传感器封装也必须在所有测量元件上具有相同的厚度。这除了测量元件本身之外特别是涉及到支承元件和电极。在专利文献US5265481A中，每对测量元件均具有一对支承元件。这种配置方案的组装是相对困难的，因为传感器封装的所有组件必须相对于彼此精确地取向，并且不允许发生位移，直到传感器封装被完全插入到撑开的中空成型件中。

另一个难点涉及到钢电极的使用，这些钢电极将被辊轧以符合厚度公差。这种辊轧会使得带材暂时性地具有弧形形状，该弧形形状蜿蜒经过带材的整个长度。由此虽然遵守了厚度的公差和宽度的公差，但是侧向偏移可能会以每米绝对多于2mm的幅度变化。这会导致很多废料，因为仅可以使用带材的直线延伸的区段，否则会发生侧向短路。

专利文献WO201304080A1描述了一种具有相同测量原理的WIM传感器。其关注于在符合所需公差的情况下以更具成本效益的方式生产传感器封装。这通过在端部侧利用形状配合的连接彼此连接的长形接收元件来实现。由此，一方面可以使用大大得短于WIM传感器的总长度的接收元件，另一方面，通过这种形状配合的连接，可以很容易地将整个传感器封装拉入到中空成型件中。相比于较长的接收元件。实现较短的接收元件的尺寸精度要容易得多。由于这种传感器封装相比于源于专利文献US5265481A的传感器封装在一个测量位置上不是具有测量元件对，而是仅具有一个测量元件，因此使所有测量元件彼此连接的电极要用绝缘件来遮盖。

最后，由专利文献EP0654654A1可知一种如开头部分所述类型的WIM传感器，该WIM传感器具有绝缘板，在该绝缘板上平方有两个不同类型的、并排或叠置设置的测量元件。该绝缘板局部地配设有导线路径(Leitpfaden)。

当电极的绝缘层和导电层被组装成一个单个的部件时，其优点在于：它们不再能够相对于彼此移动。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有较高测量精度的如开头部分所述类型的WIM传感器。此外，该WIM传感器应当在制造时更便宜并且更容易被组装。

本发明的目的通过第一个权利要求的特征来实现。根据本发明，所述电极被设计为长条状的绝缘膜并具有单侧配置的导电层，其中，电极被设置在内部空间中在测量元件与第一按压面之间，并且导电层指向测量元件。

按照本发明的思想，这些组件的总厚度公差可以通过如下的方式来降低：即，将绝缘件与电极一起设计成一个单个的部件，特别是设计为具有导电层的绝缘膜。由于合成材料的厚度公差通常为总厚度的大约10％，因此如果将绝缘件设计为膜，而不是板，就可以大大的减少该公差。此外，当如同根据本发明的装置中所设置的那样将电极作为导电层安放在绝缘膜上时，由于在两个部件(即绝缘件和电极)的部位上仅安装有一个部件，因此可以进一步地减小公差。由于每个部件沿力通量的方向在其两个侧面上均具有一定的不平整性，并且所有这些不平整性一起降低了整个结构的厚度的尺寸精度，所以通过减少部件的数量可以更好地实现所需要的厚度。

相应地，这种改进一方面可以通过减少这些部件、特别是合成材料绝缘件的总厚度来实现，另一方面也可以通过减少部件的数量来实现。导电层被材料配合地安放在绝缘膜上，该绝缘膜承担了电极的技术功能。在下文中也将电极所在的部位称为绝缘膜，因为根据本发明将电极以层的形式安装在该部位上。

为了获得精确的测量结果，优选使用单晶体作为压电测量元件，特别是由石英制成的单晶体。

附图说明

下面参照附图对本发明做详细说明。其中：

图1以示意图示出了安装有WIM传感器的道路，将有车辆驶过该WIM传感器；

图2以横截面图示意性示出了根据现有技术的、被安装在道路中的WIM传感器；

图3分别以横截面图示意性示出了WIM传感器，其具有按照现有技术的传感器封装(a)和根据本发明的实施方式的传感器封装(b)；

图4以横截面图示意性示出了根据本发明的传感器封装，其具有贴靠的按压面；

图5以纵截面图示意性示出了根据本发明的WIM传感器的边缘区域的一部分；

图6a以横截面图示意性示出了根据本发明的一种实施方式的绝缘膜；

图6b示出了根据图6a的绝缘膜的一种替代的实施方式；

图7a以示意图示出了根据图5的截面A-A的、用于保持传感器封装的保持架；

图7b示出了根据图7a的保持架沿截面B-B的示意图。

其中，附图标记列表如下

1 WIM传感器

2 车辆

3 道路

4 纵轴线

5 中空成型件

6 内部空间

7 第一内按压面

8 第二内按压面

9 成型件边缘

10 力导入法兰或力导出法兰

11 灌封材料

12 补偿壁

13 填充材料

14 传感器封装

15 压电测量元件

16 第一力接收面

17 第二力接收面

18 接收元件

19 电极

20 绝缘板

21 绝缘膜

22 导电层

23 防腐保护

24 绝缘的边缘区域

25 导电对置层

26 附加绝缘膜

27 保持架

28 留空

29 夹子

30，30′ 插嵌轨道

具体实施方式

图1示出了道路3，车辆2在该道路上沿箭头方向驶过安装在道路3中的WIM传感器1，该WIM传感器1具有纵轴线4。WIM传感器1的宽度为大约5cm，比车辆2的车轮的支承面窄，其长度通常跨越车辆2的整个轮距，如图1所示地跨越整个道路3。WIM传感器测量车辆2驶过WIM传感器时作用在道路3上的动态负载。

图2以横截面图示意性示出了根据现有技术的WIM传感器1，该WIM传感器被安装在道路3中。该WIM传感器被设计为长形的，在此，其纵轴线4垂直于纸面平面延伸。该WIM传感器1包括中空成型件5，该中空成型件具有内部空间6，在该内部空间的中间设有传感器封装14。带有传感器封装14的中空成型件5也在图3a中示出并标记。在该实施方式中，中空成型件5包括两个力导入法兰10，这两个力导入法兰将所产生的车轮作用力集束地引导穿过传感器封装14。力导入法兰10也被称作力导出法兰10。在上力导入法兰10的表面上安置有材料，一般是灌封材料11，该灌封材料在两侧被软的平衡壁12包围。道路3中的通道也是由类似的灌封材料11浇筑而成，WIM传感器1被插入到该通道中。此外，直接围绕中空成型件5的区域也以软的填充材料13包围，该软填充材料能够阻止在中空成型件5上发生侧向力。

垂直的箭头代表在道路3上驶过WIM传感器1的车轮的力通量。这些力通量集束地延伸穿过传感器封装14，并出现在下力导出法兰10的支承面上。侧向的箭头表示作用在WIM传感器1上的侧向力。这些侧向力被填充材料13以及软补偿壁12吸收。

图3a以横截面图示意性使出了具有相同的中空成型件5的WIM传感器1及其传感器封装14。该WIM传感器具有内部空间6，该内部空间具有第一内按压面7和第二内按压面8，这些按压面彼此相对地设置。这些按压面在两侧通过弯曲的、被预紧的成型件边缘9彼此连接。

在内部空间6中，在这两个按压面7、8之间设置有传感器封装14。该传感器封装包括多个压电测量元件15，这些压电测量元件沿着纵轴线设置。这些压电测量元件各自具有第一力接收面16和第二力接收面17，压电测量元件以这些力接收面面向第一按压面7或第二按压面8，在此，每个测量元件15均被设置在两个接收元件18之间，这些接收元件通过按压面7、8在测量元件15上施加预紧力。所有测量元件的第一力接收面16一方面通过电极19彼此电连接，另一方面相对于第一按压面7电绝缘地设置。优选使用单晶体、特别是石英作为压电测量元件15。

根据本发明的如图3b和图4至图7的实施方式在原理上与根据图1至3的实施方式相符。根据本发明的WIM传感器1优选具有0.5m至4m的总长度。

图3a中示出了根据现有技术的实施方式。该实施方式具有绝缘板20以及电极19，它们被设计为两个部件并根据现有技术被邻接测量元件15地设置。已知的还有一些与根据图3a的变型略微不同的WIM传感器的变型方案。例如，除了如所示出的那样在中空成型件5中将按压面7、8设置在突出部上之外，还可以使按压面7、8如专利文献US5265481所描述的那样直接过渡到成型件边缘9上。

作为与根据现有技术的图3a中所示实施方式的明显区别，在图3b中示出了根据本发明的传感器封装14，在图4中放大地示出了其结构。

根据本发明的WIM传感器1适用于在车辆2驶过道路3时测量车轮作用力。该WIM传感器具有沿着纵轴线4设计为长形的中空成型件5，该中空成型件具有内部空间6，该内部空间具有第一内按压面7和第二内按压面8，这些按压面彼此相对地设置，并在两侧通过弯曲的、被预紧的成型件边缘9彼此连接。

在图4中以横截面图示出了根据本发明的位于内部空间6中的传感器封装14，其中仅示出了中空成型件5的包括第一内按压面7和第二内按压面8的区域。

图5示出了在头两个测量元件15的区域中沿着纵轴线4位于第一内按压面7和第二内按压面8之间的这种内部空间6。下面将参考图3b、图4和图5对本发明进行说明。

在内部空间6中沿着纵轴线4设有多个压电测量元件15，这些压电测量元件各自具有第一力接收面16和第二力接收面17，这些力接收面面向第一按压面7或第二按压面8，其中，每一个测量元件15均被设置在两个接收元件18之间。这些接收元件通过按压面7、8在测量元件15上施加预紧力。所有测量元件15的第一力接收面16通过电极19彼此电连接，并相对于第一按压面7电绝缘。压电测量元件15优选由单晶体、例如石英制成。

根据本发明，电极19被设计为单侧配设有导电层22的长条状绝缘膜21，并被设置在位于测量元件15和第一按压面16之间的内部空间6中，其中，导电层22指向测量元件15。特别适于作为导电层22的导电材料的是铬和/或铜和/或锆和/或金和包含这些材料的合金。在导电层的整个长度上，其厚度应当为0.005mm至0.05mm，优选为0.009mm至0.036mm，并带有最高10％、优选最高为0.002mm的厚度公差。

在图6a中示出了这种电极。绝缘膜21优选是合成材料膜，特别是聚酰亚胺膜，并且其厚度为0.02mm至0.2mm，优选为0.05mm，其中，绝缘膜在其整个长度上的厚度公差最高为10％且最高为0.01mm。

由于合成材料一般具有较高的厚度公差，特别是10％或更大的厚度公差，因此传感器封装14的尺寸精度可以通过在绝缘板20的部位上使用绝缘膜21来限定。此外已经证实：通过将导电层22和绝缘膜21构造为一个共有部件19，该公有部件在这里按照其功能被称作电极19，可以进一步地减小厚度公差，

有多个已知的覆层方法适用于将导电层22与绝缘膜21持久地机械连接。因此，可以将导电层22层压在绝缘膜21上。可以将层压理解为材料配合的热接合方法。这种层压可以在有或没有中间粘合剂的情况下进行。导电层22可以通过中间粘合剂与绝缘膜21材料配合地连接。但是，导电层22也可以在没有中间粘合剂的情况下与绝缘膜21材料配合地连接，例如，绝缘膜21由合成材料制成，并通过提高温度和/或压力变得有粘性，然后在该粘性状态下，在没有中间粘合剂的情况下与导电层22材料配合地连接。

其他已知的覆层方法包括热汽化渗镀，溅镀覆层或电镀覆层。在采用热汽化渗镀时，导电材料被加热，其中，原子或分子被分开并凝结在绝缘膜21上形成导电层22。在采用溅镀时，导电材料被高能离子轰炸，其中，导电材料的原子或分子被剥落并沉积在绝缘膜21上形成导电层22。在采用电镀覆层时，由无定形导电材料制成的、可牢固附着的导电层22被施加在绝缘膜21上。在采用热汽化渗镀或通过溅镀覆层或电镀覆层时，在具有较高的均匀性和清洁度的绝缘膜21的表面涂层导电材料，以形成导电层22。由于据此能够受制于过程地、非常精确地确立层厚度，因此，通过这些覆层方法可以进一步地降低厚度公差。在此，通过导电层22也能够补偿绝缘膜21表面上的轻微的不平整性。在本发明的认知下，本领域技术人员也可以组合地使用上述覆层方法。因此，本领域技术人员可以在采用层压或电镀覆层时使用金属增附剂。由铬或锆或其他合适的金属制成的这种金属增附剂在实行层压或电镀覆层之前通过热汽化渗镀或溅镀被施加在绝缘膜21上。然后执行实际的层压或实际的电镀覆层。

为了防止导电层22被腐蚀，导电层可以被覆盖防腐保护23，该防腐保护例如可以包含银。该防腐保护23的厚度优选为0.0001mm至0.0005mm。替代地，导电层22也可以在铜的部位上具有贵金属、特别是金。由此来防止腐蚀。

在本发明的一种优选的设计方案中，绝缘膜21在两侧除了导电层22之外还具有绝缘的边缘区域24。由此可以防止短路，当使用薄的绝缘膜21并且导电层延伸直至边缘时，可能会出现短路。电绝缘的边缘区域24优选具有至少0.5mm的宽度。由于导电层22应当具有均匀的宽度，并且至少应该具有与邻接的接收元件18相同的宽度，或至少具有与测量元件15相同的宽度，因此绝缘膜21相应地要比各个测量元件15和邻接绝缘膜21的接收元件18更宽，如图4所示。由此能够确保在中空成型件5和测量元件15之间实现良好的绝缘。

优选地，绝缘膜21被邻接第一按压面7地设置。这样做的优点在于：可以将测量元件15与接收元件18一起组装成一个封装，然后将被覆层的绝缘膜21放置在该封装上。由此能够简化组装，特别是关系到在将接收元件18以及测量元件15设计为药丸形时对测量元件15的定心。这种布置的另一优点在于：当测量元件被设置如接收元件18那样的金属板之间，并且没有邻接如绝缘膜21或绝缘板20这样的合成材料时，测量元件15、特别是单晶体能够提供更好的效果，因为合成材料要比例如石英或任何其他的压电单晶体软很多倍。由此，测量元件的硬的支承面阻止了浮动。

为了进一步提高测量精度，可以相对于导电层22为绝缘膜21配置导电对置层25，如图6b所示。由此可以防止：当绝缘膜21在某些部位与第一内按压法兰间隔开时，在导电层22和该第一内按压面7之间可能形成电容。在这里也应保持有绝缘的边缘区域24，以避免短路。

此外，在根据本发明的WIM传感器1的一种优选的设计方案中，在测量元件15和第二按压面8之间设置附加绝缘膜26，该附加绝缘膜带有面向测量元件15的导电层22。例如，当不能完全确保WIM传感器1的接地时，这可以阻止对测量的接地干扰。特别可以将附加绝缘膜26设计为与绝缘膜21一致，其也可以关于纵轴线4彼此对称地设置。

在一种优选的实施方式中，在根据本发明的WIM传感器1中，在内部空间6中设置一个或多个保持架27，接收元件18和测量元件15作为装配辅助件被固定在保持架中。在图7a和图7b中举例示出了保持架27的俯视图或者说视图。保持架27包括留空28，在该留空中具有夹子29，这些夹子将测量元件15和接收元件18如图5所示的那样保持在它们的位置上。此外，保持架27在一侧具有插嵌轨道30，被覆层的绝缘膜21可以被插入到该插嵌轨道中。与第一插嵌轨道相对的另一插嵌轨道30′可以作为装配辅助件使用，以便在第二内按压面8上推移传感器封装14。也可以如图7所示的那样在所述插嵌轨道之间插入附加绝缘膜26。

为了进行装配，成型件边缘9被按压在一起，由此使得内按压面7、8彼此间隔开，从而能够插入传感器封装14。一旦成型件边缘9不再被按压在一起，则按压面7、8在传感器封装14上产生预紧力，该传感器封装具有与此相应的总高度。该总高度大于两个内按压面7、8在空和松弛状态下彼此之间的间隔。

根据本发明，第一按压面7的宽度窄于插嵌轨道30的宽度和位于插嵌轨道30中的电极19的宽度。在此情况下，可以为绝缘膜21全面地配设导电层22。即使导电层22沿着绝缘膜21的切边过渡到绝缘膜背侧的边缘上，仍然能够确保导电层22相对于第一按压面7的间距。由此排除了短路。通过由此取消绝缘的边缘区域24，可以更具成本效益地制造电极19。

WIM传感器1的品质，例如特别是测量精度和/或过程稳定性在很大程度上取决于预先设定的厚度公差的尺寸精度。由此，如开头所阐释的那样使得作用在所有测量元件上的预紧力变得均匀。

Claims (18)

1.一种WIM传感器(1)，用于在车辆(2)驶过道路(3)时测量车轮作用力；其中，所述WIM传感器(1)具有沿着纵轴线(4)设计为长形的中空成型件(5)，所述中空成型件具有内部空间(6)，所述中空成型件在所述内部空间(6)中具有上方的第一按压面(7)和下方的第二按压面(8)，所述按压面(7，8)彼此相对地设置并在两侧通过弯曲的、被预紧的成型件边缘(9)彼此连接；其中，在所述内部空间(6)中沿所述纵轴线(4)设置有多个压电测量元件(15)，所述压电测量元件分别具有第一力接收面(16)和第二力接收面(17)，所述力接收面(16，17)面向第一按压面(7)或第二按压面(8)；其中，所述多个压电测量元件(15)中的每个被设置在两个接收元件(18)之间，所述两个接收元件(18)通过按压面(7，8)在所述压电测量元件(15)上施加预紧力；并且其中，所有压电测量元件(15)的第一力接收面(16)均通过电极(19)彼此电连接并相对于所述第一按压面(7)电绝缘；其特征在于，所述电极(19)被设计为长条状的绝缘膜(21)，所述绝缘膜具有单侧配置的导电层(22)；所述电极(19)在内部空间(6)中被设置在所述压电测量元件(15)上方的接收元件(18)和所述第一按压面(7)之间；并且所述导电层(22)指向所述压电测量元件(15)，其中，所述绝缘膜(21)的厚度公差在其整个长度上最高为10％，并且最高为0.01mm。

2.根据权利要求1所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述绝缘膜(21)是合成材料膜；并且所述绝缘膜(21)的厚度为0.02mm至0.2mm。

3.根据权利要求1所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述导电层(22)被层压或被热汽化渗镀或被溅镀覆层或被电镀覆层在所述绝缘膜(21)上。

4.根据权利要求1所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述导电层(22)的厚度为0.005mm至0.05mm。

5.根据权利要求3或4所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述导电层(22)在其整个长度上具有最高为10％的厚度公差。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述导电层(22)被覆盖防腐保护(23)。

7.根据权利要求6所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述防腐保护(23)的厚度为0.0001mm至0.0005mm。

8.根据权利要求1所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述绝缘膜(21)在两侧除了所述导电层(22)之外还具有电绝缘的边缘区域(24)。

9.根据权利要求8所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述绝缘的边缘区域具有至少0.5mm的宽度；并且所述绝缘膜(21)的宽度大于邻接的接收元件(18)的宽度。

10.根据权利要求8或9所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述导电层(22)具有均匀的宽度，该宽度至少等于所述压电测量元件(15)的宽度。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述绝缘膜(21)被设置为邻接所述第一按压面(7)。

12.根据权利要求1至4中任一项所述的WIM传感器(1)，其特征在于，在所述压电测量元件(15)和所述第二按压面(8)之间设有带有导电层(22)的附加绝缘膜(26)，所述导电层面向所述压电测量元件(15)；并且所述附加绝缘膜(26)与所述绝缘膜(21)相同地设计。

13.根据权利要求12所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述附加绝缘膜(26)关于所述纵轴线(4)与所述绝缘膜(21)对称地设置。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的WIM传感器(1)，其特征在于，在所述内部空间(6)中设置有至少一个保持架(27)，所述压电测量元件(15)和所述接收元件(18)作为装配辅助件被固定在所述保持架(27)中；并且所述保持架(27)具有至少一个插嵌轨道(30)，所述绝缘膜(21)被插入到所述至少一个插嵌轨道(30)中。

15.根据权利要求2所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述绝缘膜(21)是聚酰亚胺膜。

16.根据权利要求2所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述绝缘膜(21)的厚度为0.05mm。

17.根据权利要求4所述的WIM传感器(1)，其特征在于，所述导电层(22)的厚度为0.009mm至0.036 mm 。

18.根据权利要求5所述的WIM传感器(1 )，其特征在于，所述导电层(22)在其整个长度上具有最高为0.002mm的厚度公差。

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