CN110476070A - 利用至少一个加速度传感器产生输出测量信号的测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明尤其是涉及一种用于车辆(31)的测量装置(20)的测量装置，其具有至少一个加速度传感器(22a、22b)。根据本发明设置为，传感器对(22)中的第一加速度传感器(22a)固定在车轮(30)上，并且传感器对(22)中的第二加速度传感器(22b)以相对于车轮轴在直径上相对地布置的方式，固定在相同的车轮(30)上，并且评估装置(21)与传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)连接，并且利用两个加速度传感器(22a、22b)的传感器信号(a1t、a1r、a2t、a2r)，来产生输出测量信号(M)。

Description

利用至少一个加速度传感器产生输出测量信号的测量装置和 方法
本发明涉及一种具有至少一个加速度传感器的用于车辆的测量装置。众所周知，可以对车辆、尤其是轨道车辆装备加速度传感器，以采集车辆加速度。
本发明要解决的技术问题在于，给出一种改进的测量装置。
根据本发明，上述技术问题通过具有根据权利要求1的特征的测量装置来解决。在从属权利要求中给出根据本发明的测量装置的有利的设计方案。
因此，根据本发明设置为，传感器对的第一加速度传感器固定在车轮上，并且传感器对的第二加速度传感器以相对于车轮轴在直径上相对地布置的方式，固定在相同的车轮上，并且评估装置与传感器对的两个加速度传感器连接，并且利用两个加速度传感器的传感器信号，来产生输出测量信号。
根据本发明的测量装置的一个重要的优点在于，在进行信号评估时，可以消除或者排除(例如在路线倾斜的情况下)使得测量产生错误的重力的影响，因为加速度传感器在直径上彼此相对。
此外，根据本发明，测量装置具有角度传感器，角度传感器测量车轮的旋转角度，以形成旋转角度值。
根据本发明，评估装置与角度传感器连接，并且利用旋转角度值和传感器对的两个加速度传感器的传感器信号，来确定输出测量信号。
优选加速度传感器与车轮轴的距离相同。
考虑到简单的信号评估，视为有利的是，传感器对的两个加速度传感器连接在模拟或者数字的桥电路中，桥电路作为桥信号，来产生传感器信号的以正确的符号形成的差信号。评估装置优选使用桥信号来产生输出测量信号。
特别有利的是，传感器对的两个加速度传感器分别具有用于产生切向传感器信号的第一传感器元件和用于产生径向传感器信号的第二传感器元件，切向传感器信号给出相应的切向车轮加速度，径向传感器信号给出相应的向车轮中心的方向取向的车轮加速度，并且评估装置使用传感器对的切向和径向传感器信号，来产生输出测量信号。
传感器对的两个加速度传感器的第一传感器元件的取向，在相对于车轮相同的旋转位置优选相同。
也有利的是，传感器对的两个加速度传感器连接在第一桥电路中，第一桥电路作为第一桥信号来产生切向传感器信号的以正确的符号形成的差信号，传感器对的两个加速度传感器连接在第二桥电路中，第二桥电路作为第二桥信号来产生径向传感器信号的以正确的符号形成的差信号，并且评估装置使用桥信号来产生输出测量信号。
评估装置优选将车辆纵向方向上的加速度值，确定为输出测量信号。
替换地或者附加地，可以设置为，评估装置将相对于水平线的倾斜值，确定为输出测量信号。
替换地或者附加地，也可以设置为，评估装置将车轮的打滑改变值和/或打滑值，确定为输出测量信号。
特别有利的是，测量装置除了该传感器对之外，还具有一个或多个另外的传感器对，其分别具有第一加速度传感器和第二加速度传感器，第一加速度传感器固定在相同的车轮上，并且第二加速度传感器以相对于车轮轴在直径上相对的方式布置，并且固定在相同的车轮上的，并且评估装置也与该一个或多个另外的传感器对的加速度传感器连接，并且利用所有传感器对的传感器信号，来产生输出测量信号。
传感器对优选旋转对称地布置。
此外，在多个传感器对的情况下，有利的是，每个传感器对的两个加速度传感器分别连接在至少一个相关联的桥电路中，桥电路作为一个桥信号或多个桥信号，相应地产生相应的传感器对的传感器信号的以正确的符号形成的差信号，并且评估装置利用传感器对的桥信号，来确定输出测量信号。
本发明还涉及一种车辆，尤其是轨道车辆，其装备有上面描述的测量装置。
本发明还涉及一种利用测量装置来产生输出测量信号的方法，测量装置具有至少一个加速度传感器。根据本发明，关于这种方法设置为，将传感器对的第一加速度传感器固定在车轮上，并且将传感器对的第二加速度传感器以相对于车轮轴在直径上相对地布置的方式固定在相同的车轮上，并且利用传感器对的两个加速度传感器，来产生输出测量信号。
关于根据本发明的方法的优点，参考上面结合根据本发明的测量装置的描述。
下面，借助实施例详细说明本发明，在此示例性地：
图1至4示出了根据本发明的测量装置的第一实施例，借助根据本发明的测量装置，示例性地描述根据本发明的方法的多个变形方案或者测量装置的可能的运行方法的多个变形方案，以及
图5示出了根据本发明的测量装置的第二实施例。
在附图中，为了清楚起见，对于类似的或者相同的部件，总是使用相同的附图标记。
图1示出了测量装置20，测量装置20具有评估装置21、与评估装置21连接的传感器对22和角度测量设备或者角度传感器23。为了清楚起见，在图1中未进一步示出传感器对22和角度测量设备23与评估装置21之间的连接，连接可以有线或者无线地(例如通过红外线或者无线电)设计。
传感器对22固定在未进一步示出的车辆31的车轮30上，并且具有第一加速度传感器22a和第二加速度传感器22b，第二加速度传感器22b相对于车轴在直径上相对地布置，并且固定在同一车轮30上。
两个加速度传感器22a和22b的结构优选相同。在图2中进一步详细地示出了加速度传感器的实施例，其可以作为两个加速度传感器22a和22b中的每一个，在根据图1的测量装置20中使用；加速度传感器用附图标记200表示。
加速度传感器200包括：第一传感器元件210，用于产生传感器信号at，在图1所示安装在车轮30上的情况下，传感器信号at给出相应的切向车轮加速度；以及第二传感器元件220，用于产生径向传感器信号ar，径向传感器信号ar给出相应的向车轮中心的方向取向的车轮加速度。
在根据图1的图示中，两个加速度传感器的切向传感器信号用附图标记a1t和a2t表示，并且径向传感器信号用附图标记a1r和a2r表示，其中，中间的数字“1”或者“2”给出相应的传感器信号来自第一加速度传感器22a、还是第二加速度传感器22b。
角度测量设备23给出车轮30的相应的旋转角度(例如在图3中绘出)。
在附图中示出的实施例中，示例性地假设，在0度的旋转角度(参见图1)，第一加速度传感器22a位于“12点钟”位置(在图1中用附图标记12表示)，并且第二加速度传感器22b位于“6点钟”位置(在图1中用附图标记6表示)。这种分配应当理解为任意的，并且仅仅是示例性的，在其它旋转角度分配的情况下，在进行评估时，可以在数学上在评估装置21中进行调整。
图3示出了车轮30沿顺时针方向进一步旋转大约30度的旋转角度之后的车轮30和两个加速度传感器22a和22b。现在，第一加速度传感器22a位于“1点钟”位置(在图3中用附图标记1表示)，并且第二加速度传感器22b位于“7点钟”位置(在图3中用附图标记7表示)。可以看到，由于车轮旋转，切向和径向传感器信号相对于水平线H和竖直线V的量值发生改变。
评估装置22评估在输入侧施加的两个加速度传感器22a和22b的切向传感器信号a1t和a2t及径向传感器信号a1r和a2r，以及角度测量设备23借助旋转角度信号传输的旋转角度并且在输出侧，作为这些信号的函数f，产生输出测量信号M：
M＝f(a1t，a2t，a1r，a2r，α)
根据评估装置21的设计，输出测量信号M可以是模拟信号或者数字信号、例如二进制信号。在二进制信号M的情况下，信号的逻辑“1”例如可以指示识别出了预先定义的状态(例如车辆加速)，并且逻辑“0”可以指示没有识别出预先定义的状态。当然，逻辑“1”和“0”的分配也可以相反。
传感器对22的两个加速度传感器22a和22b优选以模拟的或者数字的第一桥电路连接，第一桥电路作为第一桥信号，根据下式产生切向传感器信号的以正确的符号形成的差信号Dt：
Dt＝a1t-a2t
在数字的桥电路的情况下，第一桥电路例如可以通过减法器形成。
此外，传感器对22的两个加速度传感器22a和22b优选以第二桥电路连接，第二桥电路作为第二桥信号，根据下式产生径向传感器信号的以正确的符号形成的差信号Dr：
Dr＝a1r-a2r
在数字的桥电路的情况下，第二桥电路例如可以通过减法器形成。
下面，借助示例来详细说明评估装置22根据其设计可以产生哪些输出测量信号M；下面的设计方案应当理解为仅仅是示例性的，而不是评估装置22利用输入信号可以形成的所有可能的输出测量信号的最终清单：
1.识别车辆的静止：
在评估装置21的可能的第一设计方案中，当在输入侧施加的信号指示车辆静止时，评估装置21产生逻辑“1”，作为输出测量信号M。优选当角度没有改变，并且差信号Dt和Dr等于0或者至少小于预先给定的下限阈值Dmin时，即，当下式成立时，评估装置21产生逻辑“1”：
并且
|Dt|＜Dmin
并且
|Dr|＜Dmin
其中，ωmin给出了针对车轮30的旋转的预先给定的下限阈值。
在满足上面的条件的情况下，例如当在车轮30被锁定的情况下，车辆31被拖曳时，在车轮30被锁定的情况下，理论上可能存在车辆31的均匀的平移运动，然而这种情况是不可能的。尽管如此，如果仍然考虑这种情况，那么逻辑“1”的情况下的输出测量信号M将指示车轮30没有旋转，并且车辆31进行不加速的运动。
2.识别车辆倾斜时的车辆倾斜度：
在图4中可以看到，在上面的点1下的车辆静止识别，也在路线倾斜度α的情况下工作，因为由于传感器信号成对地相减，与路线倾斜度α无关地满足如下条件：
并且
|Dt|＜Dmin
并且
|Dr|＜Dmin。
除了车辆静止之外，由于加速度传感器22a和22b的相对的布置，可以计算路线倾斜度α，因为旋转角度是已知的。
在水平的路线、即路线倾斜度α＝0的情况下，如图3所示，例如适用：
或者
一般来说，即，在任意的路线倾斜度α的情况下，适用(参见图4中的图示)：
对应的内容适用于第二加速度传感器22b：
因此，利用传感器信号，能够确定相应的路线倾斜度α；这在车辆31行驶时也适用。
3.识别车辆加速度或者车轴的加速度：
根据图1、3和4可以看到，评估装置20也可以根据切向和径向传感器信号，即，不仅根据相应的切向传感器信号，而且根据径向传感器信号，来确定水平和竖直方向上的加速度(参见图3中的附图标记a1h和a1v)。这示例性地根据图3和切向传感器信号来说明：
其中，a1h给出了相应的加速度传感器的水平加速度。
因此，可以根据下式来确定车辆31在水平方向上的加速度Dh：
对于径向传感器信号，对应地适用如下关系：
同样可以通过这种方法来消除车轮旋转的过程中的特定于传感器的测量误差，因为在车轮旋转时，测量误差也总是同样相反地作用在车轮旋转时的相对的位置上。
4.识别车轮30的打滑：
在不打滑的情况下，车辆31在水平方向上的加速度Dh对应于车轮30的旋转速度ω的变化。然而，如果确定，那么适用：
Dh≠π＊Drad＊dω/dt
其中，Drad给出了车轮直径，或者如果确定该等式的两侧之间的偏差超过了预先给定的阈值，则评估装置20可以产生输出测量信号M，该输出测量信号M指示存在车轮的打滑状态的改变。
替换地或者附加地，评估装置20可以产生输出测量信号M，该输出测量信号M例如根据下式定量地给出打滑状态的改变：
ΔSS＝|(Dh-π*Drad*dω/dt)/(π*Drad*dω/dt)|
其中，ΔSS是定量的打滑改变测量参量。
5.量化车轮30的打滑：
可以利用定量的打滑改变测量参量ΔSS，通过关于时间t进行积分来确定定量的打滑参量SS。
图5示例性地示出了车轮30可以装备有多于一个的传感器对22，例如可以装备有另一个传感器对22'，如图5所示。传感器对优选旋转对称地布置。
与评估装置21连接的传感器对越多，或者提供越多的传感器信号，可以越准确并且越可靠地确定输出测量信号M，因为例如通过求平均，可以减小各个测量信号中的测量误差的影响。
虽然在细节上通过优选实施例详细说明并且描述了本发明，但是本发明不局限于所公开的示例，本领域技术人员可以从中推导出其它变形方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种用于车辆(31)的测量装置(20)，所述测量装置具有至少一个加速度传感器(22a、22b)，
其特征在于，
-传感器对(22)中的第一加速度传感器(22a)固定在车轮(30)上，并且所述传感器对(22)中的第二加速度传感器(22b)以相对于车轮轴在直径上相对地布置的方式，固定在相同的车轮(30)上，
-评估装置(21)与所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)连接，并且利用两个加速度传感器(22a、22b)的传感器信号(a1t、a1r、a2t、a2r)，来产生输出测量信号(M)，
-测量装置(20)具有角度传感器(23)，所述角度传感器测量车轮(30)的旋转角度以形成旋转角度值，并且
-评估装置(21)与角度传感器(23)连接，并且利用旋转角度值和所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)的传感器信号(a1t、a1r、a2t、a2r)，来确定输出测量信号(M)。
2.根据权利要求1所述的测量装置(20)，
其特征在于，
加速度传感器(22a、22b)与车轮轴的距离相同。
3.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(20)，
其特征在于，
-所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)连接在模拟或者数字的桥电路中，所述桥电路作为桥信号，来产生传感器信号(a1t、a1r、a2t、a2r)的以正确的符号形成的差信号，并且
-评估装置(21)使用桥信号，来产生输出测量信号(M)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(20)，
其特征在于，
-所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)分别具有用于产生切向传感器信号的第一传感器元件和用于产生径向传感器信号的第二传感器元件，切向传感器信号给出相应的切向车轮加速度，径向传感器信号给出相应的向车轮中心的方向取向的车轮加速度，并且
-评估装置(21)使用所述传感器对(22)的切向和径向传感器信号(a1t、a1r、a2t、a2r)，来产生输出测量信号(M)。
5.根据权利要求4所述的测量装置(20)，
其特征在于，
所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)的第一传感器元件的取向，在相对于车轮(30)的旋转位置相同的情况下相同。
6.根据权利要求4或5所述的测量装置(20)，
其特征在于，
-所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)连接在第一桥电路中，第一桥电路作为第一桥信号来产生切向传感器信号(a1t、a2t)的以正确的符号形成的差信号，
-所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)连接在第二桥电路中，第二桥电路作为第二桥信号来产生径向传感器信号(a1r、a2r)的以正确的符号形成的差信号，并且
-评估装置(21)使用桥信号来产生输出测量信号(M)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(20)，
其特征在于，
评估装置(21)将车辆纵向方向上的加速度值，确定为输出测量信号(M)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(20)，
其特征在于，
评估装置(21)将相对于水平线(H)的倾斜度值，确定为输出测量信号(M)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(20)，
其特征在于，
评估装置(21)将车轮(30)的打滑改变值和/或打滑值，确定为输出测量信号(M)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(20)，
其特征在于，
-测量装置(20)除了所述传感器对(22)之外，还具有一个或多个另外的传感器对(22')，其分别具有第一加速度传感器(22a)和第二加速度传感器(22b)，第一加速度传感器固定在相同的车轮(30)上，并且第二加速度传感器以相对于车轮轴在直径上相对的方式布置，并且固定在相同的车轮(30)上，并且
-评估装置(21)也与所述一个或多个另外的传感器对的加速度传感器(22a、22b)连接，并且利用所有传感器对的传感器信号(a1t、a1r、a2t、a2r)，来产生输出测量信号(M)。
11.根据权利要求10所述的测量装置(20)，
其特征在于，
传感器对(22、22')旋转对称地布置。
12.根据前述权利要求10至11中任一项所述的测量装置(20)，
其特征在于，
-每个传感器对(22、22')的两个加速度传感器(22a、22b)分别连接在至少一个相关联的桥电路中，桥电路作为一个桥信号或者多个桥信号，相应地产生相应的传感器对(22、22')的传感器信号(a1t、a1r、a2t、a2r)的以正确的符号形成的差信号，并且
-评估装置(21)利用传感器对(22、22')的桥信号，来确定输出测量信号(M)。
13.一种车辆(31)，尤其是轨道车辆，
其特征在于，
所述车辆装备有根据前述权利要求中任一项所述的测量装置(20)。
14.一种利用测量装置(20)产生输出测量信号(M)的方法，所述测量装置具有至少一个加速度传感器(22a、22b)，
其特征在于，
-将传感器对(22)的第一加速度传感器(22a)固定在车轮(30)上，并且将所述传感器对(22)的第二加速度传感器(22b)以相对于车轮轴在直径上相对地布置的方式固定在相同的车轮(30)上，
-利用角度传感器(23)测量车轮(30)的旋转角度以形成旋转角度值，
-利用所述传感器对(22)的两个加速度传感器(22a、22b)和所述角度传感器(23)，来产生输出测量信号(M)。
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