CN203455058U - 电子电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种电子电路，用于将安装在行车道中并具有电荷信号输出端和接地输出端的WIM传感器的电荷信号转换为电压信号。包括具有集成电路IC1的电荷放大器。该电子电路在相对于两线电缆的输出端上具有集成的阻抗变换器（IEPE），其具有电压信号输出端“OUT”和接地输出端“GND”。在集成电路IC1的第一输入端上，电容器Cc与传感器的电荷信号输出端串联连接，以对该电路关于传感器的内部直流电压解耦。在传感器的接地输出端和集成电路IC1的第二输入端之间设置齐纳二极管D，其可以通过电阻R1与设置在输出侧的电源一起经由两线电缆馈电，以调整集成电路IC1第二输入端上的电位。传感器的接地输出与两线电缆的接地输出具有相同的电位。

Description

电子电路
技术领域
本实用新型涉及一种用于将安装在行车道上的WIM（动态称重）传感器的电荷信号转换为电压信号的电路以及一种包含这种电路的传感器。 
背景技术
用于在道路上的车辆驶过时检测车辆重量的力传感器，也就是所谓的WIM（动态称重）传感器安装在行车道中（例如公路中），并测量车辆的动态地面反应力，以由此确定车辆的重量。通常为此使用压电传感器。在此将电荷作为信号。通常是借助于电缆将电荷传输到外部的电荷放大器，其将电荷信号换算为电压信号。由于电荷非常小，因此去往电荷放大器的信号路径必须是高度绝缘的，如其在压电传感器的导线中所始终规定的那样。由此将产生较高的成本，因为高绝缘电缆是非常昂贵的。由于在实践中，道路中的传感器和具有电子设备的机柜之间往往相距甚远，因此需要较长的电缆，这使得设备相对昂贵。 
传输电压信号相比于电荷信号来说问题更少。如果传感器信号已经在传感器中转换成电压信号，则之后对传感器信号的处理将大大简化，因为例如可以因此使用简单的电缆。 
为了将电荷转换成电压信号，有两种已经证明是很好的电路。作为第一选择的是所谓的IEPE电路（
Figure DEST_PATH_GDA0000422425770000011
），其优点是只需要为此使用很少的组件。由于这种用于WIM传感器的上述应用的电子装置与传感器一起安装在行车道中，因此在任何情况下都必须避免失效，因为更换传感器是不可能的。在更换传感器时，行车道在一定的时间内是无法通行的并且必须被封闭。由于必须根据安装位置预估较高的温度差异和其他的环境影响，从而再次增加了对质量的要求。较少数量的组件有助于简单并因此而耐久地保持该电子装置。IEPE电路的第二个优点是：如果电荷信号已经在传感器中转换为电压信号，因此标准的同轴电缆就足以实现信号传输和馈电（Speisung）。然而， 在所给出的应用中不能使用IEPE电路，因为传感器的较高的电容和内部电阻直接成为了电路的组成部分。而电容在传感器之间会发生变化，这意味着，各个传感器具有不同的信号特性。此外，各个传感器的电阻会随着时间的推移而改变，由此将导致信号的灵敏度也随着时间的推移而改变。因此，利用IEPE电路不能获得具有所需精度的测量结果，特别是在较长的时间间隔内。 
由专利文献US4009447的图7和图8可知这种根据现有技术的IEPE电路。有鉴于传感器的较高的电容和该电容在温度波动时的变化，信号的灵敏度在各种情况下都会发生变化，从而降低了测量结果的精度。 
专利文献US5792956给出了IEPE电路的另一个例子，其中，传感器的接地输出并不位于与放大器的接地输出相同的电位上，因为在它们之间接入了齐纳二极管。但是，由于在WIM传感器中，传感器接地必须位于输出信号接地的电位上，因此该电路不能用于所述的目的。 
作为第二选择的电荷放大器没有这些缺点。为此，需要两芯屏蔽电缆用于信号和馈电，如上所述，该电缆非常长，因而非常昂贵。所以，这与期望的解决方案不符。如果将电荷放大器直接安装在传感器中，为此需要附加的馈电电缆，这将再次增加设备成本。 
由专利文献US4009447的图10和图11可知另一种根据现有技术的电荷放大器。在这种布置中，传感器的电压由齐纳二极管提供，如果绝缘随时间而变差，则会导致电流流过传感器，这是绝对要避免的。 
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种电子电路，其可以在传感器的内部实现电荷信号向电压信号的转换，该电路安全、简单，从而能够直接安装在行车道中。而且，该电路可以连接在两个简单的导线上，这种线路不必是高度绝缘的，并且可以为电子装置提供所需要的馈电。此外，该电路不会受到传感器属性（例如电容和电阻）的影响。 
本实用新型的目的通过根据本实用新型的电子电路来实现。根据本实用新型的电路包括具有集成电路IC1的电荷放大器，该集成电路IC1具有第一输入端和第二输入端。这些输入端可以作为传感器元件的输入端，传感器元件反过来又具有两个输出端，即电荷信号输出端和接地输出端。 
该电路在相对于两线电缆的输入端上还具有集成的阻抗变换器（IEPE）。根据本实用新型，在电荷放大器的集成电路IC1的第一输入端上，电容器Cc与传感器的信号输出端串联连接，以便使该电路的内部直流电压在传感器上去耦。 
具体地，本实用新型公开了一种电子电路，用于将安装在行车道中并具有电荷信号输出端和接地输出端的动态称重传感器的电荷信号转换为电压信号，该电子电路包括具有集成电路IC1的电荷放大器，所述集成电路IC1具有作为所述传感器的输入端的第一输入端和第二输入端，该电子电路在相对于两线电缆的输出端上具有集成的阻抗变换器，其具有电压信号输出端OUT和接地输出端GND，其特征在于，在所述电荷放大器的集成电路IC1的第一输入端上，电容器Cc与所述传感器的电荷信号输出端串联连接，以对该电路关于所述传感器的内部直流电压解耦，在所述传感器的接地输出端GND和所述集成电路IC1的第二输入端之间设置齐纳二极管D，其可以通过电阻R1与设置在输出侧的电流源一起经由所述两线电缆被馈电，以匹配所述集成电路IC1的第二输入端上的电位，在此，所述传感器的接地输出与所述两线电缆的接地输出具有相同的电位。 
优选地，在所述电荷放大器和所述阻抗变换器之间接入两个电阻R2和R3，其与所述齐纳二极管D一起确定输出静态值。 
优选地，通过所述电荷放大器的集成电路IC1设置电容Cg作为负反馈，用于调整测量电路的灵敏度。 
优选地，在所述电荷放大器中相对于电容Cg并行设置电阻RT，该电阻RT与所述电阻R2和R3一起构成测量信号的时间常数。 
优选地，在输出端设置具有作为馈电电源的外部耦合器的两线电缆。 
优选地，所述两线电缆是同轴电缆。 
优选地，所述电路包括位于输入侧的传感器。 
优选地，所述传感器是压电传感器。 
优选地，所述电路集成在所述传感器中。 
优选地，所述传感器是动态称重传感器，用于当车辆在行车道上行进时对车辆进行动态轴重测量。 
根据本实用新型，在传感器的接地输出端和集成电路IC1的第二输入端 之间设置齐纳二极管D，其可以通过电阻R1与设置在输出端侧的电源一起供电，以调节集成电路IC1的第二输入端上的电位。 
根据本实用新型的电路可以连接标准的两线电缆。通过这种两线电缆可以在传输信号数据的同时实现对馈电的耦合，馈电可以通过用于该电路的相同的两线电缆进行输送。此外可以在不更换组件的情况下调整电位，从而不需要为此封闭道路。 
电压信号的传输相比于电荷信号的问题更少。因此可以为此使用更简单、更便宜的电缆。此外，该电缆在安装和操作期间不容易受到损伤，并且相比于用于电荷信号的电缆可以进行供电。在机柜中只需要简单的信号调制装置，以替代复杂的电荷放大器。 
附图说明
下面参照附图对本实用新型进行详细说明。 
图1示出了在行车道中处于安装状态的已安装好的WIM（动态称重）传感器，其具有通向机柜的导线； 
图2示出了电荷放大器的示意图； 
图3示出了传感器中的IEPE电路（
Figure DEST_PATH_GDA0000422425770000041
）的示意图； 
图4示出了根据本实用新型的电路以及传感器和带有集成馈电装置的两线电缆。 
其中，附图标记说明如下： 
1电荷放大器 
2
Figure DEST_PATH_GDA0000422425770000042
IEPE电路， 
3传感器 
3′传感元件 
4机柜 
5导线，电缆 
6行车道 
7根据本实用新型的电子电路 
8电流源，电流供应装置。 
具体实施方式
图1示出了在此为公路形式的行车道6的示意图，其具有两排集成在公路中的WIM（动态称重）传感器。类似于轨道车辆的设置也是可能的，其中，例如将传感器3设置在轨道中。WIM传感器通常包括压电传感器元件3′，其给出电荷信号。这种信号必须通过高绝缘导线5继续输送，直至其在相应的电子装置中转换为电压信号。 
在所示出的布置当中，利用WIM传感器在车辆驶过时确定车轮承载的重量。所测得的结果通过电缆5输送到机柜4中的分析单元中，机柜4通常设置在距离公路非常远的地方。 
在图2中示出了在这种应用中所习惯使用的电荷放大器1，其位于示出的机柜4中。 
传感器信号通过高绝缘的同轴电缆5经过数米的距离输送到电荷放大器1的两个输入端“In”和“GND”（接地）上，并转换为电压，电压可以被相对简单地进一步处理（低阻抗的信号处理）。电荷放大器1常常被放置在位于路边的较远处的电子设备柜中。 
从传感器3到电荷放大器1的高绝缘连接电缆5是非常昂贵的，并且为了不弄脏电缆5并防止因此而无法确保所需要的较高的绝缘性，必须在铺设过程中将电缆5处理得非常干净。 
为了传输信号，在两个输出端“OUT”和“GND”上连接用于传输信号的导线5。附加地必须向电荷放大器1馈电或者利用两线电缆5馈电，因此总计有四根导线5从电荷放大器1引出。根据电荷放大器1是放置在传感器3中还是在机柜4中，在传感器3和机柜4之间或者铺设较贵的高绝缘电缆5，或者铺设较贵的四线电缆5。 
在图3中示出了IEPE电路2，也被称为
Figure DEST_PATH_GDA0000422425770000051
电路，其通常可以在传感器3中、特别是在压电传感器中如同所示出的那样一体化地设置。除了测量元件之外，在传感器3中还配有传感器电容Cs以及传感器电阻Rp。电缆电容以Ck表示。 
IEPE2的核心部件是设置在输出侧的阻抗变换器T2。阻抗变换器T2与两线电缆5连接，在该两线电缆中集成有用于馈电的耦合器（Koppler）。 
在这两种应用中（几乎）不需要静态的测量，因此将在两个具有时间常 数的系统中运行，时间常数由Cg和RT的值得出。因此可以向下达到频率响应的极限值。 
在IEPE电路2中，传感器的绝缘电阻Rp并联于RT，并因此也对时间常数有影响。 
在IEPE电路2中，测量电路的灵敏度由输入端的电容Cg、传感器电容Cs和输入电缆电容Ck决定。 
在WIM中，传感器电容Cs较大，特别是由于温度影响、样本方差以及其他的环境影响而在运行时间内不够稳定。这将极大地损害测量电路的灵敏度，因此不可能进行精确测量。 
IEPE电路2的优点在于能够在一对导线5上实现简单的信号传输，包括系统馈电。该系统利用若干毫安（mA）的电源工作，并将表示为电压值的信号与约为10VDC的静态值（偏置电压）叠加。 
在图4中示出了根据本实用新型的电子电路7，其对于因为传感器3的电容变化而引起的灵敏度的变化不敏感。 
组件IC1（集成电路）和T1（阻抗变换器）形成有源的放大级（aktive  
Figure DEST_PATH_GDA0000422425770000061
）。齐纳二极管D与电阻R2和R3一起确定了输出静态值，即偏置电压。测量电路的灵敏度可以通过电容Cg加以调整。此外，电阻RT与电阻R2、R3和电容Cg一起建立测量信号的时间常数。电容Cc用于使齐纳二极管D的电压相对于传感器3去耦。 
整个电路7通过电源8馈电，电源8被放置在所谓的耦合器（英语：Coupler）中。 
如图4所示的根据本实用新型的电路汇聚了两个系统的优点：灵敏度如同电荷放大器1的灵敏度一样几乎与输入端电容无关。正如在IEPE电路2中那样，信号传输以及对系统的馈电通过一对导线5进行。在此，该系统也是利用几毫安的电源工作，并将表示为电压值的信号与约10VDC的静态值（偏置电压）叠加。 
在WIM传感器3中，由于结构性限制，传感器接地和输出信号接地GND处于相同的电位上。 
与电荷放大器1不同，传感器3不是位于“In”和“GND-A”之间，而是必须连接在“GND”上。 
在没有耦合电容（Cc被桥接）的情况下，齐纳二极管D的电压与传感器3的电压并联。 
该电压与传感器绝缘电阻Rp一起在端口“In”产生输入电流，该输入电流可以在输出端明显地引起静态电压偏移，该电压可能会达到极限值，这将使测量无法进行。 
现在为了解决此问题，将耦合电容Cc连接到输入端，从而实现对输入电压、也就是二极管D的电压的去耦。 
在此应当注意的是：现在可以相应地设定变成电荷分配器的Cc和（Ck+Cs）的大小，以便能够忽略Cs的变化。 
根据本实用新型的电子电路7用于将安装在行车道6中并具有电荷信号输出端和接地输出端的WIM（动态称重）传感器3的电荷信号转换为电压信号，该电子电路7包括具有集成电路IC1的电荷放大器，集成电路IC1具有第一输入端和第二输入端作为传感器3的输入端。此外，该电子电路还在相对于两线电缆5的输入端上具有集成的阻抗变换器（IEPE），其具有电压信号输出端“OUT”和接地输出端“GND”。根据本实用新型，在电荷放大器的集成电路IC1的第一输入端上，电容器Cc与传感器3的电荷信号输出端串联连接，以便使电路关于传感器3的内部直流电压解耦。此外，齐纳二极管D设置在传感器3的接地输出端“GND”和集成电路IC1的第二输入端之间，其可以通过R1与设置在输出侧的电源8一起经由两线电缆5被馈电，以调整集成电路IC1的第二输入端上的电位。特别是传感器的接地输出位于与两线电缆5的接地输出相同的电位上。 
优选可以在电荷放大器和阻抗变化器之间接入两个电阻R2、R3，它们与齐纳二极管D一起确定输出静态值。此外，优选关于电荷放大器的IC1设置电容Cg作为负反馈，用于调整测量电路的灵敏度。优选在电荷放大器中相对于电容Cg并联设置电阻RT，其与电阻R2和R3一起构成测量信号的时间常数。 
在这种应用中，在输出端为两线电缆5配置外部耦合器作为馈电电源8。在此，两线电缆5可以是同轴电缆。 
根据本实用新型的电路7包括位于输入侧的传感器3，特别是压电传感器。尤其是传感器3具有如上所述的根据本实用新型的电子电路7。 
优选将电路7集成在传感器3中。根据本实用新型，传感器3是动态称重（WIM）传感器，用于当车辆在行车道6上行进时对车辆进行动态轴重测量。 

Claims (20)

1.一种电子电路，用于将安装在行车道（6）中并具有电荷信号输出端和接地输出端的动态称重传感器（3）的电荷信号转换为电压信号，该电子电路包括具有集成电路IC1的电荷放大器，所述集成电路IC1具有作为所述传感器（3）的输入端的第一输入端和第二输入端，该电子电路在相对于两线电缆（5）的输出端上具有集成的阻抗变换器，其具有电压信号输出端OUT和接地输出端GND，其特征在于，在所述电荷放大器的集成电路IC1的第一输入端上，电容器Cc与所述传感器（3）的电荷信号输出端串联连接，以对该电路关于所述传感器（3）的内部直流电压解耦，在所述传感器（3）的接地输出端GND和所述集成电路IC1的第二输入端之间设置齐纳二极管D，其可以通过电阻R1与设置在输出侧的电流源（8）一起经由所述两线电缆（5）被馈电，以匹配所述集成电路IC1的第二输入端上的电位，在此，所述传感器的接地输出与所述两线电缆（5）的接地输出具有相同的电位。 
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，在所述电荷放大器和所述阻抗变换器之间接入两个电阻R2和R3，其与所述齐纳二极管D一起确定输出静态值。 
3.如权利要求1所述的电路，其特征在于，通过所述电荷放大器的集成电路IC1设置电容Cg作为负反馈，用于调整测量电路的灵敏度。 
4.如权利要求2所述的电路，其特征在于，通过所述电荷放大器的集成电路IC1设置电容Cg作为负反馈，用于调整测量电路的灵敏度。 
5.如权利要求4所述的电路，其特征在于，在所述电荷放大器中相对于电容Cg并行设置电阻RT，该电阻RT与所述电阻R2和R3一起构成测量信号的时间常数。 
6.如权利要求1至5中任一项所述的电路，其特征在于，在输出端设置具有作为馈电电源的外部耦合器的两线电缆（5）。 
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述两线电缆（5）是同轴电缆。 
8.如权利要求1至5中任一项所述的电路，其特征在于，所述电路包括位于输入侧的传感器（3）。 
9.如权利要求6所述的电路，其特征在于，所述电路包括位于输入侧的传感器（3）。 
10.如权利要求7所述的电路，其特征在于，所述电路包括位于输入侧的传感器（3）。 
11.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述传感器（3）是压电传感器。 
12.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述电路集成在所述传感器（3）中。 
13.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述电路集成在所述传感器（3）中。 
14.如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述电路集成在所述传感器（3）中。 
15.如权利要求11所述的电路，其特征在于，所述电路集成在所述传感器（3）中。 
16.如权利要求8所述的电路，其特征在于，所述传感器（3）是动态称重传感器，用于当车辆在行车道（6）上行进时对车辆进行动态轴重测量。 
17.如权利要求9所述的电路，其特征在于，所述传感器（3）是动态称重传感器，用于当车辆在行车道（6）上行进时对车辆进行动态轴重测量。 
18.如权利要求10所述的电路，其特征在于，所述传感器（3）是动态称重传感器，用于当车辆在行车道（6）上行进时对车辆进行动态轴重测量。 
19.如权利要求11所述的电路，其特征在于，所述传感器（3）是动态称重传感器，用于当车辆在行车道（6）上行进时对车辆进行动态轴重测量。 
20.如权利要求12所述的电路，其特征在于，所述传感器（3）是动态称重传感器，用于当车辆在行车道（6）上行进时对车辆进行动态轴重测量。 
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