DE9116890U1 - Force sensor system, in particular for dynamic axle load, speed, axle distance and total weight determination of vehicles - Google Patents
Force sensor system, in particular for dynamic axle load, speed, axle distance and total weight determination of vehiclesInfo
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Description
Kraftsensorsystem, insbesondere zur dynamischen Achslast-, Geschwindigkeits-, Achsabstands- und Gesamtgewichtsbestimmung von FahrzeugenForce sensor system, especially for dynamic axle load, speed, axle distance and total weight determination of vehicles
Die Erfindung betrifft ein Kraftsensorsystem, insbesondere zur dynamischen Achslast-, Geschwindigkeits-, Achsabstands-und Gesamtgewichtsbestimmung von Fahrzeugen o^ " —frager9-The invention relates to a force sensor system, in particular for dynamic axle load, speed, axle distance and total weight determination of vehicles o^ " —frager9-
Bekannt sind statische Gewichtsmessungen von Fahrzeugen mittels Brückenwaagen, oder mit auf die Fahrbahnoberfläche aufs.etzbaren und im allgemeinen leicht transportierbaren Wägeeinrichtungen. Als Beispiel dafür sei hier die Patentschrift CH 597 595 genannt, welche eine Wägeplattform beschreibt, bei der eine Wägeplatte unter Zwischenschaltung von hydraulischen Aufnehmern auf einer Grundplatte angebracht ist. Gemessen wird der Druck der durch die Belastung komprimierten Flüssigkeit. Auch mit Dehnungsmesselementen arbeitende Wägeplattformen sind bekannt. So besteht die in der Patentschrift US 3 949 822 beschriebene Wägeplattform aus einer durch die Belastung durchbiegbaren Grundplatte und einer Wägeplatte, wobei die Durchbiegung mittels Dehnungsmesselementen gemessen wird. Beide Wägeplattformen sind relativ dick und mit Auffahrrampen versehen. Es ist klar, dass sie sich nur für statische Wägungen von Achslasten oder solche bei sehr langsamer Ueberfahrt eignen.Static weight measurements of vehicles are known using weighbridges or with weighing devices that can be placed on the road surface and are generally easy to transport. An example of this is patent CH 597 595, which describes a weighing platform in which a weighing plate is attached to a base plate with hydraulic sensors in between. The pressure of the liquid compressed by the load is measured. Weighing platforms that work with strain gauges are also known. For example, the weighing platform described in patent US 3 949 822 consists of a base plate that can be bent by the load and a weighing plate, with the deflection being measured using strain gauges. Both weighing platforms are relatively thick and have ramps. It is clear that they are only suitable for static weighing of axle loads or for very slow driving.
rf Eine moderne Achslastbestimraunij mu'as* aller, »angesichts des anschwellenden Fahrzeugverkehrs, dynamisch erfolgen können, d.h., ohne dass die Fahrzeuge ihre Geschwindigkeit drosseln müssen. Es ist bereits versucht worden, mittels sogenannten Piezokabeln, welche in den oberen Deckbelag einer Fahrbahn eingelegt wurden, Achslast und Fahrzeuggewicht zu bestimmen. Piezokabel enthalten als Signalelemente Piezofolien oder Piezomasse. Deren Messempfindlichkeit ist sehr temperaturabhängig. Die Messanordnung mit einem in den oberen Deckbelag eingebauten Piezokabel neigt zur Instabilität, wegen der kleinen kraftaufnehmenden Oberfläche und der Komprimierbarkeit eines Plastikkabels, was eine sich verändernde Messempfindlichkeit und weitere Unzulänglichkeiten der Messung wie z.B. > Instabilität des Messnullpunktes verursacht. Zudem sind die Messresultate der Achslast und des Fahrzeuggewichtes zu ungenau, meist wegen des oft ungenügenden Isolationswiderstandes von Piezokabeln. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftsensorsystem zu schaffen, welches die genannten Nachteile behebt und die dynamische Achslast-Geschwindigkeits-Achsabstand- und Gesamtgewichtsbestimmung von Fahrzeugen ermöglicht, wozu vorteilhafterweise zwei Kraftsensorsysteme in kurzem Abstand hintereinander angeordnet werden.rf A modern axle load determination must, of course, be able to be carried out dynamically, i.e. without the vehicles having to reduce their speed, in view of the increasing volume of vehicle traffic. Attempts have already been made to determine axle load and vehicle weight using so-called piezo cables, which are laid in the upper surface of a road. Piezo cables contain piezo foils or piezo mass as signal elements. Their measuring sensitivity is very temperature-dependent. The measuring arrangement with a piezo cable built into the upper surface tends to be unstable due to the small force-absorbing surface and the compressibility of a plastic cable, which causes a changing measuring sensitivity and other measurement deficiencies such as > instability of the measuring zero point. In addition, the measurement results of the axle load and vehicle weight are too inaccurate, mostly due to the often insufficient insulation resistance of piezo cables. It is the object of the present invention to create a force sensor system which eliminates the above-mentioned disadvantages and enables the dynamic axle load, speed, axle distance and total weight determination of vehicles, for which purpose two force sensor systems are advantageously arranged one behind the other at a short distance.
Das Kraftsensorsystem soll für jede Fahrbahnbreite geeignet und auf einfache Weise montierbar sein und sowohl für Asphaltwie auch Betonstrassen verwendbar sein.The force sensor system should be suitable for any road width, easy to install and usable for both asphalt and concrete roads.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Kraftsensor aus einem Hohlprofil (1) in die Fahrbahn verlegt ist, in dem eine Mehrzahl von Piezoelementen eingebaut sind, die über die ganze Länge des Hohlprofils (1) eine konstante Kraftmess-Empfindlichkeit ergeben und derart aufgebaut sind, dass elektrische Serie-, Gruppen- oder Einzelschaltung der Piezoelemente möglich ist und dass es einfach verlegbare Module ergibt, die aus Verstärker-Sensor- und Abschlusseinheit aufgebaut sind.The task is solved by laying a force sensor made of a hollow profile (1) in the roadway, in which a multiplicity of piezo elements are installed, which provide a constant force measurement sensitivity over the entire length of the hollow profile (1) and are constructed in such a way that electrical series, group or individual connection of the piezo elements is possible and that it results in easily laid modules that are made up of amplifier sensor and termination unit.
Die Erfindung wird im folgernden nähe'r beschrieben durch die Darstellung verschiedener Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Es stellen dar:The invention is described in more detail below by presenting various embodiments with reference to the drawings. They show:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Kraftsensor mit zylinderförmigem Hohlprofil (Rohrsensor)Fig. 1 a cross section through a force sensor according to the invention with a cylindrical hollow profile (tube sensor)
Fig. 2 das Montageverfahren zur Oeffnung eines Hohlprofils mit kreisförmigem Querschnitt durch SeiteneinspannungFig. 2 the assembly process for opening a hollow profile with a circular cross-section by side clamping
Fig. 3 das einbaufertige KraftsensorsystemFig. 3 the ready-to-install force sensor system
Fig. 3A ein Verstärkermodul direkt am Kraftsensor angeschlossenFig. 3A an amplifier module connected directly to the force sensor
Fig. 3B Separat angeschlossenes Verstärkermodul über einen Wellschlauch, verbunden mit KraftsensorFig. 3B Separately connected amplifier module via a corrugated hose, connected to force sensor
Fig. 4 , ein VerstärkermodulFig. 4 , an amplifier module
Fig. 5 ein Sensormodul mit Steckverbindung Fig. 6 ein Messendmodul mit Steckverbindung Fig. 7 Sensormodule in Faltstellung zum Transport bereit Fig. 8 einen Querschnitt durch ein rohrförmigesFig. 5 a sensor module with plug connection Fig. 6 a measuring module with plug connection Fig. 7 sensor modules in folded position ready for transport Fig. 8 a cross section through a tubular
Hohlprofil, wobei die Krafteinleitungsteile vom Rohr elektrisch isoliert sindHollow profile, whereby the force introduction parts are electrically insulated from the pipe
Fig. 9 einen Querschnitt durch ein sechseckiges HohlprofilFig. 9 a cross section through a hexagonal hollow profile
Fig. 10 einen Längsschnitt durch einen Rohrsensor nach Fig. 8Fig. 10 a longitudinal section through a pipe sensor according to Fig. 8
Fig. 11 einen Längsschnitt durch einen mit Vorverstärkern bestückten RohrsensorFig. 11 a longitudinal section through a pipe sensor equipped with preamplifiers
Fig. 12 ein bevorzugtes Montageverfahren, wobei eine Montageeinheit bestehend aus leitender Folie, beidseitig aufgebrachten Piezoscheiben, Krafteinleitteilen und Signalleitern in das geöffnete Hohlprofil eingeführt wirdFig. 12 a preferred assembly method, whereby an assembly unit consisting of conductive foil, piezo discs applied on both sides, force introduction parts and signal conductors is inserted into the opened hollow profile
Fig. 13a,b,c eine Messanordnung zum Erfassen von FahrzeugenFig. 13a,b,c a measuring arrangement for detecting vehicles
I · ■I · ■
Fig. 14a,b,c eine Messanordnung zur * Bestimmung desFig. 14a,b,c a measuring arrangement for * determining the
Strassenbelastungsprofils Fig. 15 einen Querschnitt durch eine Ausfräsung im oberenRoad load profile Fig. 15 a cross section through a milled recess in the upper
Deckbelag einer Fahrbahn Fig. 16 einen Querschnitt durch eine Ausfräsung nach Fig.Road surface covering Fig. 16 a cross-section through a milled recess according to Fig.
15, mit einliegendem Kraftsensor und schematisch15, with integrated force sensor and schematic
dargestellter Krafteinleitung.shown force introduction.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht mit Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Kraftsensor mit zylinderförmigem Hohlprofil (Rohrsensor). Das Hohlprofil 1 enthält eine längsachsig liegende Aussparung 2, in der kraftschlüssig ein Piezoelement 4 liegt, wobei 3 die beiden Piezoscheiben 7, die Krafteinleitteile sind. Dazwischen ist eine elektrisch leitende Folie 5 als Signalträger eingelegt. Das damit entstandene Piezoelement 4 ist so ausgelegt, dass es im wesentlichen für eine in z-Richtung wirkende Kraft empfindlich ist. Die Einleitung dieser Kraft P erfolgt über eine krafteinleitende Partie 6. Der Kraftsensor liegt, wie später ausgeführt wird, im allgemeinen im oberen Deckbelag einer Fahrbahn und die Kräfte P stammen vom Gewicht eines darüber fahrenden Fahrzeuges. Sie erzeugen in der elektrisch leitenden Folie 5 beispielsweise positive elektrische Ladungen, in den Krafteinleitteilen 7 negative Ladungen. Die Krafteinleitteile 7 können als das ganze Hohlprofil durchziehende isolierende Keramikleisten oder als Einzelteile ausgebildet sein. Bei Krafteinleitteilen 7 aus Keramik müssen metallisierte Partien entsprechend dem Stand der Technik vorgesehen sein, um die Minus-Ladungen ableiten zu können.Fig. 1 shows a perspective view with a cross section through a force sensor according to the invention with a cylindrical hollow profile (tube sensor). The hollow profile 1 contains a recess 2 lying along the longitudinal axis, in which a piezo element 4 is located in a force-locking manner, with 3 the two piezo disks 7, the force introduction parts. An electrically conductive film 5 is inserted between them as a signal carrier. The resulting piezo element 4 is designed in such a way that it is essentially sensitive to a force acting in the z-direction. This force P is introduced via a force-introducing part 6. The force sensor, as will be explained later, is generally located in the upper surface of a roadway and the forces P come from the weight of a vehicle driving over it. They generate, for example, positive electrical charges in the electrically conductive film 5 and negative charges in the force introduction parts 7. The force introduction parts 7 can be designed as insulating ceramic strips running through the entire hollow profile or as individual parts. In the case of force introduction parts 7 made of ceramic, metallized parts must be provided in accordance with the state of the art in order to be able to dissipate the negative charges.
Es ist aber auch möglich, die Krafteinleitteile 7 aus Metall herzustellen und die Minus-Ladungen direkt über ein metallenes Hohlprofil abzuleiten.However, it is also possible to manufacture the force introduction parts 7 from metal and to discharge the negative charges directly via a metal hollow profile.
Es ist jedoch sicherer, das Hohlprofil nur für die Verpackung und Krafteinleitung statt zusätzlich noch für elektrischeHowever, it is safer to use the hollow profile only for packaging and force transmission rather than additionally for electrical
Leitung zu benützen.to use the line.
Das Piezoelement 4 ist mechanisch vorgespannt. Diese Vorspannung wird dadurch erreicht, dass das Hohlprofil 1 während der Montage seitlich in x-Richtung mit Pressbacken zusammengedrückt wird, wodurch die Aussparung 2 sich in z-Richtung um den Betrag ^h ausweitet (Fig. 2), worauf das Piezoelement 4 in die Aussparung 2 eingeführt wird. Nachdem der seitliche Druck aufgehoben worden ist, fällt auch die Ausweitung dahin, und das Piezoelement 4 erfährt bei geeigneter Dimensionierung des Hohlprofils 1 und der Aussparung 2 eine elastische Vorspannung (Fig. 2). Als Materialien für die Piezoscheiben 3 können sowohl kristalline Materialien wie auch Piezokeramiken oder Piezofolien verwendet werden. Das Hohlprofil 1 kann beispielsweise aus einem rostfreien Stahlrohr mit gezogenem Innenprofil oder aus einem extrudierten Rohr aus einer Al-Legierung bestehen. Ebenso könnte es aus einem geeigneten Kunststoff bestehen. Vorteilhaft zu Einbauzwecken hat sich ein Aussendurchmesser von ca. 20...30 mm ergeben.The piezo element 4 is mechanically prestressed. This prestress is achieved by the hollow profile 1 being pressed together laterally in the x-direction with pressing jaws during assembly, whereby the recess 2 expands in the z-direction by the amount ^h (Fig. 2), whereupon the piezo element 4 is inserted into the recess 2. After the lateral pressure has been removed, the expansion also disappears and the piezo element 4 experiences an elastic prestress if the hollow profile 1 and the recess 2 are suitably dimensioned (Fig. 2). Both crystalline materials and piezo ceramics or piezo foils can be used as materials for the piezo disks 3. The hollow profile 1 can, for example, consist of a stainless steel tube with a drawn inner profile or of an extruded tube made of an aluminum alloy. It could also consist of a suitable plastic. An outer diameter of approx. 20...30 mm has proven advantageous for installation purposes.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemässes Kraftsensorsystem. Fig. 3A zeigt, wie das Verstärkermodul 11 direkt am Kraftsensor der Länge 1 angebracht ist. Fig. 3B zeigt diese Verbindung über ein Wellschlauchkabel 10. Der Kraftsensor der Länge 1 (die bis 20 m sein kann) ist aus herstell- und montagetechnischen Gründen in Einzelstücke der Länge 1} unterteilt. Diese Sensormodule 12 sind vorteilhafterweise etwa 1...2 m lang und können zusammengesteckt, geschweisst oder geklebt werden. Um den Kraftsensor der Form der Fahrbahn anzupassen ist es vorteilhaft, die Kupplungselemente mit einer gewissen Elastizität auszurüsten, damit der Winkel 8 etwa 1...3° beträgt.Fig. 3 shows a force sensor system according to the invention. Fig. 3A shows how the amplifier module 11 is attached directly to the force sensor of length 1. Fig. 3B shows this connection via a corrugated hose cable 10. The force sensor of length 1 (which can be up to 20 m) is divided into individual pieces of length 1 for manufacturing and assembly reasons. These sensor modules 12 are advantageously about 1...2 m long and can be plugged together, welded or glued. In order to adapt the force sensor to the shape of the roadway, it is advantageous to equip the coupling elements with a certain elasticity so that the angle 8 is about 1...3°.
Fig. 4 zeigt ein rohrförmig ausgebildetes Verstärkermodul 11 mit Kupplungsstück 14.Fig. 4 shows a tubular amplifier module 11 with coupling piece 14.
Fig. 5 zeigt ein Sensormodul 12 mit positiven und negativenFig. 5 shows a sensor module 12 with positive and negative
Kupplungsstücken 14.Coupling pieces 14.
Fig. 6 zeigt das Endmodul 13, das den Abschluss eines erfindungsgemässen Kraftsensorsystems ergibt. Dessen modularer Aufbauist grundsätrzlich durch drei verschiedene Teile allen Einbauanforderungen gewachsen.Fig. 6 shows the end module 13, which forms the end of a force sensor system according to the invention. Its modular structure is basically able to meet all installation requirements thanks to three different parts.
Es ist klar, dass die Kupplungsstücke 14 sowohl mechanische wie auch elektrische Aufgaben lösen müssen.It is clear that the coupling pieces 14 must solve both mechanical and electrical tasks.
In Fig. 7 ist angedeutet, wie eine Anzahl von Sensormodulen 12 faltenbalgähnlich zum Transport vorbereitet sein können, um dann bei der Verlegung ineinander geschoben werden zu können. Dabei können auch einfache Verbindungsflansche 15 vorgesehen werden, die verschweisst oder verkittet werden.Fig. 7 shows how a number of sensor modules 12 can be prepared for transport in a bellows-like manner, so that they can then be pushed into one another during installation. Simple connecting flanges 15 can also be provided, which are welded or cemented.
Durch die Einspritzöffnung 16 kann eine Dichtmasse eingeführt werden.A sealing compound can be introduced through the injection opening 16.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine ähnliche Ausführungsform· des erfindungsgemässen Kraftsensors wie Fig. 1. Der Hauptunterschied gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform besteht im handelsüblichen Rohr, indem die Krafteinleitung über separate, d.h. vom Hohlprofil 1 durch eine Isolationsschicht 9 getrennte Krafteinleitteile 7 erfolgt. Dadurch wird es möglich, beide Signalableitungen vom Hohlprofil 1 getrennt zu halten, wodurch das Messystem weniger stö-, rungsanfällig wird. Die Signalableitung erfolgt einerseits über die leitende Folie 5, anderseits über Signalleiter 8, welche in Nuten der Kraftleitteile 7 elektrisch leitend eingelegt sind. Auch mechanisch stellt die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform des Kraftsensors eine Variante von Fig. 1 dar, indem der Hohlkörper 1 aus einem Rohr besteht und zwecks Oeffnung ebenfalls durch seitliches Einspannen in Spezialschraubstock elastisch verspannt werden kann.Fig. 8 shows a cross section through a similar embodiment of the force sensor according to the invention as in Fig. 1. The main difference compared to the embodiment shown in Fig. 1 is the commercially available tube, in that the force is introduced via separate force introduction parts 7, i.e. separated from the hollow profile 1 by an insulating layer 9. This makes it possible to keep both signal derivations separate from the hollow profile 1, which makes the measuring system less susceptible to interference. The signal is derived on the one hand via the conductive foil 5, and on the other hand via signal conductors 8, which are inserted in an electrically conductive manner in grooves in the force conducting parts 7. Mechanically, the embodiment of the force sensor shown in Fig. 2 also represents a variant of Fig. 1, in that the hollow body 1 consists of a tube and can also be elastically clamped by clamping it laterally in a special vice for the purpose of opening.
Fig. 9 zeigt ein erf indungsge*mässes 'Hohiproifil in Form eines 6-kant Rohres, das ebenfalls durch Einspannen in x-Richtung mechanisch geöffnet werden kann. Es sind aber auch andere Hohlprofile denkbar.Fig. 9 shows a hollow profile according to the invention in the form of a hexagonal tube, which can also be opened mechanically by clamping in the x-direction. However, other hollow profiles are also conceivable.
Fig. 10 zeigt einen Kraftsensor nach Fig. 8 im Längsschnitt mit den in kurzen Abständen angeordneten Piezoelementen 4, den Signalleitern 8 und der elektrisch leitenden Folie 5.Fig. 10 shows a force sensor according to Fig. 8 in longitudinal section with the piezo elements 4 arranged at short intervals, the signal conductors 8 and the electrically conductive foil 5.
Bei den bisher dargestellten Ausführungsformen der Erfindung waren die in den Kraftsensor integrierten Elektronikbauteile im Verstärkermodul 11 untergebracht. Ueblicherweise handelt es sich um Ladungsverstärker oder Impedanzwandler. Integrierte Impedanzwandler haben zur Folge, dass die nachgeschalteten Kabel.nicht mehr hochohmig isoliert sein müssen. Es kann nun erwünscht sein, wie später in der Beschreibung von Fig'. 14 eingehender dargestellt, dass einzelne Piezoelemente 4 elektrisch durch Parallelschaltung verbunden sind und die Messsignale der derart entstehenden Gruppe von Piezoelementen getrennt nach aussen, d.h. zur Signalverarbeitungsanlage 19 geführt werden, wie in Fig. 14 gezeigt. Die Vorverstärker, von denen zu jeder Gruppe mindestens einer gehört, können dann z.B. innerhalb des Hohlprofils 1 liegen, wie in Fig. 11 dargestellt. Der Vorverstärker 18 ist in der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform seitlich an den elektrisch isolierenden Piezoelementen 4 angebracht, elektrisch verbunden einerseits mit der leitenden Folie 5, andererseits ,mit einem der voneinander elektrisch isolierten Signalleiter 8. Die beiden andern eingezeichneten Signalleiter 8 leiten die von weiteren Piezoelementen 4 oder Gruppen von Piezoelementen 4 stammenden Messsignale ab.In the embodiments of the invention presented so far, the electronic components integrated into the force sensor were housed in the amplifier module 11. These are usually charge amplifiers or impedance converters. Integrated impedance converters mean that the downstream cables no longer have to be insulated with high resistance. It may now be desirable, as will be explained in more detail later in the description of Fig. 14, for individual piezo elements 4 to be electrically connected in parallel and for the measurement signals of the group of piezo elements created in this way to be fed separately to the outside, i.e. to the signal processing system 19, as shown in Fig. 14. The preamplifiers, of which at least one belongs to each group, can then be located, for example, within the hollow profile 1, as shown in Fig. 11. In the embodiment shown in Fig. 11, the preamplifier 18 is attached to the side of the electrically insulating piezo elements 4, electrically connected on the one hand to the conductive foil 5, and on the other hand to one of the signal conductors 8 that are electrically insulated from one another. The other two signal conductors 8 shown derive the measurement signals originating from other piezo elements 4 or groups of piezo elements 4.
Es. ist vorteilhaft, wenn die Signalleiter 8, Vorverstärker sowie ev. weitere elektrische Bauteile innerhalb des Hohlprofils 1 liegen, weil sie dadurch gegen korrosive Einflüsse von aussen geschützt und elektrisch abgeschirmt sind.It is advantageous if the signal conductors 8, preamplifiers and possibly other electrical components are located within the hollow profile 1, because they are thereby protected against corrosive influences from the outside and are electrically shielded.
Die separate Ableitung von •Messsigiia^enJ'hat'^aucji den Vorteil, dass bei Unterbruch einer Signalleitung nicht der ganze Kraftsensor ausser Funktion gesetzt wird, sondern nur ein einzelnes Piezoelement 4 oder eine einzelne Gruppe von Piezoelementen 4. Bei Serieschaltung gerät u.U. der ganze Kraftsensor ausser Funktion. Zudem ermöglicht jeder Vorverstärker eine Abstimmung und damit eine Eichung der lokalen Messempfindlichkeit des oder der zugehörigen Piezoelemente 9.The separate derivation of measurement signals also has the advantage that if a signal line is interrupted, not the entire force sensor is put out of action, but only a single piezo element 4 or a single group of piezo elements 4. If connected in series, the entire force sensor may become inoperative. In addition, each preamplifier enables tuning and thus calibration of the local measurement sensitivity of the associated piezo element or elements 9.
Fig. 12 stellt ein einfaches Montageverfahren für den erfindungsgemässen Kraftsensor dar. Die leitende Folie 5, die beidseitig paarweise aufgeklebten Piezoscheiben 3, die Krafteinleitteile 7 sowie die Signalleiter 8 bilden eine vormontierte Montageeinheit ähnlich einer Gliederkette von 1...2 m Länge.Fig. 12 shows a simple assembly method for the force sensor according to the invention. The conductive foil 5, the piezo disks 3 glued on both sides in pairs, the force introduction parts 7 and the signal conductors 8 form a pre-assembled assembly unit similar to a link chain of 1...2 m in length.
Das Hohlprofil 1 (in diesem Falle ein Rohr) wird, analog zu dem in Fig. 2 dargestellten Verfahren, durch seitliche Pressung in der z-Richtung ausgedehnt, wodurch genügend freier Raum entsteht, um die oben genannte Montageeinheit in das Rohr einzuführen. Wird die seitliche Pressung aufgehoben, so zieht sich das Rohr wieder zusammen, wobei die Montageeinheit mit den Piezoelementen 4 unter elastische Vorspannung gesetzt werden. Die bisher in den Figuren dargestellten Ausführungsformen der Erfindung zeigen kreisförmige Querschnitte des Hohlprofils. Es sind jedoch auch quadratische, rechteckige, sechseckige und andere Querschnitte möglich.The hollow profile 1 (in this case a pipe) is expanded by lateral pressure in the z-direction, analogous to the process shown in Fig. 2, which creates enough free space to insert the above-mentioned assembly unit into the pipe. If the lateral pressure is removed, the pipe contracts again, whereby the assembly unit with the piezo elements 4 is placed under elastic prestress. The embodiments of the invention shown so far in the figures show circular cross-sections of the hollow profile. However, square, rectangular, hexagonal and other cross-sections are also possible.
Fig. 13 zeigt eine Messanordnung, welche das erfindungsgemässe Kraftsensorsystem zum Erfassen der den Rohrsensor überfahrenden Achsen verwendet.Fig. 13 shows a measuring arrangement which uses the force sensor system according to the invention to detect the axes passing over the pipe sensor.
Fig. 13a zeigt den Querschnitt durch eine zweispurige Fahrbahn. Die Sensormodule 12 sind im Fahrbahnbelag 20 in bestimmter Tiefe 't' eingebettet und über Wellschlauchkabel 10 mit der Signalverarbeitungsanlage 19 verbunden.Fig. 13a shows the cross-section through a two-lane roadway. The sensor modules 12 are embedded in the road surface 20 at a specific depth ‘t’ and are connected to the signal processing system 19 via corrugated hose cables 10.
Zur Erfassung der FahrzeuggcschwindvgketLt werden zwei solcher Kraftsensorsysteme in einem bestimmten Abstand von beispielsweise 10 m hintereinander angeordnet.To measure the vehicle speed, two such force sensor systems are arranged one behind the other at a certain distance of, for example, 10 m.
Fig. 13b zeigt die Schaltungsart der im Kraftsensorsystem angeordneten Piezoelemente 4. Dabei sind alle hintereinander geschaltet, sodass nur die elektrisch leitende Folie 5 und die Signalleiter 8 zum Vorverstärker der Signalverarbeitungsanlage 19 führen.Fig. 13b shows the type of connection of the piezo elements 4 arranged in the force sensor system. All of them are connected in series so that only the electrically conductive foil 5 and the signal conductors 8 lead to the preamplifier of the signal processing system 19.
Fig. 13c zeigt die registrierten Signale wenn ein Personenwagen 21 und kurz darauf ein Lastwagen 22 über das Kraftsensorsystem fahren.Fig. 13c shows the signals recorded when a passenger car 21 and shortly thereafter a truck 22 drive over the force sensor system.
Die gemessenen Impulse können im.Rechner über Algorithmen direkt in Achslastwerte umgewertet werden. Bei zwei hintereinander angeordneten Anlagen kennen die Impulsanstiege direkt zur Geschwindigkeitsmessung verwendet werden.The measured pulses can be converted directly into axle load values in the computer using algorithms. If two systems are arranged one behind the other, the pulse increases can be used directly to measure the speed.
Die Begrenzung des Systems ist ersichtlich, wenn zwei Fahrzeuge nebeneinander genau gleichzeitig das Kraftsensorsystem passieren. Für solche Anwendung ist es vorteilhaft, wenn die Piezoelemente 4 der Ueberholfahrbahn separat von der Hauptfahrbahn an die Signalverarbeitungsanlage 19 geleitet werden, was ohne weiteres möglich ist.The limitation of the system is apparent when two vehicles pass the force sensor system next to each other at exactly the same time. For such applications, it is advantageous if the piezo elements 4 of the overtaking lane are routed separately from the main lane to the signal processing system 19, which is easily possible.
Fig. 14 zeigt einen Extremfall der Einzelauflösung der Empfindlichkeit über die gesamte Länge des erfindungsgemässen Kraftsensorsystems.Fig. 14 shows an extreme case of the individual resolution of the sensitivity over the entire length of the force sensor system according to the invention.
Fig. 14a zeigt den Querschnitt durch eine zweispurige Fahrbahn Fig. 13a.Fig. 14a shows the cross-section through a two-lane carriageway Fig. 13a.
Fig. 14b zeigt die Schaltungsart der im Kraftsensorsystem angeordneten Piezoelemente 4. Dabei sind jeweils zwei Piezoelemente 4 via separaten Signalleiter 8 mit der Signalver-Fig. 14b shows the type of connection of the piezo elements 4 arranged in the force sensor system. Two piezo elements 4 are connected to the signal conductor 8 via a separate signal conductor.
arbeitungsanlage 19 verbunden. *Noch*'ext*remel: konnte jedes einzelne Piezoelement 4 mit der Signalverarbeitungsanlage verbunden sein. Damit sind gemäss Fig. 14c ganz neue Möglichkeiten offen, indem die Fahrbahnbreite in Dutzende von Einzelabschnitten aufgeteilt werden kann.processing system 19. *Even*'ext*remel: every single piezo element 4 could be connected to the signal processing system. This opens up completely new possibilities as shown in Fig. 14c, as the width of the roadway can be divided into dozens of individual sections.
Fig. 14c zeigt ein Strassenbelastungsdiagramm summiert z.B. nach einem Tag. Damit kann die Strassenbelagsforschung sehr wichtige Schlüsse über den Belastungszustand einzelner Strassenabschnitte aufstellen.Fig. 14c shows a road load diagram summed up after one day, for example. This allows road surface research to draw very important conclusions about the load status of individual road sections.
Fig. 15 zeigt die Dimensionen eines Fräsprofils wie es z.B. in einer Betonfahrbahn vorgesehen ist. Die optimierten Erfahrungswerte Winkel C6 , Bodenradius R und Tiefe t sind in ausgedehnten Versuchsreihen gewonnen.Fig. 15 shows the dimensions of a milling profile as it is intended for a concrete roadway, for example. The optimized empirical values angle C6, ground radius R and depth t were obtained in extensive series of tests.
Fig. 16 zeigt den Einbau im Querschnitt, Der Kraftsensor 1 kann gemäss der linken Figurhälfte direkt im Belag aufliegen oder in die Schiene 25 eingelegt sein, gemäss rechter Figurhälfte. Die Schiene 25 ist ihrerseits mittels Stützdornen 28 fest in der Fahrbahn verankert. Von besonderer Bedeutung sind der Oeffnungswinkel Ot und die Verbindung der Ausgussmasse 2 6 mit den Seitenwänden. Eventuell kann es vorteilhaft sein, die krafteinleitende Partie 6 mit Kraftübertragungsteilen 27, die in Zapfen-oder Leistenform auf dem Rohrprofil angebracht sind, vorzusehen. Diesbezüglich sind noch umfassende Versuche im Gang. Von grosser Bedeutung ist auch die Zusammensetzung der Ausgussmasse 26, je nachdem eine Asphalt- oder Betonfahrbahn ausgerüstet werden soll. Durch Zumischung von Kunststoffteilen kann die Ausgussmasse durch Versuchsserien optimiert werden. Ziel ist ein jahrelang zuverlässiger Einbau des erfindungsgemässen Kraftsensorsystems.Fig. 16 shows the installation in cross section. The force sensor 1 can rest directly in the surface according to the left half of the figure or be inserted into the rail 25 according to the right half of the figure. The rail 25 is in turn firmly anchored in the roadway by means of support pins 28. The opening angle Ot and the connection of the pouring compound 2 6 with the side walls are of particular importance. It may be advantageous to provide the force-introducing section 6 with force transmission parts 27, which are attached to the tubular profile in the form of pins or strips. Extensive tests are still underway in this regard. The composition of the pouring compound 26 is also of great importance, depending on whether an asphalt or concrete roadway is to be equipped. The pouring compound can be optimized through test series by adding plastic parts. The aim is to ensure that the force sensor system according to the invention can be installed reliably for many years.
Auf die elektronischen Auswertsysterne zur Erfassung der Achslasten der Fahrgeschwindigkeit der Achsabstände zur Erkennung der Fahrzeugtypen und Katalogisierung derselben,On the electronic evaluation systems for recording the axle loads, the driving speed and the axle distances to identify the vehicle types and to catalog them,
soll hier nicht eingegangen"«werlden/.iL'n tier Fachliteratur, besteht über Trafficmanagement Systeme bereits ein grosses Wissen. Diese Systeme sind bis heute mehrheitlich auf in der Fahrbahnoberfläche eingebauten Induktions-Schleifen aufgebaut und sind teilweise mit Piezokabelsensoren ergänzt worden.will not be discussed here. In the specialist literature, there is already a great deal of knowledge about traffic management systems. To date, these systems are mostly based on induction loops built into the road surface and have been partially supplemented with piezo cable sensors.
Zuverlässige Trafficmanagement Systeme sind aber bis heute nicht möglich geworden, weil keine zuverlässigen Achslastsensoren bekannt geworden sind.However, reliable traffic management systems have not yet become possible because no reliable axle load sensors have been identified.
Das erfindungsgemässe Kraftsensorsystem deckt damit eine Marktlücke ab mit einem Solidstate Sensorsystem, dessen Deformation unter Max.-Last im Bereich von wenigen Mikrometern liegt und dessen Empfindlichkeitsbereich vom Motorrad bis zum 40t Lastzug reicht.The force sensor system according to the invention thus covers a gap in the market with a solid-state sensor system whose deformation under maximum load is in the range of a few micrometers and whose sensitivity range extends from motorcycles to 40-ton trucks.
Die piezoelektrische Messtechnik ist für die Registrierung hochdynamischer Vorgänge ideal. Sie weist auch die grösste Auflösungsmöglichkeit aller bekannten Messsysteme auf. Durch die einfache Signalabführung mit nur einem Leiter ist es ohne weiteres möglich, Dutzende von Einzelpiezoelementen separat der Signalverarbeitungsanlage 19 zuzuführen.Piezoelectric measuring technology is ideal for recording highly dynamic processes. It also has the greatest resolution of all known measuring systems. The simple signal transmission with just one conductor makes it possible to feed dozens of individual piezo elements separately to the signal processing system 19.
Von ausschlaggebender Bedeutung ist auch die Tatsache, dass die Piezcelemente die Messenergie selber erzeugen, die unter hoher Spannung sofort in der Signalveraarbeitungsanlage 19 umgewandelt wird. Eine Aufheizung des Kraftsensorsystems'wie' dies z.B. mit DMS bestückten Elementen der Fall wäre, trifft mit P.iezoelementen nicht auf, sodass das erf indungsgemässe Kraftsensorsystem stets die Temperatur seiner Umgebung hat, womit Grenzschichtprobleme vermieden werden.Also of crucial importance is the fact that the piezo elements generate the measuring energy themselves, which is immediately converted in the signal processing system 19 under high voltage. Heating of the force sensor system, as would be the case with strain gauge elements, for example, does not occur with piezo elements, so that the force sensor system according to the invention always has the temperature of its environment, thus avoiding boundary layer problems.
Die Verwendung von piezoelektrischen Vorverstärkern ist seit 15 Jahren bekannt. Sie können durch Solidstatetechnik auf wenig mm 3 miniaturisiert werden.The use of piezoelectric preamplifiers has been known for 15 years. They can be miniaturized to just a few mm3 using solid-state technology.
• « · « · · ·»«· · ··· ···· Hybrid-Ladungsverstärker si'nji den Tejrtpetatur.-3 uSid Erschütterungen des Strassenbetriebs voll gewachsen, sie ermöglichen konstante Empfindlichkeit der Piezoelemente 4 unabhängig von der Anzahl der angeschalteten Menge. • « · « · · ·»«· · ··· ···· Hybrid charge amplifiers are fully capable of withstanding the vibrations of road use and enable constant sensitivity of the piezo elements 4 regardless of the number of units switched on.
Das erfindungsgemässe Kraftsensorsystem öffnet damit eine Reihe von Möglichkeiten, die sowohl in der Steuerung der zunehmend komplizierteren Verkehrsaufgaben, wie auch in der Zustandsüberwachung hochbeanspruchter Fahrbahnen auf Brücken, Tunneln etc. von Bedeutung werden können.The force sensor system according to the invention thus opens up a number of possibilities that can be important both in the control of increasingly complex traffic tasks and in the condition monitoring of highly stressed roadways on bridges, tunnels, etc.
In grösserem Verbund angewendet, ermöglicht das erfindungsgemässe System die Transportflussrichtungen statistisch zu erfassen, was Gesamt-Uebersichten von internationalen Strassentransportwegen eröffnet.When used in a larger network, the system according to the invention enables the transport flow directions to be recorded statistically, which opens up overall overviews of international road transport routes.
Schlussendlich kann das System aber auch Fahrzeuge mit Ueberlast aus dem Verkehrsstrom ausscheiden.Ultimately, the system can also exclude vehicles that are overloaded from the traffic flow.
Es ist anzunehmen, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten von. 5 km/h bis 200 km/h zuverlässige Gewichtsaussagen ermöglichen.It can be assumed that vehicle speeds of 5 km/h to 200 km/h allow reliable weight statements.
Eine weitere interessante Anwendung wird das erfindungsgemässe System auch zur Registrierung des Gütertransportes innerhalb von Fabrikanlagen und Flugzeugpisten ergeben.Another interesting application of the system according to the invention will be the registration of goods transport within factories and aircraft runways.
Claims (12)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH4024/90A CH683714A5 (en) | 1990-12-19 | 1990-12-19 | Force sensor arrangement, in particular for the dynamic axle load, speed, center distance and total weight determination of vehicles. |
| EP91810874A EP0491655B1 (en) | 1990-12-19 | 1991-11-13 | System of force sensors, especially for dynamic determination of axial charge, speed, axial distance and total weight of vehicles |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9116890U1 true DE9116890U1 (en) | 1994-09-01 |
Family
ID=25694462
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9116890U Expired - Lifetime DE9116890U1 (en) | 1990-12-19 | 1991-11-13 | Force sensor system, in particular for dynamic axle load, speed, axle distance and total weight determination of vehicles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9116890U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102021101936B3 (en) | 2021-01-28 | 2022-06-02 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Force measuring pin, force measuring system and roller bearing arrangement |
-
1991
- 1991-11-13 DE DE9116890U patent/DE9116890U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102021101936B3 (en) | 2021-01-28 | 2022-06-02 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Force measuring pin, force measuring system and roller bearing arrangement |
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