Линейный дорожный датчик веса
Изобретение относится к датчикам веса, встроенным в дорожное полотно. Техническим результатом изобретения является обеспечение постоянного обжатия элементов датчика в вертикальном направлении по всей его протяженности. Линейный дорожный датчик веса содержит: чувствительные элементы, нижний концентратор, общая длина которого многократно превосходит его ширину и толщину, предназначенный для размещения на нем чувствительных элементов, верхний концентратор, общая длина и ширина которого примерно равны общей длине и ширине нижнего концентратора, предназначенный для размещения на чувствительных элементах, набор крепежных средств, размещенных по длине нижнего и верхнего концентраторов в промежутках между чувствительными элементами и выполненных с возможностью обеспечения заранее заданного усилия взаимного прижатия нижнего и верхнего концентраторов, создающего нормированное начальное обжатие расположенных между ними чувствительных элементов без приложения внешней нагрузки и свободное сближение верхнего и нижнего концентраторов при приложении нагрузки от АТС. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее - к линейным дорожным датчикам веса, предназначенным для установки в дорожном полотне с целью измерения характеристик проезжающего автотранспортного средства (АТС).
Уровень техники
В мировой практике реализации автоматических систем динамического измерения поосного и общего веса АТС в процессе движения - "Weigh-in-Motion" (WIM) - в качестве линейных датчиков, перекрывающих всю ширину контролируемой полосы движения, преимущественно используются устройства на базе дискретных чувствительных элементов из монокристаллических пьезоматериалов (Фиг. 1а-б). Эти устройства чаще всего представляют собой установленную в дорожном покрытии перпендикулярно направлению движения АТС конструкцию с набором расположенных в одном или нескольких параллельных рядах с небольшим пространственным шагом локальных монокристаллических, например кварцевых, дискретных чувствительных элементов, выполненных, например, в виде шайб (см., например, статью «242 грамма “любительской”, или Точность взвешивания автотранспорта в процессе движения», журнал «Автомобильные дороги» № 4, 2013, с. 32).
Основные недостатки наиболее распространенных в практике весового мониторинга конструкций линейных датчиков на базе дискретных чувствительных элементов 1 (Фиг. 1а-б) связаны с размещением установочного элемента («кроватки») с встроенными в его выемки чувствительными элементами в замкнутом пространстве металлического, чаще всего алюминиевого, корпуса. Изменение температуры слоев дорожного покрытия, смежных с корпусом такого датчика, или локальные его деформации могут существенно влиять на работу отдельных чувствительных элементов и искажать итоговые показатели датчика в целом. Например, при тепловой деформации корпуса механический контакт отдельных чувствительных элементов со смежными с ними частями корпуса может ослабнуть или исчезнуть вовсе. Таким образом, импульсная реакция данных чувствительных элементов на внешнее воздействие может быть существенно искажена.
Этим и было обусловлено возникновение принципиально отличных конструкций датчика, в которых внешние (верхние и нижние) части корпуса выполнены независимыми друг от друга (см. патент РФ на полезную модель № 127913, опубл. 09.01.2013). На Фиг. 1в изображен датчик на основе интегрального чувствительного элемента 1 из пьезоэлектрического кабеля, размещенного в канале установочного элемента 4 из эластичного материала, расположенного между независимыми обкладками 2, 3 корпуса. По аналогичной конструкции выполняются и датчики на основе дискретных монокристаллических элементов 1 (Фиг. 2).
На Фиг. 2а-б схематично изображена конструкция такого датчика на дискретных чувствительных элементах 1 в двух проекциях. На Фиг 2а иллюстрируется размещение парциального чувствительного элемента 1, размещенного в соответствующей ему по форме выемке установочного элемента («кроватки») 4 из непроводящего материала, расположенной поверх основания (нижнего концентратора) 2 корпуса. Эта конструкция накрыта вторым (верхним) концентратором 3. Другая проекция (Фиг. 2б) иллюстрирует размещение совокупности парциальных чувствительных элементов 1 с пространственным шагом h в выемках расположенного поверх основания 2 установочного элемента 4 (верхний концентратор 3 не изображен).
Естественно, что для штатной работы датчика необходимо прилегание смежных поверхностей концентратора и чувствительных элементов по всей площади их совмещения. Это условие относится как к датчикам на дискретных, так и на интегральных чувствительных элементах (особенно важно это обстоятельство при отсутствии на параллельных плоскостях дискретных чувствительных элементов металлизации, обеспечивающей концентрацию заряда, вырабатываемого за счет прямого пьезоэффекта).
Рассмотрим схематическую модель датчика (Фиг. 3), чувствительные элементы 1 которого размещены между двумя параллельно расположенными концентраторами (жесткими обкладками) 2, 3. Верхний концентратор 3 распределяет поступающую от колеса АТС нагрузку между лежащими вокруг точки его приложения чувствительными элементами 1.
При размещении датчика в замкнутом корпусе с круглой (по типу Фиг. 1) или любой другой формой сечения внутренней полости необходимо, чтобы после завершения сборки всей конструкции она составляла единое целое, причем вне зависимости от температурных воздействий, то есть конструкция датчика внутри защитного корпуса должна быть постоянно «подпружинена», иначе сказать - защитный корпус должен осуществлять постоянное обжатие внутренних элементов датчика по всей его протяженности и вне зависимости от внешних условий. Для этой цели предложено выполнять корпус для линейного датчика шестигранным (Фиг. 4), как раскрыто на Фиг. 4 в патенте США № 5501111 (опубл. 26.03.1996). Внутренняя полость корпуса 5 имеет ширину не меньше ширины датчика 15 (с небольшим допуском), а высота внутренней полости корпуса 5 немного меньше высоты датчика 15. Боковые стенки 6 корпуса 5 имеют выступы наружу, к которым можно прикладывать усилия, чтобы верхнее и нижнее основания корпуса 5 разошлись на некоторое расстояние для свободного вставления датчика 15. После сборки усилия с боковых стенок корпуса снимаются и его горизонтальные основания обжимают датчик 15.
Данная конструкция имеет тот недостаток, что прикладываемые усилия для разведения оснований должны быть достаточно велики вследствие большой жесткости осесимметричной шестигранной конструкции. По той же причине большей жесткости обжатие датчика основаниями корпуса может оказаться недостаточным для требуемой точности. В случае же избыточного усилия деформация корпуса может привести к превышению предела упругости материала и после снятия этого усилия корпус не полностью вернется к исходному размеру и не обеспечит требуемого обжатия датчика 15. При этом ряд чувствительных элементов может потерять механический и электрический контакт с внешними интеграторами и перестать участвовать в выработке отклика на приложенную к датчику внешнюю нагрузку.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка такой конструкции линейного дорожного датчика веса, которая обеспечивала бы постоянное обжатие этого датчика в вертикальном направлении по всей его протяженности, но не препятствовала бы передаче нагрузки на чувствительные элементы датчика.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата предложен линейный дорожный датчик веса, содержащий: чувствительные элементы, предназначенные для выработки электрических сигналов при приложении к ним нагрузки от проезжающего через этот датчик автотранспортного средства (АТС); нижний концентратор, общая длина которого многократно превосходит его ширину и толщину, предназначенный для размещения на нем чувствительных элементов в по меньшей мере одном ряду по длине нижнего концентратора; верхний концентратор, общая длина и ширина которого примерно равны общей длине и ширине нижнего концентратора, предназначенный для размещения на чувствительных элементах с целью передачи на них нагрузки от АТС; набор крепежных средств, размещенных по длине нижнего и верхнего концентраторов в промежутках между чувствительными элементами и выполненных с возможностью обеспечения как заранее заданного усилия взаимного прижатия нижнего и верхнего концентраторов, создающего нормированное начальное обжатие расположенных между ними чувствительных элементов без приложения внешней нагрузки, так и свободное сближение верхнего и нижнего концентраторов при приложении нагрузки от АТС.
Особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что каждый из упомянутых чувствительных элементов может быть выполнен интегральным с использованием любого средства, выбранного из группы, включающей в себя пьезокабель, оптоволоконный кабель, вакуумную трубку или гидравлическую трубку.
При этом крепежные средства могут быть размещены в двух рядах с обеих сторон от единственного интегрального чувствительного элемента либо в одном ряду между двумя интегральными чувствительными элементами.
Другая особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что чувствительные элементы могут быть выполнены в виде дискретных плоских элементов из пьезочувствительного материала и размещены в одном ряду, а крепежные средства размещены в промежутках между по меньшей мере некоторыми группами дискретных плоских элементов.
Еще одна особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что чувствительные элементы могут быть выполнены в виде дискретных плоских элементов из пьезочувствительного материала и размещены в не менее чем двух параллельных рядах, а крепежные средства размещены в одном ряду в промежутках между двумя рядами дискретных плоских элементов.
Еще одна особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что каждое из крепежных средств может быть выполнено в виде резьбового элемента со шляпкой, свободно проходящего через сквозное отверстие в верхнем концентраторе и закрепленного в нижнем концентраторе своим резьбовым концом так, что шляпка, опирающаяся на верхний концентратор, создает заранее заданное усилие взаимного прижатия при завинчивании резьбового элемента.
Наконец, еще одна особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что чувствительные элементы могут быть размещены в соответствующих отверстиях первого набора отверстий в диэлектрической прокладке, толщина которой не превышает толщины чувствительных элементов, а для крепежных средств в диэлектрической прокладке предусмотрены соответствующие отверстия второго набора отверстий.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, на которых одинаковым или сходным элементам присвоены одни и те же ссылочные позиции.
На Фиг. 1 приведены варианты осуществления известных линейных дорожных датчиков.
На Фиг. 2 приведены виды другого известного дорожного датчика.
На Фиг. 3 показана схематичная модель датчика по Фиг. 2.
На Фиг. 4 приведено поперечное сечение еще одного известного линейного дорожного датчика.
На Фиг. 5 приведен вариант линейного дорожного датчика по настоящему изобретению с однорядным размещением дискретных чувствительных элементов.
На Фиг. 6 приведен вариант линейного дорожного датчика по настоящему изобретению с двухрядным размещением дискретных чувствительных элементов.
На Фиг. 7 приведен вариант линейного дорожного датчика по настоящему изобретению с двухрядным размещением интегральных чувствительных элементов.
Подробное описание вариантов осуществления
Линейный дорожный датчик веса по настоящему изобретению может иметь различные варианты осуществления, частично проиллюстрированные на сопровождающих чертежах (Фиг. 5-7). Но в любом из этих вариантов осуществления линейный дорожный датчик веса содержит чувствительные элементы (дискретные или интегральные), предназначенные для выработки электрических сигналов при приложении к ним нагрузки от проезжающего через упомянутый датчик автотранспортного средства (АТС), нижний и верхний концентраторы (обкладки, интегрирующие прикладываемую к датчику нагрузку и передающие ее к чувствительным элементам) и набор крепежных средств для скрепления концентраторов и находящихся между ними чувствительных элементов. При этом крепежные средства, размещенные по длине нижнего и верхнего концентраторов в промежутках между чувствительными элементами, выполнены с возможностью обеспечивать как заранее заданное усилие взаимного прижатия нижнего и верхнего концентраторов, что создает нормированное начальное обжатие расположенных между ними чувствительных элементов без приложения внешней нагрузки, так и с возможностью свободно сближать верхний и нижний концентраторы при приложении нагрузки от АТС.
На Фиг. 5 показаны виды одного из вариантов осуществления линейного дорожного датчика веса по настоящему изобретению. В этом варианте чувствительные элементы 1 выполнены в виде дискретных плоских элементов, например в виде дисков, хотя допустимы и иные формы (к примеру, квадраты или овалы). Дискретные чувствительные элементы 1 выполнены из пьезочувствительного материала, например кварца, лангасита или иного материала, обеспечивающего формирование зарядов на противоположных сторонах выполненного из него плоского чувствительного элемента при приложении к этим сторонам механической нагрузки.
Дискретные чувствительные элементы 1 в датчике по Фиг. 5 размещены на нижнем концентраторе 2, общая длина которого многократно превосходит его ширину и толщину. Обычно длина линейного дорожного датчика веса соответствует ширине полосы дорожного движения, т.е. составляет примерно 2-3 м. В датчике по Фиг. 5 дискретные чувствительные элементы 1 размещены на нижнем концентраторе 2 в одном ряду по всей длине нижнего концентратора 2 и накрыты верхним концентратором 3, общая длина и ширина которого примерно равны общей длине и ширине нижнего концентратора 2.
В датчике по Фиг. 5 а дискретные чувствительные элементы 1 установлены в цилиндрических отверстиях прокладки 4 из изолирующего материала, например капролона, с использованием установленных с обеих сторон от дискретных чувствительных элементов 1 совпадающих с ними по диаметру цилиндрических контактных втулок 8, внешние поверхности которых соприкасаются со смежными поверхностями нижнего и верхнего концентраторов 2, 3. Крепежными средствами в данном примере являются винты 7 (резьбовые элементы со шляпкой), свободно проходящие через сквозное отверстие в верхнем концентраторе 3 и закрепленные в нижнем концентраторе 2 своим резьбовым концом так, что шляпка опирается сверху на верхний концентратор 3, создавая заранее заданное усилие взаимного прижатия при завинчивании винта 7. Специалистам понятно, что в данном примере винты 7 могут проходить и снизу вверх, т.е. свободно через нижний концентратор 2 с резьбовой частью, ввинчиваемой в верхний концентратор 3. Завинчивание (затягивание) винтов 7 производится с нормированным усилием, обеспечивая одинаковое поджатие чувствительных элементов 1. В то же время при приложении внешней нагрузки (например, от АТС, проезжающего через этот датчик) верхний концентратор 3 может свободно перемещаться вниз благодаря большему диаметру отверстий, через которые пропущены стержни винтов 7.
На Фиг. 5б приведен вид сверху датчика по Фиг. 5а, где изображены размещенные в верхнем концентраторе 3 шлицевые части шляпок винтов (резьбовых элементов) 7 и - пунктиром - проекции дискретных чувствительных элементов 1, установленных в отверстиях прокладки 4 в обрамлении совпадающих с ними по диаметру контактных втулок.
На Фиг. 6а показан фрагмент конструкции одного из вариантов изобретения, где в расположенной поверх нижнего концентратора 2 прокладке 4 в двух параллельных рядах отверстий размещены обрамленные контактными втулками 8 дискретные чувствительные элементы 1. Отверстия 10 предназначены для размещения крепежных элементов (верхний концентратор 3 и крепежные элементы 7 не показаны).
На Фиг. 6б в аналогичной проекции приведен тот же вариант изобретения, но с изображенным на нем верхним концентратором 3. На разрезе в торцевой части датчика виден один из чувствительных элементов 1, установленный в прокладке 4 в обрамлении контактных втулок 8. Со стороны верхнего концентратора 3 видны проекции (пунктир) дискретных чувствительных элементов 1 и шлицевые части крепежных элементов (винтов) 7.
Крепежные элементы 7 в датчиках на интегральных чувствительных элементах 1 устанавливаются аналогичным образом, например, как показано на Фиг. 7 для двухрядной укладки интегральных чувствительных элементов (пьезокабелей) 1. На Фиг. 7 (вид сверху) показаны проекции уложенных под верхним концентратором 3 интегральных чувствительных элементов (пьезокабелей) 1 и шлицевые части крепежных элементов (винтов) 7, установленных в данном варианте осуществления по продольной оси датчика. Специалистам понятно, что, в принципе, крепежные элементы 7 могут устанавливаться в любых зонах датчика вне мест размещения чувствительных элементов 1. На виде сбоку по Фиг. 7 иллюстрируется размещение чувствительных элементов 1 в каналах установочного элемента 4, расположенного между концентраторами 2 и 3.
Специалистам понятно, что проиллюстрированные варианты осуществления не ограничивают настоящее изобретение и что крепежные элементы могут быть выполнены любым известным способом. В частности, возможны варианты, в которых в нижнем концентраторе 2 зафиксированы (к примеру, приварены) резьбовые шпильки, свободно проходящие через отверстия в верхнем концентраторе 3, начальное прижатие которого регулируется гайками, навинчиваемыми на резьбовые части этих шпилек и фиксируемые затем, например, контргайками или развальцовкой.
Специалистам понятно также, что крепежные элементы размещены не обязательно между каждой парой дискретных чувствительных элементов, но могут размещаться и между группами из нескольких дискретных чувствительных элементов.
По завершении затяжки и фиксации крепежных элементов датчик размещается в корпусе, обеспечивающем любым известным способом механический контакт смежных частей корпуса и внешних поверхностей обкладок датчика.
Таким образом, в линейном дорожном датчике по настоящему изобретению обеспечивается постоянное обжатие датчика в вертикальном направлении по всей его протяженности и беспрепятственная передача нагрузки на чувствительные элементы датчика.
1. Линейный дорожный датчик веса, содержащий:
- чувствительные элементы, предназначенные для выработки электрических сигналов при приложении к ним нагрузки от проезжающего через упомянутый датчик автотранспортного средства (АТС);
- нижний концентратор, общая длина которого многократно превосходит его ширину и толщину, предназначенный для размещения на нем упомянутых чувствительных элементов в по меньшей мере одном ряду по длине упомянутого нижнего концентратора;
- верхний концентратор, общая длина и ширина которого примерно равны общей длине и ширине упомянутого нижнего концентратора, предназначенный для размещения на упомянутых чувствительных элементах с целью передачи на них упомянутой нагрузки от АТС;
- набор крепежных средств, размещенных по длине упомянутых нижнего и верхнего концентраторов в промежутках между упомянутыми чувствительными элементами и выполненных с возможностью обеспечения как заранее заданного усилия взаимного прижатия упомянутых нижнего и верхнего концентраторов, создающего нормированное начальное обжатие расположенных между ними упомянутых чувствительных элементов без приложения внешней нагрузки, так и свободного сближения упомянутых верхнего и нижнего концентраторов при приложении упомянутой нагрузки от АТС.
2. Датчик по п. 1, в котором каждый из упомянутых чувствительных элементов выполнен интегральным с использованием любого средства, выбранного из группы, включающей в себя пьезокабель, оптоволоконный кабель, вакуумную трубку или гидравлическую трубку.
3. Датчик по п. 2, в котором упомянутые крепежные средства размещены в двух рядах с обеих сторон от единственного упомянутого интегрального чувствительного элемента.
4. Датчик по п. 2, в котором упомянутые крепежные средства размещены в одном ряду между двумя упомянутыми интегральными чувствительными элементами.
5. Датчик по п. 1, в котором упомянутые чувствительные элементы выполнены в виде дискретных плоских элементов из пьезочувствительного материала и размещены в одном ряду, а упомянутые крепежные средства размещены в промежутках между по меньшей мере некоторыми группами упомянутых дискретных плоских элементов.
6. Датчик по п. 1, в котором упомянутые чувствительные элементы выполнены в виде дискретных плоских элементов из пьезочувствительного материала и размещены в не менее чем двух параллельных рядах, а упомянутые крепежные средства размещены в одном ряду в промежутках между упомянутыми двумя рядами дискретных плоских элементов.
7. Датчик по п. 1, в котором каждое из упомянутых крепежных средств выполнено в виде резьбового элемента со шляпкой, свободно проходящего через сквозное отверстие в упомянутом верхнем концентраторе и закрепленного в упомянутом нижнем концентраторе своим резьбовым концом так, что упомянутая шляпка, опирающаяся на упомянутый верхний концентратор, создает упомянутое заранее заданное усилие взаимного прижатия при завинчивании упомянутого резьбового элемента.
8. Датчик по п. 1, в котором упомянутые чувствительные элементы размещены в соответствующих отверстиях первого набора отверстий в диэлектрической прокладке, толщина которой не превышает толщины упомянутых чувствительных элементов, а для упомянутых крепежных средств в упомянутой диэлектрической прокладке предусмотрены соответствующие отверстия второго набора отверстий.
