СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКА МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ И ДАТЧИК МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
MANUFACTURING METHOD OF MECHANICAL ACTION SENSOR, AND MECHANICAL ACTION SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к измерительной технике, а конкретнее - к датчику механического воздействия, предназначенному, к примеру, для взвешивания в движении (WIM - Weigh In Motion) автотранспортных средств, а также к способу изготовления такого датчика.
Уровень техники
В настоящее время известно много различных датчиков веса, используемых для взвешивания в движении автотранспортных средств. Эти датчики используют, как правило, пьезоэлектрические или оптоволоконные чувствительные элементы.
Например, в выложенных заявках на патент Японии №2009-264748 (опубл. 12.11.2009), №2010-032358 (опубл. 12.02.2010) и №2010-185729 (опубл. 26.08.2010) раскрыты чувствительные к давлению датчики на основе кабеля из оптического волокна.
В выложенных заявках на патент Германии №102004036729 (опубл. 23.03.2006) и №102008018671 (опубл. 15.10.2009), а также в заявке на патент ЕПВ №0384874 (опубл. 06.02.1990) описаны емкостные пьезодатчики, устанавливаемые в дорожном полотне.
Разнообразные конструкции пьезодатчиков, пригодных для применения во взвешивающих системах, описаны, например, в патентах США №4794365 (опубл. 27.12.1988) и №5477217 (опубл. 19.12.1995), в заявке на патент США №2009/0021117 (опубл. 22.01.2009), в заявке на патент Великобритании №2042256 (опубл. 17.09.1980), в выложенных заявках на патент Японии №10-090086 (опубл. 10.04.1998), №2007-017421 (опубл. 25.01.2007) и №2010-071840 (опул. 02.04.2010), в заявке на патент Турции №9801893 (опубл. 21.04.2000).
Все упомянутые выше датчики имеют тот недостаток, что на их показания (при использовании таких датчиков в дорожном полотне) существенное влияние оказывает помеховое воздействие в виде поверхностной волны, распространяющейся горизонтально в дорожном полотне от каждого проезжающего колеса. В результате точность измерений с помощью таких датчиков оказывается невысокой.
Известно много различных средств для борьбы с таким помеховым воздействием. К примеру, пьезоэлектрические или оптоволоконные датчики помещают в полую трубку, как в публикации международной заявки №WO 03/84874 (опубл. 06.02.1990). Размещение пьезодатчиков в трубке описывается также в патентах США №5206642 (опубл. 27.04.1993) и №5265481 (опубл. 30.11.1993), в выложенной заявке на патент Японии №2010-197086 (опубл. 09.09.2010). Использование дополнительных прокладок для изоляции уложенных в дорожное полотно пьезодатчиков от воздействия поверхностной волны раскрыто, например, в патентах США №5571961 (опубл. 05.11.1996) и №5668540 (опубл. 16.09.1997), в выложенных заявках на патент Японии №2002-063685 (опубл. 28.02.2002) и №2007-240541 (опубл. 20.09.2007). Наиболее подробно раскрыты такие средства борьбы с мешающими воздействиями в патенте США №5461924 (опубл. 31.10.1995). Тем не менее, этих средств зачастую недостаточно для надежной изоляции датчика давления от действия поверхностной волны, распространяющейся в дорожном полотне или иной среде практически перпендикулярно измеряемому воздействию. К тому же такие дополнительные средства для изоляции поверхностной волны сильно удорожают получающиеся датчики.
В заявке на патент ЕПВ №0186534 (опубл. 12.11.1985) предпринята попытка обойти эту проблему за счет секционирования датчика на его протяжении поперек дорожного полотна. В этом случае сигнал от мешающего воздействия (поверхностной волны) интегрируется не на всем протяжении датчика (несколько метров), а только на отдельных секциях (десятки сантиметров), на которые приходится давление от колес проезжающего автотранспортного средства. При этом общее соотношение сигнал-шум такого датчика возрастает, поскольку секции, не выдающие полезного сигнала (не оказавшиеся под колесами автотранспортного средства), не участвуют в формировании сигнала измерения. Однако и в этом случае проблема устранения мешающего воздействия, хотя и в уменьшенном виде, остается по-прежнему.
Раскрытие изобретения
Таким образом, существует потребность в датчике механического воздействия (в частности, давления), который позволял бы при его установке, например, в дорожное полотно, повысить соотношение сигнал-шум без больших дополнительных затрат.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен датчик механического воздействия, предназначенный для нахождения измеряемого механического воздействия в присутствии мешающего механического воздействия и содержащий: основание датчика, максимальная толщина которого намного меньше двух других его измерений; чувствительный элемент удлиненной формы, охватывающий основание спиральными витками так, что короткий участок каждого из спиральных витков проходит по толщине основания; при этом короткие участки спиральных витков предназначены для ориентирования в плоскости, практически перпендикулярной направлению прихода мешающего воздействия, а длинные участки спиральных витков предназначены для ориентирования в плоскости, практически перпендикулярной направлению прихода измеряемого воздействия.
Особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что короткие участки спиральных витков могут быть покрыты слоем материала, снижающего проникновение мешающего механического воздействия.
Еще одна особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что чувствительный элемент может быть выполнен в виде пьезоэлектрического кабеля или оптоволоконного кабеля, а основание - в виде прямоугольной полосы, на которой длинные участки спиральных витков расположены практически перпендикулярно наибольшему измерению этой прямоугольной полосы. В этом случае основание может иметь поперечное сечение в виде прямоугольника или эллипса.
Другая особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что чувствительный элемент может быть выполнен в виде тензометрической проволоки, а основание - в виде прямоугольной полосы, у которой края длинных сторон отогнуты в одну и ту же сторону, и длинные участки спиральных витков расположены практически перпендикулярно наибольшему измерению прямоугольной полосы. В этом случае тензометрическую проволоку могут закреплять в местах соприкосновения с отогнутыми краями длинных сторон.
Еще одна особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что радиус изгиба между коротким и длинным участками каждого из спиральных витков может быть выбран минимально возможным из условия обеспечения механической целостности чувствительного элемента.
Еще одна особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что спиральные витки чувствительного элемента могут быть выполнены в виде отдельных смежных секций, выводы каждой из которых изолированы от измеряемого и мешающего воздействий.
Наконец, еще одна особенность датчика по настоящему изобретению состоит в том, что секции спиральных витков имеют протяженность вдоль наибольшего измерения основания не менее ширины колеса автотранспортного средства.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложен способ изготовления датчика механического воздействия, предназначенного для нахождения измеряемого воздействия в присутствии мешающего воздействия и содержащего чувствительный элемент удлиненной формы, заключающийся в том, что: обеспечивают основание датчика, максимальная толщина которого намного меньше двух других его измерений; охватывают основание чувствительным элементом в виде спиральных витков так, что короткая часть каждого из спиральных витков проходит по толщине основания; при этом короткие части спиральных витков предназначены для ориентирования в плоскости, практически перпендикулярной направлению прихода мешающего воздействия, а длинные части спиральных витков предназначены для ориентирования в плоскости, практически перпендикулярной направлению прихода измеряемого воздействия.
Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что короткие участки спиральных витков могут быть покрыты слоем материала, снижающего проникновение упомянутого мешающего механического воздействия.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что чувствительный элемент могут выполнять в виде пьезоэлектрического кабеля или оптоволоконного кабеля, а форму основания могут выбирать в виде прямоугольной полосы и располагать длинные участки спиральных витков практически перпендикулярно наибольшему измерению этой прямоугольной полосы. В этом случае основание имеет поперечное сечение в виде прямоугольника или эллипса.
Другая особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что чувствительный элемент могут выполнять в виде тензометрической проволоки, а основание - в виде прямоугольной полосы, у которой края длинных сторон отогнуты в одну и ту же сторону, и могут располагать длинные участки спиральных витков практически перпендикулярно наибольшему измерению полосы. В этом случае тензометрическую проволоку могут закреплять в местах соприкосновения с отогнутыми краями длинных сторон.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что радиус изгиба между коротким и длинным участками каждого из спиральных витков могут выбирать минимально возможным из условия обеспечения механической целостности чувствительного элемента.
Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что спиральные витки чувствительного элемента могут выполнять в виде отдельных секций, выводы каждой из которых изолированы от измеряемого и мешающего воздействий.
Наконец, еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что в случае предназначения датчика для поколесного взвешивания автотранспортного средства секции спиральных витков могут располагать на основании на расстоянии одна от другой не больше расстояния между внутренними сторонами колес того автотранспортного средства, которое имеет минимальное разнесение колес на одной оси.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение иллюстрируется приложенными чертежами, на которых одинаковым элементам на разных чертежах присвоены одинаковые ссылочные позиции.
Фиг.1 показывает условный вид, поясняющий размещение датчика, предназначенного для измерения веса проезжающего автотранспортного средства, в дорожном полотне и направление воздействующих на такой датчик механических усилий.
Фиг.2 показывает один пример выполнения датчика по настоящему изобретению.
Фиг.3 иллюстрирует пример выполнения секционированного датчика по настоящему изобретению.
Фиг.4 показывает другой пример выполнения датчика по настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Датчик механического воздействия по настоящему изобретению предназначен для нахождения измеряемого механического воздействия в присутствии мешающего механического воздействия. Такой датчик можно использовать в случае, когда необходимо измерять первое усилие при наличии второго усилия, направленного под углом к первому.
Например, такая задача возникает при измерении веса автотранспортного средства, проезжающего по датчику 1, встроенному в поверхность дорожного полотна 2 (Фиг.1). При этом в самом дорожном полотне 2 возникает механическое колебание, распространяющееся вдоль его поверхности, так что на датчик 1 одновременно воздействуют как вес Р проезжающего автотранспортного средства (на Фиг.1 условно пунктирной линией показано колесо этого автотранспортного средства), так и усилие К от упомянутого колебания. Вес Р направлен на датчик 1 по вертикали, тогда как воздействие К механического колебания в дорожном полотне 2 направлено по горизонтали.
a
В том случае, когда чувствительный элемент датчика 1 по настоящему изобретению выполнен в виде пьезоэлектрического кабеля или оптоволоконного кабеля, изменяющего свои свойства при надавливании на него, датчик 1 содержит (Фиг.2) основание 3, которое представляет собой, как правило, удлиненную пластину из подходящего материала, например, пластмассы или алюминия. Поперечное сечение этой пластины может быть прямоугольным или эллиптическим. Характерно, что максимальная толщина такой пластины намного меньше двух других измерений. На Фиг.2 основание 3 изображено в виде прямоугольной в сечении пластины, толщина b которой намного (по меньшей мере в 5 раз) короче ширины l и длины .
Как уже отмечено, в датчиках веса, используемых для взвешивания в движении автотранспортных средств, чаще всего применяются пьезоэлектрические или оптоволоконные чувствительные элементы. В датчике по настоящему изобретению также возможно использование таких чувствительных элементов. На Фиг.2 чувствительный элемент 4, представляющий собой длинный пьезоэлектрический или оптоволоконный кабель, охватывает основание 3 спиральными витками. На Фиг.2 эти спиральные витки изображены разнесенными друг от друга с шагом h, однако это не является обязательным, и витки могут быть расположены вплотную один к другому. Длинный участок каждого из этих спиральных витков проходит по ширине l основания 3, а короткий участок каждого из спиральных витков проходит по толщине b основания 3. Таким образом, датчик 1 получается в виде длинной спирали, навитой на основание 3.
Датчик 1, если он предназначен для установки в дорожное полотно 2, должен размещаться поперек направления движения автотранспортных средств, проезжающих по этому дорожному полотну 2. При этом короткие участки спиральных витков предназначены для ориентирования в плоскости, практически перпендикулярной направлению прихода мешающего воздействия (в данном случае, усилия К на Фиг.1), а длинные участки спиральных витков предназначены для ориентирования в плоскости, практически перпендикулярной направлению прихода измеряемого воздействия (в данном случае, усилия Р на Фиг.1). Любое из этих воздействий воспринимается чувствительным элементом 4, если какой-либо из его отрезков расположен под некоторым углом к направлению прихода данного воздействия. Или - что то же - интенсивность сигнала, возникающего в чувствительном элементе 4 под влиянием некоторого воздействия, пропорциональна проекции соответствующего отрезка чувствительного элемента 4 на плоскость, перпендикулярную направлению прихода этого воздействия.
a
Спиральные витки чувствительного элемента 4 на основании 3 могут быть навиты по-разному. Например, если длинные участки спиральных витков перпендикулярны длине  основания 3, то короткие участки этих спиральных витков будут проходить по толщине b под некоторым углом. В этом случае измеряемое воздействие (т.е. вес Р) будет восприниматься всеми - и длинными, и короткими - отрезками спиральных витков. Поскольку, как указано выше, b<<l, можно приближенно считать, что измеряемое воздействие будет восприниматься всем спиральным витком, т.е. всей его длиной, равной 2(l+h). Мешающее же воздействие (т.е. усилие К) будет восприниматься только короткими отрезками спиральных витков, поскольку длинные отрезки повернуты торцами к направлению прихода этого усилия К. Следовательно, восприятие мешающего воздействия К будет осуществляться на каждом спиральном витке на длине 2h. Тогда соотношение сигналов от измеряемого и мешающего воздействий в чувствительном элементе 4 будет примерно пропорционально (l+h)/h.
<mrow><msqrt><mrow><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>/</mo><mi>h</mi></mrow>
Спиральные витки можно навивать и иначе. К примеру, они могут проходить наискось по ширине l и перпендикулярно по толщине 6 (косая навивка). Тогда нетрудно показать, что соотношение сигналов от измеряемого и мешающего воздействий в чувствительном элементе 4 будет примерно пропорционально
.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>l</mi><mo>+</mo><msqrt><mrow><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>4</mn><msup><mi>h</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mn>2</mn><mi>h</mi></mrow>
В случае пилообразной навивки, когда короткие участки проходят перпендикулярно по толщине b, длинный участок на верхней стороне основания 3 проходит наискось по ширине l, а длинный участок на нижней стороне проходит перпендикулярно по ширине l, можно показать, что соотношение сигналов от измеряемого и мешающего воздействий в чувствительном элементе 4 будет примерно пропорционально
.
Как видно из этих выражений, предпочтительно навивать спиральные витки чувствительного элемента 4 на основание 3 так, чтобы их длинные участки были перпендикулярны направлению прихода мешающего воздействия. Для случая датчика, предназначенного для измерения веса проезжающего автотранспортного средства, целесообразно располагать длинные участки спиральных витков чувствительного элемента 4 перпендикулярно наибольшему размеру основания 3 (т.е. длине о на Фиг.2). При таком расположении спиральных витков предпочтительно покрывать их короткие отрезки слоем материала, снижающего проникновение мешающего механического воздействия. В частности, как показано на Фиг.2, можно размещать поверх всей узкой стороны основания 3 (толщины 6), по которой проходят короткие отрезки спиральных витков чувствительного элемента 4, слой, поглощающий (отражающий) упругие колебания, распространяющиеся в полотне дорожного покрытия 2. В качестве такого материала можно выбрать любой подходящий материал, например, резину или пенополистирол (см. также вышеупомянутые заявку Японии №2010-071840 и патент США №5461924).
При навивке спиральных витков чувствительного элемента 4 на основание 3 следует учитывать механическую прочность материала, из которого изготовлен навиваемый кабель. В частности, радиус изгиба между коротким и длинным участками каждого из спиральных витков следует выбирать минимально возможным из условия обеспечения механической целостности чувствительного элемента 4.
a
Однако в качестве чувствительного элемента может использоваться и тензометрическая проволока, изменяющая свою проводимость при растяжении. В этом случае датчик 1 содержит (Фиг.4) основание 3, которое в данном случае выполнено в виде прямоугольной полосы, края длинных сторон которой отогнуты в одну и ту же сторону (вверх на Фиг.4). Как и на Фиг.2, максимальная толщина b такой пластины (с учетом отогнутых краев) намного меньше двух других измерений ( и l). В качестве материала такой полосы можно использовать любой непроводящий материал, например, пластмассу.
a
На Фиг.4 длинные участки спиральных витков расположены практически перпендикулярно наибольшему измерению  упомянутой прямоугольной полосы. Разумеется, все сказанное выше для Фиг.2 о расположении спиральных витков, применимо и в данном случае. Тензометрическая проволока закреплена в местах соприкосновения спиральных витков с отогнутыми краями длинных сторон. Основание 3 может быть выполнено и в виде двух полос с отогнутыми краями, соединенных своими выпуклыми частями, так что в сечении основания 3 образуется фигура, напоминающая букву «X». При этом короткие участки спиральных витков будут проходить в вертикальном или наклонном направлении на Фиг.4. Здесь также возможно использовать на боковых сторонах основания 3 слой материала, поглощающего помеховое воздействие.
a
Хотя на Фиг.2 и 4 датчик 1 изображен состоящим из спиральных витков, навитых один за другим непрерывным кабелем или проволокой, такое выполнение датчика 1 необязательно. Например, датчик 1 может быть изготовлен так, чтобы спиральные витки чувствительного элемента 4 были выполнены в виде отдельных смежных секций, как это имеет место в вышеупомянутой заявке ЕПВ №0186534. Такое выполнение показано на Фиг.3. При этом отдельные секции 5, из которых состоит чувствительный элемент 4, имеют протяженность вдоль наибольшего измерения основания 3 (т.е. вдоль длины ) не менее ширины колеса автотранспортного средства. Разумеется, в качестве такого колеса следует выбирать колесо, имеющее наибольшую ширину. Выводы 6 каждой из отдельных секций 5 изолированы от измеряемого и мешающего воздействий, например, путем их размещения внутри трубки из отмеченного выше материала, поглощающего (отражающего) упругие колебания, распространяющиеся в полотне дорожного покрытия 2. В качестве иного выполнения можно предложить размещать на концах кабеля, из которого навита каждая отдельная секция 5, соответствующие преобразователи, обеспечивающие преобразование формируемого в секции сигнала в электрический сигнал. Например, при использовании оптоволоконного чувствительного элемента 4 это будут фотоэлектрические или фотоэлектронные преобразователи, известные специалистам.
Работа предложенного датчика происходит следующим образом.
После размещения датчика 1, изготовленного вышеуказанным образом, в полотне дорожного покрытия 2 заподлицо с поверхностью этого покрытия или под защитной пленкой для удлинения срока службы этого датчика 1 подключают выводы 6 датчика 1 или каждой его секции 5 к соответствующим измерителям. В частности, если датчик 1 выполнен на пьезоэлектрическом кабеле или тензометрической проволоке, выводы 6 каждой секции могут быть подключены к измерительному мосту; если же датчик 1 выполнен на оптоволоконном кабеле, выводы 6 каждой секции сначала преобразуются в электрические сигналы, которые затем могут обрабатываться в аналоговом или цифровом виде, как это известно специалистам.
При наезде колеса автотранспортного средства на датчик 1, размещенный в полотне дорожного покрытия 2, усилие Р воздействует на чувствительный элемент 4 датчика 1, вызывая изменение физических свойств данного чувствительного элемента. Если чувствительный элемент 4 выполнен в виде пьезоэлектрического или оптоволоконного кабеля, воздействие усилия Р, сжимающего поперечное сечение этого кабеля, вызовет изменение коэффициента пропускания электрического или светового сигнала через кабель. Если же чувствительный элемент 4 выполнен в виде тензометрической проволоки, воздействие усилия Р, разводящего в стороны края основания 3 (см. Фиг.4), вызовет растяжение тензометрической проволоки и, как следствие, увеличение ее сопротивления. Эти изменения измеряются соответствующими измерителями. Однако на датчик 1 влияет также и мешающее воздействие К, искажающее измерение. Предложенная конструкция датчика 1 за счет специфического расположения чувствительного элемента 4 позволяет уменьшить влияние мешающего воздействия и тем самым повысить соотношение сигнал-шум на выходе такого датчика, что ведет к повышению точности измерений.
Благодаря описанному датчику, изготовленному описанным выше способом, можно резко удешевить не только процесс изготовления, но также и процесс установки таких датчиков, поскольку датчик может быть целиком изготовлен в промышленных условиях, и при его установке в дорожное полотно не требуется сложных операций по обустройству канала для датчика, как это имеет место в описанных выше аналогах.