軟質地毯式稱重裝置及稱重測量方法

2023-04-26 02:56:56

專利名稱：軟質地毯式稱重裝置及稱重測量方法
技術領域：
本發明涉及衡器或稱重技術領域。
背景技術：
眾所周知，車輛的負荷大小對於已建成的公路、橋梁有著很大的影響。車輛超載不僅會增加公路維修費用，縮短路面使用壽命，而且會影響車輛的安全行駛車輛的通行能力。
對於車輛的稱重，傳統的方法都是在靜態下進行的，這種整車測量方法準確度雖然很高，但是存在著很大的缺點，如價格較高，不能分別測出軸重等。另外，實際應用中停止汽車運行進行重量測量也是不方便的。
目前在車輛動態稱重系統中比較常用的汽車衡主要有彎板、壓電傳感器、單傳感器及光纖傳感等。但現有的汽車衡及大中型衡器都具有價格昂貴(汽車衡每臺大約15萬元-20萬元)、安裝要求高並且複雜、不能攜帶的缺點，這些缺點制約了大中型衡器的廣泛應用。如一些經濟實力不太強的中小企業，因沒有足夠的資金購買汽車衡而造成在進出貨交易時的經濟損失；公路交通的道路受載情況監測和安全運輸監督工作，也因此而沒有普遍開展或無法開展；而物流企業在散貨配送中常因雙方沒有計量手段產生一些糾紛，影響了散裝貨物貿易發展。

發明內容
本發明首先所要解決的技術問題是提供一種便於攜帶成本較低，適於靜態和動態稱重測量的軟質地毯式稱重裝置。為此，本發明採用以下技術方案它包括稱重傳感器，所述稱重傳感器包括作為上、下極板的柔性導電材料和作為上、下極板間絕緣介質的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層。
本發明所提供的稱重裝置，其稱重傳感器呈軟質薄板狀，就象地毯一樣能夠被卷繞，便於隨運輸工具攜帶，結構簡單成本低，便於靜態和動態稱重測量。
上述識別層可採用以下結構它包括兩層交叉的設置在薄膜上由電阻材料構成的條紋，兩層條紋間設有在無壓力時阻隔兩條紋層接觸在受到壓力時能使兩條紋層的受壓部位接觸的彈性絕緣隔離透空層。
本發明所提供的稱重裝置，其信號處理部分，可包括與識別層配合連接的稱重物體與極板接觸面積和形狀識別掃描電路，及對稱重物體與極板接觸面積和形狀數位訊號及上、下極板的電容參數數位化信號進行處理並得到稱重物體重量的信號處理裝置。
本發明另一個所要解決的技術問題是提供一種軟質地毯式稱重裝置的稱重測量方法。為此，本發明採用以下技術方案它利用上述軟質地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導電材料和作為上、下極板絕緣介質的中間絕緣柔性材料構成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數位訊號處理及上、下極板的電容參數信號進行處理，測量稱重物體的重量。
信號處理裝置將稱重物體與極板的接觸面分解為若干個具體的特定形狀，根據形狀和面積與重力之間對應的模型關係，測量稱重物體的重量。
由於採用上述方法，可以對稱重物體進行靜態或動態的稱重測量。


圖1為本發明一種實施方式中稱重裝置的稱重傳感器的剖視圖。
圖2為本發明一種實施方式中稱重裝置的識別層的其中一層條紋的示意圖。
圖3為識別層中與圖2的條紋配合的的另一層條紋的示意圖。
圖4為識別層在未受壓時的狀態示意圖。
圖5為識別層在受壓時的狀態示意圖。
圖6為本發明一種實施方式中稱重裝置的原理框圖。
圖7為本發明一種實施方式中稱重方法的軟體流程圖。
具體實施例方式
參照附圖1。本發明所提供的軟質地毯式稱重裝置它包括稱重傳感器10，所述稱重傳感器包括作為上、下極板1、2的柔性導電材料和作為上、下極板間絕緣介質3的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層4。
參照附圖1、2、3。所述識別層包括兩層交叉的設置在薄膜41、42上由電阻材料構成的條紋43、44，兩層條紋間設有在無壓力時阻隔兩條紋層接觸在受到壓力時能使兩條紋層的受壓部位接觸的彈性絕緣隔離透空層45。如圖1所示，透空層45由間隔設置的絕緣條構成。
條紋43、44可採用印刷或腐蝕的方法，生產在有機薄膜上，條紋越密，識別面積和形狀的精度越高。條紋43、44在使用時相互垂直，在沒有物體壓時條紋43、44受隔離透空層45的是不碰觸的，如圖4所示。若薄膜41(A板)緊貼在軟質地毯式稱重傳感器上，當有重物壓在薄膜42(B板)上時，發生圖5所示變形，此時薄膜41有部分面積與薄膜42相接觸；當依次給薄膜41的電阻膜條43加電壓，同時依次測量薄膜42上電阻膜條44的電壓，可定出重壓後薄膜42變形的面積和形狀。如圖5的情形，Y方向位置的判斷可由薄膜42上電壓在大於0V、小於5V的電阻膜條的位置確定；判斷X方向時，可在薄膜42的電阻膜條上逐次加5V電壓的同時，判斷薄膜41上電壓在大於0V、小於5V的電阻膜條的位置確定。不論是Y方向，還是X方向都還可以通過電壓的大小來較驗觸點的位置，如圖5所示電壓3.7V是Y方向電阻分壓的結果。
此外，識別層還可採用其它能反映稱重物體與極板接觸形狀和面積的結構和裝置。就識別層來說，最好也呈薄毯狀，設於稱重傳感器的表面。
參照附圖6。本發明提供的稱重裝置的控制部分包括與識別層配合連接的稱重物體與極板接觸面積和形狀識別掃描電路，及對稱重物體與極板接觸面積和形狀數位訊號及上、下極板的電容參數數位化信號進行處理並得到稱重物體重量的信號處理裝置。
參照附圖6。當電容參數信號為模擬信號時，控制部分需設置A/D轉換電路，以將模擬信號轉為數位訊號供信號處理裝置處理。此外，對電容參數信號還可設置微小電容放大電路。
本發明採用的掃描電路、A/D轉換電路、微小電容放大電路都可以採用目前常用的掃描電路、A/D轉換電路、放大電路，信號處理裝置本實施例的是採用單片機7(MCU/DSP)，信號處理裝置也可採用其它有計算和處理能力的設備，比如電腦。
所述柔性導電材料為導電橡膠，所述絕緣柔性材料為絕緣橡膠。
參照附圖1、2、3、4、5、6和7。本發明提供的稱重測量方法，它利用上述軟質地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導電材料和作為上、下極板絕緣介質的中間絕緣柔性材料構成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數位訊號處理及上、下極板的電容參數信號進行處理，測量稱重物體的重量。
當重物壓在極板上時，極板1、2間的絕緣介質3形狀發生變化，這將導致兩極板間的電容參數發生變化，重物在平面上作用的重力大小與電容參數有一定的關係，這種關係在同一受壓面積形狀時電容參數與重物的重量是一個確定的關係，利用這種關係可實現物體的稱重測量。
參照附圖6，由稱重傳感器感獲與被測重物相關的微小電容參數，微小電容測量及信號放大電路將電容參數變換成與之相對應的電壓值，電壓值經A/D轉換電路變為與重物相應的數位訊號，信號處理裝置在接受到經A/D轉換電路轉化後的電容變量的數位化信號以及識別掃描電路的稱重物體與極板接觸面積和形狀數位訊號，根據形狀和面積與重力之間對應的模型關係，測量稱重物體的重量。已獲得的稱重物體重量(質量)可經信號發射電路無線發射至所需要的地方，當然也可以用有線的方式直接送至上位機或顯示器；若按無線方式收到重量(質量)信號後，經MCU/DSP信號處理系統處理後送上位機或顯示器。信號處理裝置可以將稱重物體與極板的接觸面分解為若干個具體的特定形狀，所述的特定形狀可以是單一一種形狀，比如矩形。所述的特定形狀包括若干種形狀，比如矩形、園形或其它形狀。一些不規則形狀的模型可以通過實驗標定，得出的相應的電容參數和重量的關係表格。
本實施例中，柔性導電材料和絕緣柔性材料均採用橡膠材料，在應用中，從橡膠元件的疲勞強度考慮，其應變量控制在ε＜15％範圍，此時，橡膠元件在壓縮時的應力和應變關係可以近似地表示為σ≈Eaε (1)即F=EaAhh---(2)]]>式中F為傳感器受力，A為受力面積。
橡膠在壓縮時，其表觀彈性模量Ea與被壓縮的橡膠元件的幾何形狀有關，可表示為Ea＝iG(3)在本實施例中，以矩形作為稱重物體與極板接觸形狀i=11+b/a[4+2ba+0.56(1+ba)2ks2]---(4)]]>k＝10.7-0.098HS(5)式中G為橡膠的切變模量；i為幾何形狀和硬度影響係數；HS為肖氏硬度；s為形狀係數，承載面積AL與自由面積Ar之比值。
a，b分別為矩形橡膠的長和寬。
由於稱重傳感器為軟質，所以當荷載施加在傳感器上時，傳感器只有受力部分發生形變，此時應把傳感器考慮成組合式橡膠，(5)式中的a，b應分別為整個傳感器臺面的長和寬減去受力部分的長和寬的值。並且在變形量Δh/h＜＜1時，
CCL-hh---(6)]]>在此式中CL為電容式稱重傳感器受力部分初始電容值，且CL=AA0C---(7)]]>C為整個電容式稱重傳感器初始電容值；A為受力面積；A0為整個傳感器臺面面積。
將(7)式帶入(6)式中，得A0CC-Ahh---(8)]]>將(3)，(4)，(5)，(8)式帶入到(2)式中可得F=-iGA0CC]]>=-11+b/a[4+2ba+0.56(1+ba)2ks2]GA0CC---(9)]]>式中G、A0、C在傳感器製成後為已知值，a，b可以通過識別層和識別掃描電路測量獲得。
靜態稱重時，為了方便各種稱重物體的準確稱重，在稱重前先在軟質地毯式傳感器上鋪一塊硬質板信號處理裝置按矩形公式(見式9)算出物體的重力(或質量)，再將重量(或質量)送信號發射電路，或送顯示器5或上位機6。
動態稱重是應用於行駛車輛的動態稱重，稱重過程中車輛的車輪是先過前兩輪再過後兩輪，當車輪壓上軟質地毯式傳感器時，信號處理裝置通過面積和形狀識別層得出車輪壓的面積。圖3中薄膜上的電阻膜條正交後的最小矩形是δ×δ，其中δ是兩電阻條紋的中心線間的距離。各種接觸形狀都可以近似地看成是由多個δ×δ的小矩形組合成，根據標定時的計算模型將測得的電容值算出車輪壓過時的重量；將前兩輪、後兩輪壓過時的重量相加，則得出車輛的總重量(質量)。
權利要求
1.軟質地毯式稱重裝置，其特徵在於它包括稱重傳感器，所述稱重傳感器包括作為上、下極板的柔性導電材料和作為上、下極板間絕緣介質的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層。
2.如權利要求1所述的軟質地毯式稱重裝置，其特徵在於所述識別層包括兩層交叉的設置在薄膜上由電阻材料構成的條紋，兩層條紋間設有在無壓力時阻隔兩條紋層接觸在受到壓力時能使兩條紋層的受壓部位接觸的彈性絕緣隔離透空層。
3.如權利要求1或2所述的軟質地毯式稱重裝置，其特徵在於它設有與識別層配合連接的稱重物體與極板接觸面積和形狀識別掃描電路，及對稱重物體與極板接觸面積和形狀數位訊號及上、下極板的電容參數數位化信號進行處理並得到稱重物體重量的信號處理裝置。
4.如權利要求1或2所述的軟質地毯式稱重裝置，其特徵在於所述柔性導電材料為導電橡膠，所述絕緣柔性材料為絕緣橡膠。
5.一種軟質地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特徵在於它利用權利要求1所述的軟質地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導電材料和作為上、下極板絕緣介質的中間絕緣柔性材料構成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數位訊號處理及上、下極板的電容參數信號進行處理，測量稱重物體的重量。
6.如權利要求5所述的一種軟質地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特徵在於信號處理裝置將稱重物體與極板的接觸面分解為若干個具體的特定形狀，根據形狀和面積與重力之間對應的模型關係，測量稱重物體的重量。
7.如權利要求6所述的一種軟質地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特徵在於所述的特定形狀為矩形。
8.如權利要求6所述的一種軟質地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特徵在於所述的特定形狀包括若干種形狀。
全文摘要
本發明提供了軟質地毯式稱重裝置。它包括稱重傳感器，所述稱重傳感器包括作為上、下極板的柔性導電材料和作為上、下極板間絕緣介質的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層。本發明還提供了軟質地毯式稱重裝置的稱重測量方法。它利用上述軟質地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導電材料和作為上、下極板絕緣介質的中間絕緣柔性材料構成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數位訊號處理及上、下極板的電容參數信號進行處理，測量稱重物體的重量。本發明所提供的稱重裝置，其稱重傳感器呈軟質薄板狀，就象地毯一樣能夠被卷繞，便於隨運輸工具攜帶，結構簡單成本低，便於靜態和動態稱重測量。
文檔編號G01G19/03GK1808079SQ20061004957
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月22日 優先權日2006年2月22日
發明者李青, 程路 申請人:中國計量學院