一種基於寬頻超聲測距的測重方法與裝置與流程
2023-11-04 23:04:32
本發明屬於測重工具，具體涉及一種基於寬頻超聲測距的測重方法與裝置。
背景技術：
對於物體質量的估計和測量在生活中隨處可見，應用廣泛，也成為生活中不可或缺的一部分。小到測量輕巧物體的彈簧測力計，日常生活中的案秤，桿秤，電子秤，大到檢測超限超載的測重儀，秤的實用性相當之大。比如超重貨物的運輸，超重貨物運輸是指實際裝載的貨物質量超過核定裝載質量的運輸車輛在公路上行駛的情況，核定裝載質量主要針對車輛而言，特別是車輛結構的承載能力。作為車輛運行過程中裝載貨物質量的限制，從汽車性能和行車安全角度出發具有重大的意義。超載貨物的運輸不僅危及公路上其他車輛的行車安全，還嚴重損壞了公路，橋梁等基礎設施，並且導致了道路運輸市場的惡性競爭。因此，檢測貨車是否貨物超載是非常有必要的。除此之外，日常生活中人們對健康以及外形美感的要求越來越高，體重控制也是健康管理的基礎，現代家庭基本上都備有體重秤，以把握全家人的體重情況。對於減肥人士，體重秤也是不可或缺的。
秤又分為機械秤和電子秤，機械秤主要是彈簧秤，也就是指針秤。機械秤的主要部件有彈簧，樞軸，齒輪齒條，重物放在檯面上導致彈簧向下壓縮，彈簧的上下運動通過一根樞軸轉換成側向的水平運動，水平運動傳遞到齒輪齒條裝置，齒輪齒條轉換裝置將傳遞過來的水平運動轉換成圓周運動，從而使指針錶盤旋轉。這種指針體重秤壽命長，實用性強，但是由於機械傳動，部件的摩擦配合間隙等問題，精度不會太高。電子秤的主要部件有稱重傳感器，放大濾波電路，AD轉換模塊。當物體放在秤盤上時，壓力施給傳感器，該傳感器發生形變，從而使阻抗發生變化，同時使激勵電壓發生變化，輸出一個變化的模擬信號，信號輸入模數轉換器進行後續讀數處理。電子秤體積小，重量輕，準確度高，讀數連續快速，目前廣泛使用，但同時也存在一些問題，比如電路板很容易因為承受壓力過大壞掉，防水效果差，使用壽命短。如果可以減少機械秤裡機械傳動等影響精度的流程，直接利用彈簧的壓縮量得到物體的重量，這樣可以避免電子秤存在的一系列問題也解決了機械秤存在的精度問題。
彈簧是一種利用彈性來工作的機械零件，彈簧在受到壓力時能產生較大的形變，把機械能轉變為變形能，製作彈簧的主要材料有不鏽鋼彈簧絲，優質碳素彈簧鋼絲，耐疲勞合金彈簧鋼絲等，常用的測重彈簧一般為螺旋彈簧中的壓縮彈簧。如果採用防鏽的彈性形變能力好的彈簧，當有重物間接作用於彈簧上時，通過超聲測距模塊測得彈簧的形變量，再通過信號處理模塊得到物體的重量，簡單直接的反映了物體的重量，不用擔心壓力傳感器失靈，也不存在因為各種機械傳動導致的精度不足問題，而且可以通過顯示屏直接快速讀數。除此之外，這種超聲測重的方式同時也適用於超載貨車的檢測，此時可以用剛性比較強可以承受強壓力的彈簧，效率高穩定性強。
技術實現要素：
為克服現有的電子秤易損壞，精度低，讀數不準等問題，本發明提供了一種基於寬頻超聲測距的測重方法與裝置。
本發明至少通過如下技術方案之一實現。
一種基於寬頻超聲測距的測重裝置，包括承重託盤、彈簧、發送超聲換能器、接收超聲換能器、超聲耦合液和密閉容器，所述密閉容器位於承重託盤下方，彈簧垂直設置於所述託盤下端，且彈簧位於密閉容器中，密閉容器中裝有所述超聲耦合液，彈簧浸泡中超聲耦合液中；由於超聲在空氣中傳播衰減非常厲害，所以在密閉容器與託盤間內置絕緣的超聲耦合液，該耦合液最好可以使浸泡在其中的彈簧不易生鏽，那麼超聲傳播中能量不會有太大衰減，對彈簧也會有一定的保護；密閉容器底部設有發送超聲換能器和接收超聲換能器；當有貨物放置於承重託盤上，彈簧發生形變並能帶動承重託盤向下容器下方的方向運動，平衡之後發送超聲換能器發出的信號經過承重託盤下端反射回來，接收超聲換能器把接收到的信號經過數據處理模塊處理後，根據收發信號之間的延時計算出彈簧的形變量，由形變量轉換可得到貨物的重量。所述發送超聲換能器、接收超聲換能器的工作頻帶根據具體情況來選擇，可以是帶寬比較寬的壓電超聲換能器，也可以是電容微加工超聲換能器。
進一步地，所述彈簧有一根或者多。所述彈簧根據貨物重量來選擇，彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。對於一般的重量比如人的體重用一般碳素彈簧鋼絲，不需要太大的剛度即可，上噸的貨物比如用來檢測貨車貨物超載則需使用高應力的彈簧。所述託盤用來放置待測重物，彈簧垂直設置於所述託盤下端。
進一步地，所述數據處理模塊包括數據處理後臺，AD轉換器和DA轉換器，功率放大器和低噪聲放大器，電源和重量數據顯示器；所述數據處理後臺用於寬頻信號的產生並且根據收發信號的時延算出彈簧的形變量，繼而得到貨物的重量；數據處理後臺包括控制單元、存儲單元、顯示器和信號處理單元，控制單元控制整個裝置的測量過程的進行；所述AD轉換器用於將模擬信號轉化成數位訊號便於數據處理後臺處理，所述DA轉換器用於將數位訊號轉化成模擬信號；所述功率放大器用於放大DA轉換器轉換的模擬信號，所述低噪聲放大器用於放大從接收超聲換能器傳送過來的信號，所述電源用於給整個裝置供電。
進一步地，由彈簧的形變量得到貨物重量由以下公式得到：，其中 彈簧線材的鋼性模數； 彈簧線徑； 彈簧外徑； 彈簧內徑； 彈簧中徑； 彈簧總圈數； 彈簧有效圈數； 的單位為。
利用所述基於寬頻超聲測距的測重裝置的測重方法，其包含以下步驟：
步驟1. 待測重物放在承重託盤上，此時打開電源，數據處理後臺發送一個寬頻信號，信號是線性或非線性的，送到DA轉換器，數位訊號變成了模擬信號，然後信號通過一個功率放大器進行放大；
步驟2. 通過功率放大器的信號被發送到發送超聲換能器，換能器將電信號轉變成聲信號，彈簧此時處於壓縮狀態，超聲在耦合液中傳播，碰到承重託盤底端反射回來，接收超聲換能器接收到反射回來的信號；
步驟3. 接收超聲換能器接收到返回的信號，通過一個低噪聲放大器放大信號便於進行後續處理，這個放大後的信號經過一個AD轉換器，把模擬信號轉變成數位訊號，最後送到數據處理後臺；
步驟4. 數據處理後臺已存儲好彈簧原長，並且會將收發信號之間的延時轉化成距離，繼而得到彈簧的形變量，數據處理後臺會將其轉化成重量並且輸出到顯示器，從而得到重量數據。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、通過超聲直接測量彈簧的形變量，減少以往因為各種機械傳動引起的誤差，精度有所提高，而且對於上噸的貨物也比較適用，相對於檢測貨物是否超載的測量儀成本低，效率高。
2、這種超聲測重裝置抗壓，防水，壽命高，相對於一般電子秤更耐用，讀數更加穩定。
3、用寬頻信號進行超聲測距的精度比較高，因此測出的重物的測量精度相對較高。
附圖說明
圖1是本發明所述的基於寬頻超聲測距的測重裝置的超聲壓力轉換模塊示意圖；
圖2是本發明所述的各種信號處理示意圖；
圖3是本發明實施例的數據處理後臺的框圖；
圖4是本發明實施例的測重步驟流程圖。
具體實施方式
本實施例結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明，但本發明的實施不限於此。
一種基於寬頻超聲測距的測重裝置，包括超聲壓力轉換模塊和數據處理模塊。超聲壓力轉換模塊與數據處理模塊以有線的方式連接。
如圖1所示，是所述的超聲壓力轉換模塊，包括承重盤101，由於彈簧會壓縮，所以託盤兩端是可以滑動於下端容器102的兩端。超聲需要在耦合液中傳播才不至於能量衰減太多，所以容器102中放置可供超聲傳播的耦合液103，圖中放置三根彈簧104，所述彈簧防鏽，根據貨物重量不同選擇不同型號彈簧，材料大多選擇優質碳素鋼，彈簧的數量可以是一根也多以是多根，如果選擇圖中三根彈簧，則彈簧型號應該保持一致，而且受力均勻。發送換能器105和接收換能器106是整個模塊中最核心關鍵的器件，內置於裝置底端，用於發出超聲信號，並且接收從承重託盤底端反射回來的信號。
如圖2所示，是所述的各種信號處理框圖，包括201數據處理後臺，DA轉換器202和AD轉換器205，功率放大器203和低噪聲放大器204，電源206。數據處理後臺首先會發出一個寬頻信號，經過DA轉換器由數位訊號變成模擬信號，便於換能器處理電信號，所以在DA轉換器後加入了一個功率放大器。從換能器接收回來的信號相比原信號必然有能量損失或許還夾雜著無用的噪聲信號，所以接入了一個低噪聲放大器處理接收回來的信號。信號放大之後經過AD轉換器，送往數據處理後臺。
所述基於寬頻超聲測距的測重方法為：貨物放置於承重託盤上後，數據處理後臺發出一個寬頻信號，可以是線性調頻信號也可以是非線性調頻信號，經過所述的DA轉換模塊，再經過一個功率放大器發送到發送超聲換能器，當接收超聲換能器收到反射回來的超聲信號，換能器將其轉變成電信號，通過所述的低噪聲放大器和AD轉化器送到數據處理後臺，利用寬頻信號的時延計算方法計算延時，數據處理後臺已經存儲彈簧原長，綜合原長可得到彈簧形變量，繼而得到貨物重量。所述的時延計算方法有自相關法，MPOC方法等等。
如圖3所示，是本發明實施例數據處理後臺的框圖，數據處理後臺用於對系統進行整體的控制，發出信號並且處理返回的信號，數據處理後臺可以採用現有的控制器或控制晶片等實現，可包括控制單元、信號處理單元、存儲單元、顯示器。存儲單元事先會存儲好彈簧的各種參數，以及收發信號的時間。通過顯示器直接讀出貨物重量。寬頻信號的時延計算方法以MPOC方法為例（以為僅為舉例，各變量的含義可參考現有信號處理技術的常規表達，不再贅述）。
下面結合圖4，對超聲測重步驟進行描述：
步驟1. 待測重物放在承重託盤上，此時打開電源，數據處理後臺發送一個寬頻信號 ，可以是線性的也可以是非線性的，送到DA轉換器，數位訊號變成了模擬信號，然後信號通過一個功率放大器進行放大。
步驟2. 通過功率放大器的信號被發送到發送超聲換能器，換能器將電信號轉變成聲信號，彈簧此時處於壓縮狀態，超聲在耦合液中傳播，碰到承重託盤底端反射回來，接收超聲換能器接收到反射回來的信號 。
步驟3. 接收超聲換能器接收到返回的信號，通過一個低噪聲放大器放大信號便於進行後續處理，這個放大後的信號經過一個AD轉換器，把模擬信號轉變成數位訊號，最後送到數據處理後臺。
步驟4. 數據處理後臺已存儲好彈簧原長，並且會將收發信號之間的延時轉化成距離，繼而可以得到彈簧的形變量，數據處理後臺會將其轉化成重量並且輸出到顯示器，這樣就可以得到我們需要的結果。