CN100549634C - 软质地毯式称重装置及称重测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了软质地毯式称重装置。它包括称重传感器，所述称重传感器包括作为上、下极板的柔性导电材料和作为上、下极板间绝缘介质的绝缘柔性材料，它还包括称重物体与极板接触形状和面积的识别层。本发明还提供了软质地毯式称重装置的称重测量方法。它利用上述软质地毯式称重装置，以作为上、下极板的柔性导电材料和作为上、下极板绝缘介质的中间绝缘柔性材料构成称重传感器，通过信号处理装置对称重物体与极板接触形状和面积数字信号处理及上、下极板的电容参数信号进行处理，测量称重物体的重量。本发明所提供的称重装置，其称重传感器呈软质薄板状，就象地毯一样能够被卷绕，便于随运输工具携带，结构简单成本低，便于静态和动态称重测量。

Description

软质地毯式称重装置及称重测量方法

技术领域

本发明涉及衡器或称重技术领域。

背景技术

众所周知，车辆的负荷大小对于已建成的公路、桥梁有着很大的影响。车辆超载不仅会增加公路维修费用，缩短路面使用寿命，而且会影响车辆的安全行驶车辆的通行能力。

对于车辆的称重，传统的方法都是在静态下进行的，这种整车测量方法准确度虽然很高，但是存在着很大的缺点，如价格较高，不能分别测出轴重等。另外，实际应用中停止汽车运行进行重量测量也是不方便的。

目前在车辆动态称重系统中比较常用的汽车衡主要有弯板、压电传感器、单传感器及光纤传感等。但现有的汽车衡及大中型衡器都具有价格昂贵(汽车衡每台大约15万元-20万元)、安装要求高并且复杂、不能携带的缺点，这些缺点制约了大中型衡器的广泛应用。如一些经济实力不太强的中小企业，因没有足够的资金购买汽车衡而造成在进出货交易时的经济损失；公路交通的道路受载情况监测和安全运输监督工作，也因此而没有普遍开展或无法开展；而物流企业在散货配送中常因双方没有计量手段产生一些纠纷，影响了散装货物贸易发展。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种便于携带成本较低，适于静态和动态称重测量的软质地毯式称重装置。为此，本发明采用以下技术方案：它包括称重传感器，所述称重传感器包括作为上、下极板的柔性导电材料和作为上、下极板间绝缘介质的绝缘柔性材料，它还包括称重物体与极板接触形状和面积的识别层。

本发明所提供的称重装置，其称重传感器呈软质薄板状，就象地毯一样能够被卷绕，便于随运输工具携带，结构简单成本低，便于静态和动态称重测量。

上述识别层可采用以下结构：它包括两层交叉的设置在薄膜上由电阻材料构成的条纹，两层条纹间设有在无压力时阻隔两条纹层接触在受到压力时能使两条纹层的受压部位接触的弹性绝缘隔离透空层。

本发明所提供的称重装置，其信号处理部分，可包括与识别层配合连接的称重物体与极板接触面积和形状识别扫描电路，及对称重物体与极板接触面积和形状数字信号及上、下极板的电容参数数字化信号进行处理并得到称重物体重量的信号处理装置。

本发明另一个所要解决的技术问题是提供一种软质地毯式称重装置的称重测量方法。为此，本发明采用以下技术方案：它利用上述软质地毯式称重装置，以作为上、下极板的柔性导电材料和作为上、下极板绝缘介质的中间绝缘柔性材料构成称重传感器，通过信号处理装置对称重物体与极板接触形状和面积数字信号处理及上、下极板的电容参数信号进行处理，测量称重物体的重量。

信号处理装置将称重物体与极板的接触面分解为若干个具体的特定形状，根据形状和面积与重力之间对应的模型关系，测量称重物体的重量。

由于采用上述方法，可以对称重物体进行静态或动态的称重测量。

附图说明

图1为本发明一种实施方式中称重装置的称重传感器的剖视图。

图2为本发明一种实施方式中称重装置的识别层的其中一层条纹的示意图。

图3为识别层中与图2的条纹配合的的另一层条纹的示意图。

图4为识别层在未受压时的状态示意图。

图5为识别层在受压时的状态示意图。

图6为本发明一种实施方式中称重装置的原理框图。

图7为本发明一种实施方式中称重方法的软件流程图。

具体实施方式

参照附图1。本发明所提供的软质地毯式称重装置它包括称重传感器10，所述称重传感器包括作为上、下极板1、2的柔性导电材料和作为上、下极板间绝缘介质3的绝缘柔性材料，它还包括称重物体与极板接触形状和面积的识别层4。

参照附图1、2、3。所述识别层包括两层交叉的设置在薄膜41、42上由电阻材料构成的条纹43、44，两层条纹间设有在无压力时阻隔两条纹层接触在受到压力时能使两条纹层的受压部位接触的弹性绝缘隔离透空层45。如图1所示，透空层45由间隔设置的绝缘条构成。

条纹43、44可采用印刷或腐蚀的方法，生产在有机薄膜上，条纹越密，识别面积和形状的精度越高。条纹43、44在使用时相互垂直，在没有物体压时条纹43、44受隔离透空层45的是不碰触的，如图4所示。若薄膜41(A板)紧贴在软质地毯式称重传感器上，当有重物压在薄膜42(B板)上时，发生图5所示变形，此时薄膜41有部分面积与薄膜42相接触；当依次给薄膜41的电阻膜条43加电压，同时依次测量薄膜42上电阻膜条44的电压，可定出重压后薄膜42变形的面积和形状。如图5的情形，Y方向位置的判断可由薄膜42上电压在大于0V、小于5V的电阻膜条的位置确定；判断X方向时，可在薄膜42的电阻膜条上逐次加5V电压的同时，判断薄膜41上电压在大于0V、小于5V的电阻膜条的位置确定。不论是Y方向，还是X方向都还可以通过电压的大小来较验触点的位置，如图5所示电压3.7V是Y方向电阻分压的结果。

此外，识别层还可采用其它能反映称重物体与极板接触形状和面积的结构和装置。就识别层来说，最好也呈薄毯状，设于称重传感器的表面。

参照附图6。本发明提供的称重装置的控制部分包括与识别层配合连接的称重物体与极板接触面积和形状识别扫描电路，及对称重物体与极板接触面积和形状数字信号及上、下极板的电容参数数字化信号进行处理并得到称重物体重量的信号处理装置。

参照附图6。当电容参数信号为模拟信号时，控制部分需设置A/D转换电路，以将模拟信号转为数字信号供信号处理装置处理。此外，对电容参数信号还可设置微小电容放大电路。

本发明采用的扫描电路、A/D转换电路、微小电容放大电路都可以采用目前常用的扫描电路、A/D转换电路、放大电路，信号处理装置本实施例的是采用单片机7(MCU/DSP)，信号处理装置也可采用其它有计算和处理能力的设备，比如电脑。

所述柔性导电材料为导电橡胶，所述绝缘柔性材料为绝缘橡胶。

参照附图1、2、3、4、5、6和7。本发明提供的称重测量方法，它利用上述软质地毯式称重装置，以作为上、下极板的柔性导电材料和作为上、下极板绝缘介质的中间绝缘柔性材料构成称重传感器，通过信号处理装置对称重物体与极板接触形状和面积数字信号处理及上、下极板的电容参数信号进行处理，测量称重物体的重量。

当重物压在极板上时，极板1、2间的绝缘介质3形状发生变化，这将导致两极板间的电容参数发生变化，重物在平面上作用的重力大小与电容参数有一定的关系，这种关系在同一受压面积形状时电容参数与重物的重量是一个确定的关系，利用这种关系可实现物体的称重测量。

参照附图6，由称重传感器感获与被测重物相关的微小电容参数，微小电容测量及信号放大电路将电容参数变换成与之相对应的电压值，电压值经A/D转换电路变为与重物相应的数字信号，信号处理装置在接受到经A/D转换电路转化后的电容变量的数字化信号以及识别扫描电路的称重物体与极板接触面积和形状数字信号，根据形状和面积与重力之间对应的模型关系，测量称重物体的重量。已获得的称重物体重量(质量)可经信号发射电路无线发射至所需要的地方，当然也可以用有线的方式直接送至上位机或显示器；若按无线方式收到重量(质量)信号后，经MCU/DSP信号处理系统处理后送上位机或显示器。信号处理装置可以将称重物体与极板的接触面分解为若干个具体的特定形状，所述的特定形状可以是单一一种形状，比如矩形。所述的特定形状包括若干种形状，比如矩形、园形或其它形状。一些不规则形状的模型可以通过实验标定，得出的相应的电容参数和重量的关系表格。

本实施例中，柔性导电材料和绝缘柔性材料均采用橡胶材料，在应用中，从橡胶元件的疲劳强度考虑，其应变量控制在ε＜15％范围，此时，橡胶元件在压缩时的应力和应变关系可以近似地表示为：

σ≈E_aε    (1)

即 $F=E_{a}A\frac{\mathrm{\Δh}}{h}---\left(2\right)$

式中F为传感器受力，A为受力面积。

橡胶在压缩时，其表观弹性模量E_a与被压缩的橡胶元件的几何形状有关，可表示为

E_a＝iG    (3)

在本实施例中，以矩形作为称重物体与极板接触形状

$i=\frac{1}{1+b/a}[4+2\frac{b}{a}+0.56{(1+\frac{b}{a})}^2{\mathrm{ks}}^2]---\left(4\right)$

k＝10.7-0.098HS    (5)

式中G为橡胶的切变模量；

i为几何形状和硬度影响系数；

HS为肖氏硬度；

s为形状系数，承载面积A_L与自由面积A_r之比值。

a，b分别为矩形橡胶的长和宽。

由于称重传感器为软质，所以当荷载施加在传感器上时，传感器只有受力部分发生形变，此时应把传感器考虑成组合式橡胶，(5)式中的a，b应分别为整个传感器台面的长和宽减去受力部分的长和宽的值。并且在变形量Δh/h＜＜1时，

$\frac{\mathrm{\ΔC}}{C_L}\≈-\frac{\mathrm{\Δh}}{h}---\left(6\right)$

在此式中C_L为电容式称重传感器受力部分初始电容值，且：

$C_L=\frac{A}{A_0}C---\left(7\right)$

C为整个电容式称重传感器初始电容值；

A为受力面积；

A₀为整个传感器台面面积。

将(7)式带入(6)式中，得

$\frac{A_0\mathrm{\ΔC}}{C}\≈-\frac{\mathrm{A\Δh}}{h}---\left(8\right)$

将(3)，(4)，(5)，(8)式带入到(2)式中可得：

$F=-\mathrm{iG}\frac{A_0\mathrm{\ΔC}}{C}$

$=-\frac{1}{1+b/a}[1+2\frac{b}{a}+0.56{(1+\frac{b}{a})}^2{\mathrm{ks}}^2]G\frac{A_0\mathrm{\ΔC}}{C}---\left(9\right)$

式中G、A₀、C在传感器制成后为已知值，a，b可以通过识别层和识别扫描电路测量获得。

静态称重时，为了方便各种称重物体的准确称重，在称重前先在软质地毯式传感器上铺一块硬质板信号处理装置按矩形公式(见式9)算出物体的重力(或质量)，再将重量(或质量)送信号发射电路，或送显示器5或上位机6。

动态称重是应用于行驶车辆的动态称重，称重过程中车辆的车轮是先过前两轮再过后两轮，当车轮压上软质地毯式传感器时，信号处理装置通过面积和形状识别层得出车轮压的面积。图3中薄膜上的电阻膜条正交后的最小矩形是δ×δ，其中δ是两电阻条纹的中心线间的距离。各种接触形状都可以近似地看成是由多个δ×δ的小矩形组合成，根据标定时的计算模型将测得的电容值算出车轮压过时的重量；将前两轮、后两轮压过时的重量相加，则得出车辆的总重量(质量)。

Claims (8)

1、软质地毯式称重装置，其特征在于它包括称重传感器，所述称重传感器包括作为上、下极板的柔性导电材料和作为上、下极板间绝缘介质的绝缘柔性材料，构成在受压时绝缘柔性材料的应变量控制在ε＜15％范围的柔性平板电容式传感器；其特征还在于它包括称重物体与极板接触形状和面积的识别层，识别层是两层设置在薄膜上由电阻材料构成的两层条纹，薄膜上的电阻膜条正交后的最小矩形是δ×δ，其中δ是两电阻条纹的中心线间的距离，各种接触形状都可以近似地看成是由多个δ×δ的小矩形组合成；其特征还在于它包括通过综合测出柔性平板电容式称重传感器受压时的电容值、受压接触面形状和面积并用模型公式 $F=-\frac{1}{1+b/a}[4+2\frac{b}{a}+0.56{(1+\frac{b}{a})}^2{\mathrm{ks}}^2]G\frac{A_0\mathrm{\ΔC}}{C}$ 分析得出实际称重物的重力F即重量，模型公式中G为橡胶的切变模量，A₀为整个传感器平板面积，C为整个电容式称重传感器初始电容值，ΔC为整个电容式称重传感器的电容值变化量，a和b分别为整个传感器平面的长和宽减去受力部分的长和宽的值，k＝10.7-0.098HS，HS为肖氏硬度，s为形状系数是承载面积与自由面积之比值。

2、如权利要求1所述的软质地毯式称重装置，其特征在于所述识别层包括两层交叉的设置在薄膜上由电阻材料构成的条纹，两层条纹间设有在无压力时阻隔两条纹层接触在受到压力时能使两条纹层的受压部位接触的弹性绝缘隔离透空层。

3、如权利要求1或2所述的软质地毯式称重装置，其特征在于它设有与识别层配合连接的称重物体与极板接触面积和形状识别扫描电路，及对称重物体与极板接触面积和形状数字信号及上、下极板的电容参数数字化信号进行处理并得到称重物体重量的信号处理装置。

4、如权利要求1或2所述的软质地毯式称重装置，其特征在于所述柔性导电材料为导电橡胶，所述绝缘柔性材料为绝缘橡胶。

5、一种软质地毯式称重装置的称重测量方法，其特征在于它利用权利要求1所述的软质地毯式称重装置，以作为上、下极板的柔性导电材料和作为上、下极板绝缘介质的中间绝缘柔性材料构成称重传感器，通过信号处理装置对称重物体与极板接触形状和面积数字信号处理及上、下极板的电容参数信号进行处理，测量称重物体的重量。

6、如权利要求5所述的一种软质地毯式称重装置的称重测量方法，其特征在于信号处理装置将称重物体与极板的接触面分解为若干个具体的特定形状，根据形状和面积与重力之间对应的模型关系，测量称重物体的重量。

7、如权利要求6所述的一种软质地毯式称重装置的称重测量方法，其特征在于所述的特定形状为矩形。

8、如权利要求6所述的一种软质地毯式称重装置的称重测量方法，其特征在于所述的特定形状包括若干种形状。

Images