CN104296848B - 粮仓储粮在线检测装置、检测单元及压力传感器测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种粮仓储粮在线检测装置、检测单元及压力传感器测量方法，检测装置包括外壳，外壳包括上下设置的承压板和底座，承压板和底座之间设有压力传感器；外壳的外轮廓在垂直于上下方向的截面形状为正六边形或等边三角形。本发明的装置在扩大局部区域重力受力面的同时，并没增加参与测量的压力传感器总数。且相对于采用一般压力传感器来说，单个位置的测量面积增大了很多倍。对于整个仓底来说，实际上是减少了高成本的压力传感器的总数量，因而极大地降低了在线检测系统的总成本。

Description

粮仓储粮在线检测装置、检测单元及压力传感器测量方法

技术领域

本发明涉及一种粮仓储粮在线检测装置、检测单元及压力传感器测量方法。

背景技术

粮仓在线检测非常重要，这主要是因为采用累积称重法只能完成一次粮食出仓或进仓时粮食的数量检测，检测结果虽然能精确反映仓储粮食的精确数量，但在清仓查库时中还需要对粮食进行大规模的腾挪，人力等成本极高，且效率低、工作量大。对大型粮仓来说，由于仓底面积大、粮食重量重，一般称重设备无法在线检测。现有的粮仓储粮数量检测方法主要包括测量计算法和多点测量称重法。测量计算法是通过测量计算粮堆的体积和平均密度计算粮仓中粮食数量的检测方法，由于粮食密度很难准确测量且随时间变化，因此这种方法在实用中存在测量误差较大等问题。多点称重法是指用多个传感器对粮仓进行多点分布式测量，并用数学模型进行估测的方法。这种方法通常情况下可以获得较好的测量结果，因此，本发明也采用这种测量方式。但由于传感器成本原因所使用的传感器受力面积通常很小，在某些情况下，例如对于粮堆较高的情况下(有的高达十几米，如立筒仓)，由于粮食颗粒挤压使得颗粒间形成较大的摩擦力，有些时候可能会在粮堆底部形成应力空穴。此时，如果传感器承力表面面积如果过小的话，其受力面很可能接近这些空穴的大小，从而使得分布式多点测量系统的某些压力传感器测量失效或产生误差，从而降低整个系统的测量精度。

上述问题看似可以通过扩大压力传感器的受力面积来解决，但对于处于粮仓底部的、要求能够长期承受高压强且要求自身不产生塑性变形的传感器受力材料来说，成本问题又是一个难以解决的问题。也就是说，高强度、高耐压、低塑性变形的压力传感器材料成本极高。而且实际粮仓底部面积很大，多点测量检测系统的传感器个数需求量很大，在实际应用中无法大量使用。

另外，粮仓的进粮区常受到粮食对局部区域的较强的冲击或形成较高的粮堆。冲击不仅会使传感器位置错位，而且瞬时受力可能超出受力极限或超出电路测量量程，长期使用会使得传感器产生塑性变形或破坏传感器电路系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种粮仓储粮在线检测装置、检测单元及压力传感器测量方法，用以解决现有检测方式传感器易损坏的问题。

为实现上述目的，本发明的方案包括：

一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，该检测装置包括外壳，外壳包括上下设置的承压板和底座，承压板和底座之间设有压力传感器；外壳的外轮廓在垂直于上下方向的截面形状为正六边形或等边三角形。

所述压力传感器位于所述检测装置的中央，压力传感器周向均布有若干定位支撑导杆；定位支撑导杆固设于承压板和底座的其中一个上，另一个上对应设有定位支撑导杆卡槽。

所述承压板中央固定设有压力集中垫板，压力集中垫板与压力传感器直接接触；压力集中垫板上设有与压力传感器受力柱配合的压力导向槽。

所述承压板为一盖板，盖板扣设在底座上。

所述压力传感器受力柱与压力导向槽周向间隙配合；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽周向间隙配合；盖板外侧壁与盖板外侧壁周向间隙配合；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽也上下间隙配合。

底座、盖板上均设有压力传感器卡槽，卡槽外壁上开设有用于引出压力传感器导线的压力传感器导线出口槽。

从所述压力传感器导线出口槽引出的压力传感器导线并联有个数等于外壳外轮廓边数的分支导线，各分支导线从盖板上的对应传感器导线槽引出。

底座上设有操作提手，盖板上对应设有用于操作提手穿过的操作提手过孔。

一种大型粮仓储粮数量在线检测单元，所述在线检测单元包括一个中心检测装置和其周向均布的六个外周检测装置；中心检测装置与外周检测装置结构相同，均包括外壳，外壳包括上下设置的承压板和底座，承压板和底座之间设有压力传感器；外壳的外轮廓在垂直于上下方向的截面形状为正六边形；任一外周检测装置的一条边与中心检测装置的对应边接触，且与相邻的两个外周检测装置的对应边接触。

在采集压力传感器值时，通过下式对实际粮食重量进行换算：

$R=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{1}F& F\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1;\\ k_{2}F+c_1& {\mathrm{\&theta;}}_1<F\&le;{\mathrm{\&theta;}}_2;\\ k_3{F}^2+k_{4}F+c_2& F>{\mathrm{\&theta;}}_2;\end{array}\right.$

R为实际粮食重量，F为传感器测量值，k₁,k₂,k₃,k₄是标定系数，c₁,c₂是标定的常数项。

为解决上述问题，本发明的思路增大检测装置的受力面积，同时减少压力传感器的使用总数量。方法是将大面积的应力集中导向于小面积的压力传感器的受力接触面，并用多点支撑法分摊大面积重力，从而解决了由于传感器受力面过小而造成的整个检测系统测量精度降低的问题，提高整个系统的测量精度。本发明的装置在扩大局部区域重力受力面的同时，并没增加参与测量的压力传感器总数。且相对于采用一般压力传感器来说，单个位置的测量面积增大了很多倍。对于整个仓底来说，实际上是减少了高成本的压力传感器的总数量，因而极大地降低了在线检测系统的总成本。由于受力面增大，整个检测系统的精度也相应提高。

本发明组成的在线检测系统将粮仓仓底划分为紧密测量区和稀疏测量区。紧密测量区分布在粮仓的进粮区，稀疏测量区分布在粮仓的非进粮区。对于粮库的进粮区的传感器常常受到粮食的冲击而损坏问题，本发明在紧密测量区采用检测单元，在稀疏测量区，采用独立的检测装置。检测单元由若干检测装置构成，在局部区域可形成较大且平整的紧密测量面，局部结构稳定，可缓解冲击力，分担和减轻单个测量装置的压力，并可相互牵制以防止传感器错位，提高了结构的稳定性。

除上述问题之外，对于多点称重法来说，传感器的安装和维护往往是个令人烦恼的问题，一旦某个传感器、线路支路或干路出现故障，又非常难于查找和维护。本发明的装置采用独立密闭封装模式，并采用盒型封装形式，电路导线可在多个方向上两两连接。因此，在仓底的导线不分干路和支路，出仓的导线只有一条。从而解决了传感器的排布和接线问题。维护任意一个测量盒，仅需解开边界槽中的导线，通过装置的提手提出装置即可。解决了检测系统的故障维护问题。

附图说明

图1是粮食数量在线检测系统示意图；

图2是测量盒底座斜视图；

图3是盖板底部空间斜视图；

图4是盖板上表面斜视图；

图5是压力传感器图；

图6是测量盒的操作提手位置立体图；

图7是盖板和底座的装配方法立体图；

图8是测量盒透视斜视图；

图9(a)是测量盒侧视图；

图9(b)是图9(a)的剖视图；

图10测量盒装置在平方仓的排布方式；

图11测量盒装置在筒仓的排布方式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

本发明提供了一种检测装置，该检测装置的基本方案是：一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，该检测装置包括外壳，外壳包括上下设置的承压板和底座，承压板和底座之间设有压力传感器；外壳的外轮廓在垂直于上下方向的截面形状为正六边形或等边三角形。

承力板将作用于仓底的大面积的粮食重力集中于面积较小的压力传感器受力面。

进一步的，优选将压力传感器置于整个装置的中心位置,即压力传感器位于所述检测装置的中央，压力传感器周向均布有若干定位支撑导杆；定位支撑导杆固设于承压板和底座的其中一个上，另一个上对应设有定位支撑导杆卡槽。

进一步的，承压板中央固定设有压力集中垫板，压力集中垫板与压力传感器直接接触；压力集中垫板上设有与压力传感器受力柱配合的压力导向槽。

压力传感器、底座与盖板

做为一种实施方式，承力板与底座可以构造为扣合的方式。具体的，检测装置可以构造为一个测量盒，承力板为一个盖板，如图6、7所示，盖板61扣在底座62上，底座底部放在仓底地面，盖板在底座上部。盖板尺寸略大，盖板和底座侧面之间属于间隙配合，保证盖板具有上下自由度。

盖板和底座之间设有压力传感器81和内部电源与信号线82，如透视图图8所示。

压力传感器，如图5所示，一般采用较高量程的、低塑性变形的、时间耐久性较长的压力传感器。压力传感器内部集成了A/D转换及485通讯及相关微处理器电路，可直接通过导线输出压力或压强测量值。压力传感器包括受力柱53、受力柱上部的承力面51、以及从外周引出的传感器导向52。

由于本实施例中采用了上述结构的压力传感器，所以底座和盖板之间的压力传感器卡槽应具有相适应的结构，在选择其他类型传感器时，可以根据传感器形状相应改变压力传感器卡槽构造。

对于底座，具体来说，如图2所示：底座采用正六边形结构，底座中心设有一个压力传感器卡槽21，主要用于固定放置压力传感器下半部分；压力传感器下卡槽21周向均布六个定位支撑导杆22，主要用于保证底座和上盖板位置对齐且相互装配准确，并分担作用于压力传感器上的重力，在盖板发生变形时起到支撑盖板的作用，以保证盖板的最大变形在弹性变形范围之内；压力传感器卡槽边缘有一个导线出口槽23，方便压力传感器导线的引出；压力传感器卡槽21周向还设有两个操作提手24，便于安装和维护测量盒时对测量盒的提领。

对于盖板，具体来说，如图3、4所示：盖板采用与底座大小相适应的正六边形结构，包括位于中心的一个压力集中垫板36，其作用是集中汇集粮食压力，并将重力传递于压力导向槽32，且最大限度减少盖板变形，使盖板变形维持在弹性变形范围之内；压力集中垫板安装于盖板上，由高强度陶瓷或合金制作，采用较强的刚性材料制作这种垫板的主要目的是减少长期受压所产生的塑性变形。压力集中垫板中心设置压力传感器上卡槽31，与底座上的压力传感器下卡槽21对应设置，用于容纳压力传感器上半部分；上卡槽31内部设有一个压力导向槽32，直接和压力传感器受力柱53配合，其底面直接和压力传感器的受力面接触，用于传递来自于压力集中垫板的压力，谷物重力由此处传递于压力传感器受力面；周向均布的六个定位支撑杆卡槽33，用于和底座上的定位支撑导杆22装配配合，以保证盖板和底座的定位准确，使得盖板不至于和底座错位，并提供支撑面；周向设置六个导线过孔34和导线槽37，用于六个方向的电源和485导线穿过并嵌入盖板；两个个装置操作提手过孔35，使得提领测量盒时操作用力作用于底座操作提手24。

线缆布设方式

从压力传感器导线出口槽引出的压力传感器导线并联有个数等于外壳外轮廓边数的分支导线，各分支导线从盖板上的对应传感器导线槽引出。其布线方式可采用如图8所述布线方式，各方向的分支导线中各信号和电源线分别并联，并通过盖板的过孔穿过盖板，最后嵌入盖板导线槽37中。

测量盒的装配

1)测量盒的装配步骤如下：

2)将压力传感器安装于底座的传感器下卡槽21中；

3)将传感器导线从导线槽23中引出；

4)将定位支撑导杆22和底座相连并固定在底座上；

5)在盖板上安装压力集中垫板36和压力传感器上卡槽31；

6)将盖板各边底座各边对准，扣上盖板，并使底座上的定位支撑导杆22插入盖板上的定位支撑导杆卡槽33中；

7)将测量盒操作提手24穿过盖板的操作提手过孔35，并保证压力导向槽32底面和压力传感器压力承力面51接触。

图6中，测量盒提手24穿过盖板的提手过孔35，以方便提取或移动整个测量盒，便于对测量盒的操作和维护。但提手和过孔之间是间隙配合，以使得盖板不受提手的支撑力。

图7说明了盖板和底座的装配方法和位置，底座底部放在仓底地面，盖板在底座上部。盖板尺寸略大，盖板和底座侧面之间也属于间隙配合，保证盖板具有上下自由度。

图8是测量盒的透视斜视图，是各部件在装配后的相对位置。定位支撑导杆侧面和定位支撑导杆槽侧壁之间也是间隙配合。压力传感器侧面和压力传感器卡槽侧壁之间是过盈配合，以保证传感器不发生移动。

图9(b)是测量盒装配图的剖视图，进一步说明的间隙配合关系有：压力传感器受力柱与压力导向槽周向间隙配合2；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽周向间隙配合1；盖板外侧壁与盖板外侧壁周向间隙配合3；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽也上下间隙配合4；定位支撑导杆卡槽底面和定位支撑导杆上表面的间隙，称之为初始间隙。之所以称之为初始间隙，原因是在粮重不高时，此间隙存在，当粮重达到一定值时，此间隙消失，定位支撑导杆起到支撑盖板的作用。

二，本发明还提供了一种检测单元，该检测单元的基本方案是：线检测单元包括一个中心检测装置和其周向均布的六个外周检测装置；中心检测装置与外周检测装置结构相同，均包括外壳，外壳包括上下设置的承压板和底座，承压板和底座之间设有压力传感器；外壳的外轮廓在垂直于上下方向的截面形状为正六边形；任一外周检测装置的一条边与中心检测装置的对应边接触，且与相邻的两个外周检测装置的对应边接触。

实际上，在检测装置采用上述实施例中的测量盒时，该检测单元即是至少由七个上述测量盒按照上述排列关系排布而成，如图10、11所示。

在粮仓中，将粮仓仓底划分为紧密测量区和稀疏测量区。紧密测量区分布在粮仓的进粮区，稀疏测量区分布在粮仓的非进粮区。紧密测量区的测量点由上述检测单元构成。稀疏测量区的测量点为单个测量盒。测量盒之间在相邻各边以导线连接。检测单元由一定数量的结构完全相同的正六棱柱盒状装置(测量盒)紧密摆放组成局部紧密测量面。稀疏测量区的测量点为单个压力测量盒。测量盒之间在相邻各边以导线连接。这些测量盒装置和主控电脑共同组成在线检测系统，实现大型粮仓仓储粮食数量在线检测。

图10是测量盒在平方仓仓底布置的方法。平方仓仓底面积较大，进粮区101有几个集中进粮点。每个进粮点出安排一个紧密测量点，在紧密测量点处设置一个检测单元，这样即可保护传感器的位置牢固、分担重力，也可避免传感器材料和电路受过高压力而损坏。非进粮区102分布稀疏测量点，采用为单个测量盒，这些位置受到的冲击一般较小，可均匀、等间隔分布在非进粮区。这样可减少传感器总数量，从而降低系统总成本。在出粮食孔103的位置排布了较一般非进粮区更多的测量盒(仍采用单个测量盒)，原因是出粮孔位置周围粮食压强变化较大，数量较多的测量盒可精确测量这种实时的变化。

图11是测量盒在立筒仓或浅圆仓底布置方式，112为仓壁。图11中紧密测量点布置检测单元，紧密测量点的位置要根据实际进粮口粮食下落所对应的位置或粮食在进入粮仓时的冲击位置决定。其它稀疏测量点布置单个测量盒，可等半径、等间隔均匀分别在非进粮区。输送设备111周围要安置更多的测量盒，原因和上述平房仓的相同，即这个位置周围粮食压强变化较大，数量较多的测量盒可精确测量这种实时的变化。

由于测量盒是六棱柱盒形装置，检测单元可以将不同测量盒之间侧面俩俩对齐，使得各测量盒的盖板上传感器导线槽俩俩对准。这样，任何一个测量盒内的传感器电源及485信号线都可以和周边六个方向上的任意一个测量盒的传感器电源及信号线并联。最终出仓的电源和信号线可从任意一个测量盒引出(一般选紧靠仓壁的测量盒)。这样就形成了多路互连的网络传输结构，增加了信号连通的可靠性。并避免了复杂的传感器导线布线问题，使整个检测系统外露导线减少。整个在线检测系统仅有紧靠粮仓仓壁的一根出仓导线，如图1所示。可以看出，这种方式可使得大部分导线封闭于测量盒内部，这也在很大程度上增加了防火安全性。由于上述排布方式，使得各测量盒电路的通讯、电源线路多点并联。因此，若单个测量盒损坏，去除后，很容易通过其它路径获得其它测量盒的信号和电源，以恢复整个检测系统。单个测量点的缺失，通过软件修正计算后，对最终测量结果的影响也不大。另外，六棱柱形的测量盒也便于维修维护：只要解开装置的各边的导线，即可用装置提手把装置取出或放入。

三，最后，本发明还提供了一种传感器测量方法，其基本方案是在采集压力传感器值时，通过下式对实际粮食重量进行换算：

$R=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{1}F& F\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1;\\ k_{2}F+c_1& {\mathrm{\&theta;}}_1<F\&le;{\mathrm{\&theta;}}_2;\\ k_3{F}^2+k_{4}F+c_2& F>{\mathrm{\&theta;}}_2;\end{array}\right.$

R为实际粮食重量，F为传感器测量值，k₁,k₂,k₃,k₄是标定系数，c₁,c₂是标定的常数项。

上述方法是基于本发明的检测装置。从图9(a)、9(b)的分析可以看出，在实际测量时，测量盒对压力测量分三个阶段：

阶段一：当粮面不高或粮食数量较少时，由于定位支撑导杆的上表面和盖板上定位支撑导杆卡槽底部之间有一间隙，称为初始间隙94，使得全部受力都集中在压力传感器上，此时测量值和实际粮食重量基本成正比例关系；

阶段二：当初始间隙由于压力增大而消失时，六个定位支撑导杆起到支撑盖板的作用，并和压力传感器共同分摊来自于粮食的重力。由于导杆上表面和传感器承力面面积基本相同，实际增加的重力大约为测量盒传感器增加的测量值的七倍(因为是六个导杆和自身共同承担重力)。此时传感器的测量值和实际值之间的测量模型要改变。

阶段三：由于继续增加粮食重量使得传感器、定位支撑导杆、压力集中垫板、盖板以及底座均发生了较大的弹性变形，这个阶段变形较为复杂，需要通过实验确定并标定测量模型的各项参数。

压力传感器受力柱与压力导向槽周向间隙配合；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽周向间隙配合；盖板外侧壁与盖板外侧壁周向间隙配合；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽也上下间隙配合。

因此可以得出：

式中参数可通过测量值和实际粮重比较后拟合并标定得到，具体实验手段属于常规技术，在此不再赘述。

以上实施例中，整个检测装置为正六边形，作为其它实施方式，也可以采用三角形。采用三角形结构，可以根据需要设计相应的检测单元。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，该检测装置包括外壳，外壳包括上下设置的承压板和底座，承压板和底座之间设有压力传感器；外壳的外轮廓在垂直于上下方向的截面形状为正六边形或等边三角形。

2.根据权利要求1所述的一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，所述压力传感器位于所述检测装置的中央，压力传感器周向均布有若干定位支撑导杆；定位支撑导杆固设于承压板和底座的其中一个上，另一个上对应设有定位支撑导杆卡槽。

3.根据权利要求2所述的一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，所述承压板中央固定设有压力集中垫板，压力集中垫板与压力传感器直接接触；压力集中垫板上设有与压力传感器受力柱配合的压力导向槽。

4.根据权利要求3所述的一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，所述承压板为一盖板，盖板扣设在底座上。

5.根据权利要求4所述的一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，所述压力传感器受力柱与压力导向槽周向间隙配合；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽周向间隙配合；盖板外侧壁与盖板外侧壁周向间隙配合；定位支撑导杆与定位支撑导杆卡槽也上下间隙配合。

6.根据权利要求4所述的一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，底座、盖板上均设有压力传感器卡槽，卡槽外壁上开设有用于引出压力传感器导线的压力传感器导线出口槽。

7.根据权利要求6所述的一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，从所述压力传感器导线出口槽引出的压力传感器导线并联有个数等于外壳外轮廓边数的分支导线，各分支导线从盖板上的对应传感器导线槽引出。

8.根据权利要求6所述的一种大型粮仓储粮数量在线检测装置，其特征在于，底座上设有操作提手，盖板上对应设有用于操作提手穿过的操作提手过孔。

9.一种大型粮仓储粮数量在线检测单元，其特征在于，所述在线检测单元包括一个中心检测装置和其周向均布的六个外周检测装置；中心检测装置与外周检测装置结构相同，均包括外壳，外壳包括上下设置的承压板和底座，承压板和底座之间设有压力传感器；外壳的外轮廓在垂直于上下方向的截面形状为正六边形；任一外周检测装置的一条边与中心检测装置的对应边接触，且与相邻的两个外周检测装置的对应边接触。

10.如权利要求1所述检测装置的压力传感器测量方法，其特征在于，在采集压力传感器值时，通过下式对实际粮食重量进行换算：

$R=\left\{\begin{array}{cc}{k}_{1}F& F\&le;{\mathrm{\&theta;}}_1;\\ k_{2}F+c_1& {\mathrm{\&theta;}}_1<F\&le;{\mathrm{\&theta;}}_2;\\ k_3{F}^2+k_{4}F+c_2& F>{\mathrm{\&theta;}}_2;\end{array}\right.$

R为实际粮食重量，F为传感器测量值，k₁,k₂,k₃,k₄是标定系数，θ₁，θ₂是设定值，c₁,c₂是标定的常数项。