CN104655242B - 一种粮仓底面压强检测方法及其采用的压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粮仓底面压强检测方法及其采用的压力传感器，用于粮仓底面压强检测的压力传感器，包括外壳和敏感膜片，敏感膜片上设有弹性垫。采用所述压力传感器的粮仓底面压强检测方法，包括：对所述压力传感器进行标定，获得传感器输出值与压强关系的模型和标定系数；用所述压力传感器检测粮仓底面压强。本发明根据压力传感器敏感面与粮堆底面之间接触特点，以及接触状态对压力传感器输出值的影响规律，提出了一种通过在压力传感器敏感面与粮堆底面之间增加弹性垫而提高粮仓底面压强检测精度的方法，具有使用和维护方便、便于传感器标定等特点。
Description
技术领域
本发明属于粮仓涉及粮仓储粮检测领域，特别是通过粮仓底面压强计算储量，具体涉及一种粮仓底面压强检测方法及其采用的压力传感器。
背景技术
粮食安全包括数量安全和质量安全。粮食数量在线检测技术与系统研究应用是国家粮食数量安全的重要保障技术，开展这方面的研究与应用事关国家粮食安全，具有重要的意义，并将产生巨大的社会经济效益。
粮食数量在线检测技术与系统中的难点在于粮仓底面压强检测，利用现有的压力传感器进行粮仓底面压强检测时，检测误差可达到30％，严重影响了粮食数量检测精度，如何简单方便、低成本、高精度地实现粮仓底面压强检测是粮食数量在线检测的关键问题和难点问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种粮仓底面压强检测方法及其采用的压力传感器，用以解决现有技术测量精度低的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种用于粮仓底面压强检测的压力传感器，包括外壳和敏感膜片，所述敏感膜片上设有弹性垫。
所述敏感膜片的顶面为平面，所述弹性垫紧密贴设于敏感膜片顶面上；弹性垫的顶面为平面。
所述敏感膜片顶面上开设有环形槽，所述弹性垫与所述环形槽适配安装；弹性垫的顶面为平面。
所述弹性垫为橡胶垫。
所述弹性垫厚度应为4～6mm。
所述弹性垫与所述环形槽相适配的侧面与环形槽距离为1mm。
粮仓底面压强检测方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
对所述压力传感器进行标定，获得传感器输出值与压强关系的模型和标定系数；
用所述压力传感器检测粮仓底面压强。
所述输出值与压强关系的模型为Q＝k0+k1s(Q)+k2s(Q)2；k0、k1、k2为所述标定系数。
利用现有压力传感器所检测的粮仓底面压强如图1所示，粮食品种为小麦，粮仓类型为平房仓，其中曲线T1-T4为4次重复检测结果。可以看出不同实验的压强测量值具有显著的不一致性和随机性。对于玉米、稻谷、大豆等都有类似的测量结果。
下面具体给出实验数据说明上述问题。
为了保证压力传感器的互换性，则需要针对不同粮食种类进行压力传感器标定。本发明所采用的压力传感器标定装置如图2所示。其原理在于将压力传感器置于筒状容器底部的中心处，然后装入不同重量的粮食，利用标定压板在容器上部施与已知的压力，根据标定压板底部面积计算粮食内部的压强，通过检测在给定压强和粮食种类时压力传感器的输出值，以获得所实验压力传感器的输出值与实际压强的近似关系。图2中标定容器为筒状，其直径D应保证传感器离容器内壁的距离不小于5厘米，压力传感器顶面与标定压板底部距离L不少于5厘米，容器与标定压板之间以及容器与压力传感器之间为间隙配合。
利用图2所示的压力传感器标定装置，对于玉米、小麦和稻谷，传感器标定结果如图3、图4和图5所示，从图中可以看出：对于各类粮食，压力传感器重复误差较大。例如玉米实验时，4#传感器在78.27kPa标定压力时的四次重 复输出值分别为76.04、62.66、67.52、54.98，平均误差为32％。粮仓底面压强检测值波动非常明显。
通过对粮食堆积问题的深入调查研究发现，导致传感器测量值波动大的原因主要有两个：其一是粮仓底面压强分布差异；其二是由于粮堆与传感器敏感面接触状态的差异所导致的压强测量误差，实验表明这种误差可达到30％左右的程度。因此如何降低粮堆与传感器敏感面接触状态对压力传感器输出值的影响是一个亟待解决的关键问题。
导致现有压力传感器重复误差较大的根本原因在于各次重复时粮食与压力传感器应变表面的接触状态不同，通过减少这种接触状态的差异将是提高现有压力传感器检测精度的根本途径。
本发明根据压力传感器敏感面与粮堆底面之间接触特点，以及接触状态对压力传感器输出值的影响规律，提出了一种通过在压力传感器敏感面与粮堆底面之间增加弹性垫而提高粮仓底面压强检测精度的方法，具有使用和维护方便、便于传感器标定等特点。
附图说明
图1(a)、(b)是小麦平房仓底面压强测量结果；
图2是压力传感器标定装置示意图；
图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别是不同传感器的玉米实验测量结果；
图4是传感器标定结果(小麦)；
图5是传感器标定结果(稻谷)；
图6(a)、(b)是一种型式传感器安装橡胶垫的两种方式示意图；
图7(a)、(b)是另一种型式传感器安装橡胶垫的两种方式示意图；
图8是采用本发明方案的传感器标定结果(小麦)；
图9是采用本发明方案的传感器标定结果(稻谷)
1、压力传感器，2、标定容器，3、标定压板，4、装粮区；11、13、外壳， 12、14、敏感膜片，15、16、17、18、弹性垫。
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。
传感器实施例
实施例1
如图6(a)、(b)是应用本发明构思的一种型式的传感器，(a)、(b)表示采用了两种不同的弹性垫。图6中，压力传感器包括外壳11和敏感膜片12，敏感膜片12上设有弹性垫。敏感膜片12为平面膜片，顶面为平面，弹性垫紧密贴设于敏感膜片顶面上；弹性垫的顶面为平面。图6(a)中，弹性垫15宽度大于敏感膜片，图6(b)中，弹性垫16宽度等于敏感膜片。
弹性垫厚度应为4～6mm。弹性垫可以由安装的弹性垫实现，也可以采用弹性涂层实现。弹性材料可以选择橡胶，如氯丁橡胶。
实施例2
压力传感器包括外壳13和敏感膜片14，敏感膜片14上设有弹性垫。敏感膜片顶面14上开设有环形槽，弹性垫与所述环形槽适配安装；弹性垫的顶面为平面。弹性垫厚度应为4～6mm；弹性垫与所述环形槽相适配的侧面与环形槽距离为1mm。
图7(a)中，弹性垫15宽度大于敏感膜片，图7(b)中，弹性垫16宽度等于敏感膜片。
采用上述压力传感器的粮仓底面压强检测方法，至少包括如下步骤：
对所述压力传感器进行标定，获得传感器输出值与压强关系的模型和标定系数；
用所述压力传感器检测粮仓底面压强。
具体来说，本发明实现粮仓底面压强检测的方法可按以下3步实施：
(1)弹性垫安装
选定具体压力传感器，并根据传感器顶面型式，按图6和图7所示在传感器敏感面上安装橡胶垫，(a)、(b)两种型式可任选一种，其中弹性垫厚度应为4～6mm，橡胶垫与传感器侧面间隙为1mm。
(2)传感器标定
利用图2所示的压力传感器标定装置进行传感器标定。图2中标定容器为筒状，其直径D应保证传感器离容器内壁的距离不小于5厘米，压力传感器顶面与标定压板底部距离L不少于5厘米，容器与标定压板之间以及容器与压力传感器之间为间隙配合。
具体标定方法如下：对于给定的粮食种类，从0到传感器满量程逐步加压，采集3-5组所施压强Q和传感器输出值s(Q)数据，重复3-5次，根据所采集数据和式(1)所示模型，利用最小二乘方法建立传感器的输出值与压强的关系。
Q＝k0+k1s(Q)+k2s(Q)2 (1)
其中，k0、k1、k2为传感器的标定系数。
(3)粮仓底面压强检测
在粮仓底面布置已标定的压力传感器，检测底面压力传感器输出值并利用式(1)所示模型计算传感器检测点的压强值。进而就可以计算粮仓储粮量。
图8和图9为压力传感器敏感面上增加了一层橡胶垫(氯丁橡胶)后的传感器标定结果，粮食种类分别为小麦和稻谷，从图中可看出，压力传感器重复误差明显减少。传感器在74.71kPa标定压力时平均误差分别为2％和4.5％。加垫处理方法简单实用，因此可以通过在压力传感器敏感面增加橡胶垫或弹性涂层等途径提高压力传感器的检测精度。
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 (8)
1.一种用于粮仓底面压强检测的压力传感器，包括外壳和敏感膜片，其特征在于，所述敏感膜片上设有弹性垫，所述弹性垫紧密贴设于敏感膜片顶面上，通过弹性垫减小粮食与压力传感器应变表面的接触状态差异，提高粮仓底面压强检测精度。
2.根据权利要求1所述的一种压力传感器，其特征在于，所述敏感膜片的顶面为平面；弹性垫的顶面为平面。
3.根据权利要求1所述的一种压力传感器，其特征在于，所述敏感膜片顶面上开设有环形槽，所述弹性垫与所述环形槽适配安装；弹性垫的顶面为平面。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种压力传感器，其特征在于，所述弹性垫为橡胶垫。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种压力传感器，其特征在于，所述弹性垫厚度应为4～6mm。
6.根据权利要求3所述的一种压力传感器，其特征在于，所述弹性垫与所述环形槽相适配的侧面与环形槽距离为1mm。
7.采用如权利要求1所述压力传感器的粮仓底面压强检测方法，其特征在于，至少包括如下步骤：
对所述压力传感器进行标定，获得传感器输出值与压强关系的模型和标定系数；
用所述压力传感器检测粮仓底面压强。
8.根据权利要求7所述的粮仓底面压强检测方法，其特征在于，所述输出值与压强关系的模型为Q＝k0+k1s(Q)+k2s(Q)2；k0、k1、k2为所述标定系数。
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