CN104964732A - 一种双垂直力集合数字式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有双垂直力输出的电阻应变式数字传感器装置，其中通过以特定的配置方式将两组相同组成的电桥电路的应变片设置在同一梁式或板式传感器弹性体的剪力应变盲孔腹板底面上，实现了在同一荷载下实现同时高精确度地输出双路垂直力输出信号的双垂直力传感器结构。

Description

一种双垂直力集合数字式传感器

技术领域

本发明涉及电子数字传感器领域，特别是涉及一种具有双垂直力输出的电阻应变式数字传感器。

背景技术

轨道衡是安装在铁路上对列车装载货物重量进行计量的设备。轨道衡通常由承重台、传感器、称重显示器及数字打印机等辅助设备组成，能够自动显示称重数值，具有远传信息、连续计量等特点。由于这些特点，目前轨道衡技术已经广泛被应用于工厂、矿山、冶金、外贸和铁路部门对货车散装货物的称重。

现有的轨道衡通常分为静态轨道衡和动态轨道衡两大类，建设一台常规动态轨道衡至少需要造成250㎡土地的混凝土化，而建设一台常规的静态轨道衡至少会造成120㎡土地的混凝土化，因此，如果能将静态轨道衡和动态轨道衡一体结合，将大大减少建设成本及占地需求，缓解有限土地混凝土化与轨道衡计量发展之间的矛盾。

现有技术（例如中国专利ZL200920200873.1及200910246334.6号中国发明专利申请）公开了一些动静态合一的轨垫传感器，但是其均旨在实现轨垫传感器准确测量垂直力和水平分力，并为此在传感器的弹性体中设置了多个惠斯登电桥电路。然而，其中多路惠斯登电桥中的应变片在弹性体中的设置方式，只能满足垂直力和水平分力测量的需求，各路输出不能同时高精确度地反应出同一荷载，这就为在一台设备上高精度地实现动态和静态轨道衡计量造成困难。

轨道衡用电阻应变式数字传感器通常暴露于自然环境中使用，其容易受到外部不确认因素的影响，诸如外部引入的冲击电压等，造成测量不准确甚至设置损坏。此外，定期为传感器更换或检修供电电源也是一件繁琐的工作，会给轨道衡的检修工作造成一些困扰，且使其成本升高。

中国衡器“十三·五”衡器发展纲要要求，着重开发多功能、智能化轨道衡，真正实现静态轨道衡和动态轨道衡实现二合为一，最大限度的去减少各大、中型企业既对动态轨道衡，又对静态轨道衡所带来的重复投资，改善当前对轨道衡维护成本高的局面。这对现有技术的电阻应变式传感器提出了进一步的要求。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本发明提供了一种具有双垂直力输出的电阻应变式数字传感器装置，其中通过以特定的配置方式将两组相同组成的电桥电路的应变片设置在同一梁式或板式传感器弹性体的剪力应变盲孔腹板底面上，实现了在同一荷载下实现同时高精确度地输出双路垂直力输出信号的双垂直力传感器结构。

由于本发明的双垂直力输出传感器能够在同一荷载下同时高精确度地输出双路垂直力输出信号，从而有可能在一个传感器中同时实现专用于静态轨道衡计量和专用于动态轨道衡计量的两路计量通道，使得高精度动静态轨道衡的真正实现成为可能。解决了现有静态或动态轨道衡无论采用哪类结构的称重传感器，均因弹性形变区的限制及轨道衡对计量传感器的高精确度要求，未能在轨道衡用传感器上实现针对同一荷载同时输出两路垂直力测量值这一功能的限制，进而改善了静态轨道衡和动态轨道衡因此不能合二为一的现状。

在本发明的传感器装置中，包括两路惠斯登电桥电路、信号放大电路、信号滤波电路、A/D转换器及微控制器。第一路惠斯登电桥电路包括R1~R8八张同阻值的应变片，其中应变片R1~R4是剪切的拉片，应变片R5~R8是剪切的压片；2个用于温度的零点补偿电阻Rt1、Rt2分别串入相邻的桥臂中，两个空载零点补偿电阻Ro1、Ro2也分别串入相邻的桥臂中，供电桥的正极分别串入弹性模量补偿电阻Rp1和灵敏系数补偿电阻Rs1，在供电桥负极端分别串入弹性模量补偿电阻Rp2和灵敏系数补偿电阻Rs2，在供电桥的正、负极间并入电阻R作为输入电阻标准化调整电阻。第二路惠斯登电桥电路在电路组成上与第一路相同。在本发明的传感器中，弹性体由合金钢材料通过整体加工制成且分为承载区、应变测量区及安装区。应变测量区为分左右对称两个且为盲孔工字形截面，左侧测量区腹板上正面粘贴有A11（R1、R2）、B11（R9、R10），反面粘贴A12（R5、R6）、B12（R13、R14）各两组双剪应变片；右侧测量区腹板上正面粘贴有A21（R3、R4）、B21（R11、R12），反面粘贴A22（R7、R8）、B22（R15、R16）各两组双剪应变片；各应变片的丝栅方向与水平轴成45度交叉布置，A11、A12、A21、A22连接成惠斯通电桥A（图1所示），用于静态称重测量；B11、B12、B21、B22连接成惠斯通电桥B（图2所示），用于动态称重测量。

在本发明的一个方面，为了提高传感器的测量精度、稳定性及环境适应性，节省对称重设备的日常维护费用，减少维护人员的日常巡检工作量，降低用户生产成本，传感器装置中还可以设置太阳光电模块与蓄电池结合来提供电源，同时可以进一步包括节能控制模块、防过流冲击模块、电源电压转换模块和电源干扰隔离模块。其中，所述节能控制模块用于在接收到列车通过传感器系统的信号时将电源与传感器电路接通，使传感器电路处于工作状态，在列车离开之后，则切换电源与传感器电路的联通，从而有效实现能量的节约。所述防过流冲击模块用于防止从外界引入的浪涌功率对传感器电路造成损坏，提高设备的环境适应性。所述电源电压转换模块用于调节电源电压，从而有利地改善传感器的电源设计成本。所述电源干扰隔离模块用于在电源信号进入所述电桥电路之前隔离或消除其中的干扰成分，从而提供精确的输入电压，有效保证测量结果的精确获得。

附图说明

图1示出了根据本发明的具有双垂直力输出的集合数字式传感器的电桥电路A；

图2示出了根据本发明的具有双垂直力输出的集合数字式传感器的电桥电路B；

图3和4说明了根据本发明的具有双垂直力输出的集合数字式传感器中应变片在传感器弹性体上的配置；

图5示出了根据本发明的具有双垂直力输出的集合数字式传感器中节能控制模块的电路原理图；

图6示出了根据本发明的具有双垂直力输出的集合数字式传感器中防过流冲击模块的电路原理图；

图7示出了根据本发明的具有双垂直力输出的集合数字式传感器中电源电压转换模块的电路原理图；

图8示出了根据本发明的具有双垂直力输出的集合数字式传感器中电源干扰隔离模块的电路原理图。

具体实施方式

在本发明的传感器装置中，在同一梁式或板式传感器弹性体的剪力应变盲孔腹板底面以特定的配置设置2路惠斯登电桥电路所需的电阻应变片。每一路单独的形成一个惠斯登电桥电路。

如图1所示，第一路由R1~R8八张相同阻值的应变片构成惠斯登电桥电路，其中R1~R4是剪切的拉片，R5~R8是剪切的压片；2个用于温度的零点补偿电阻Rt1、Rt2分别串联接入相邻的桥臂中，两个空载零点补偿电阻Ro1、Ro2也分别串联接入相邻的桥臂中，供电桥的正极分别串联接入弹性模量补偿电阻Rp1和灵敏系数补偿电阻Rs1，在供电桥负极端分别串联接入弹性模量补偿电阻Rp2和灵敏系数补偿电阻Rs2，在供电桥的正、负极间并入电阻R作为输入电阻标准化调整电阻。采用直流电源提供电桥工作电压。

如图2所示，第二路惠斯登电桥电路构造与图1所示电桥相同，仅在部件编号上有所区别，其中采用了与R1-R8相同阻值的应变片R9-R16。

在本发明的惠斯登电桥电路中，通过相邻桥臂上的剪切拉片和剪切压片设置，形成一种全差动电桥结构，从而有效提高电桥的灵敏度。例如，与现有技术中采用单一应变片构成的电桥结构相比，其灵敏度将提升4倍左右。

图3和图4说明了两路惠斯登电桥电路的应变片在同一梁式或板式传感器弹性体的剪力应变盲孔腹板底面上的配置。借助这种配置，可以形成能对同一荷载同时高精确地输出双路垂直力输出信号的双垂直力输出传感器结构。

如图3和4所示，传感器弹性体分为承载区、应变测量区及安装区三个区域，整个弹性体用合金钢材料通过整体加工制成；应变测量区为分左右对称两个；测量区为盲孔工字形截面，左侧测量区腹板上正面粘贴有A11（R1、R2）、B11（R9、R10），反面粘贴A12（R5、R6）、B12（R13、R14）各两组双剪应变片；右侧测量区腹板上正面粘贴有A21（R3、R4）、B21（R11、R12），反面粘贴A22（R7、R8）、B22（R15、R16）各两组双剪应变片；各应变片的丝栅方向与水平轴成45度交叉布置，A11、A12、A21、A22连接成惠斯通电桥A（图1所示），用于静态称重测量；B11、B12、B21、B22连接成惠斯通电桥B（图2所示），用于动态称重测量。

由于各应变片粘贴在测量区盲孔腹板中央附近，粘贴区的横截面为矩形工字截面，根据材料力学理论，工字形截面的弯矩主要由上、下翼板承受，剪力主要由截面腹板承受，贴片区的剪应力较为均匀，因此不仅可以改善传感器的线性，同时也可消除传感器安装面摩擦力、支反力引起的力矩变化对测量区的干扰，从而提高传感器的测量精度。

由于该传感器主要被用于轨道衡中，因此本发明的一个重要方面还涉及传感器装置中的供电结构。为保证传感器装置能够具备良好的环境适应性和使用寿命，本发明中可以采用太阳光电模块结合蓄电池作为功率来源。

为提高传感器装置的能源利用率及使用寿命，在本发明的传感器装置中，还设置有节能控制模块，其在接收到表示列车通过传感器装置的信号时将电源与传感器电路接通，使传感器电路处于工作状态，而接收到表示列车离开传感器装置的信号时，切断电源的接入，保证传感器装置功耗的最小化。

图5示出了本发明的节能控制模块的电路原理图，其中三极管VT_ns的c极经电阻R_ns1连接电源的输出端Vcc（即，节能控制模块的电源输入端），b极经电阻R_ns2连接控制信号输入端，e极接地；MOS管MOSFET_ns的S极与Vcc连接，G极连接VT_ns的c极。进一步地，R_ns1和R_ns2的阻值可以分别取为50k欧姆和2k欧姆。

在该节能控制模块中，当输入的控制信号为高电平信号时，VT_ns导通，MOS管将处于完全导通状态，此时模块输出电压等于其接收的电源输入电压；当控制信号为低电平信号时，VT_ns截止，MOS管也相应处于截止状态，此时不输出功率，传感器装置处于节能模式。

根据本发明的进一步方面，该传感器装置中还可以包括防过流冲击模块，用于防止因诸如天气原因引入冲击电流而可能对设备造成损害。

图6示出了本发明的防过流冲击模块的电路原理图。该防过流冲击模块主要包括气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管及自恢复保险丝，构成四级防过流冲击结构。其中，气体放电管由于耐浪涌电流强、绝缘电阻大的特点，被用于第一级防过流冲击结构，将外界引入的浪涌电流限制在一定范围内。压敏电阻因其电阻值在一定范围内能够随着电压变化而变化，从而能够起到抑制电路中过压的作用，且其适用电压范围能够与气体放电管相匹配，因此被用于第二级防过流冲击结构。瞬态抑制二极管在两极受到反向瞬态高能量冲击时，能在非常短的响应时间内由高阻抗变为低阻抗模式，从而大量吸收浪涌功率，将两极电压保持在预定数值上，因此其被用作第三级防过流冲击结构。在第四级防过流冲击结构中，为了确保传感器电路不在过流冲击下受损，设置了自恢复保险丝，其阻抗变化特性能够保证电路中的电流保持在预定值之下。

在防过流冲击模块的电源输出端上，还并联有电容以对输出的功率信号进行滤波处理。在本发明中，该电容可以优选采用独石电容，因为其具有稳定性高、体积小、容量大、耐高温等特点，尤其适用于传感器装置所应用的轨道衡的工作环境。

根据本发明的又一方面，传感器装置可以进一步包括电源电压转换模块，用于提供稳定的电压转换。如图7所示，本发明的电源电压转换模块可以采用低噪声微功率稳压器。例如，可以优选采用LT1963型稳压器，该稳压器具有输出电压可调且功耗低的优点。具体地，可以在稳压器的BYP端口与OUT端口之间串联C1=0.01mF的电容，SHDN端口与IN端口连接，IN端口分别并联C4=1mF和C5=0.1mF的两个电容接地，OUT端口分别并联C2=10mF和C3=0.1mF的两个电容接地，以达到滤波和稳定输出的效果。优选地，该电容C1至C5可以采用钽电解电容器，因为钽电解电容器的使用寿命长、可靠性高且温度特性好，因此尤其适合本发明的传感器装置将应用的轨道衡的工作环境。

更进一步地，申请人注意到，本发明的电阻应变式传感器的电桥电路因其自身输出的信号通常比较小，因此会对电桥的电源输入电压中存在的干扰或杂质成分较为敏感。基于这种认识，在本发明的传感器装置中，还可以设置有电源干扰隔离模块，将输入电桥电路的电源输入电压中的不良成分抑制或隔离处理，将蓄电池电源信号转换成高质量的直流电源信号，从而有利于提高传感器装置的测量精度。

如图8所示，本发明的电源干扰隔离模块可以主要包括输入滤波器、直流开关电源、中间滤波器、输出滤波器及三端集成稳压器。其中，电源输入信号经由电感Lin和电容Cin构成的输入滤波器输入直流开关电源，直流开关电源的输出信号经由电感Lm1和电容Cm1构成的中间滤波器输入到三端稳压器中，三端稳压器的输出信号经电容Cout滤波后输入到相应的电桥电路中。优选地，所述电感可以采用低频阻流线圈，所述电容可以采用陶瓷电容器。

为了实现数字输出，本发明的双垂直力输出传感器装置还可以进一步包括分别与两路电桥电路A和B连接的信号放大电路、滤波电路、A/D转换电路、微处理器，从而形成静态模块和动态模块。

更进一步地，在静态模块中，微处理器基于下列公式计算静态测量值：

                                                 公式（1）。

其中为标定系数，m为弹性体材料泊松比，E为弹性体材料弹性模量，B为弹性体截面尺寸的宽度，H为弹性体截面尺寸的高度，h为盲孔直径，b为腹板厚度，k为应变片系数，g为重力加速度，为电桥A的输出信号值，M为车厢质量。

在动态模块中，微处理器根据下列公式计算动态测量值：

  公式（2）。

其中，为测量系数，为已知的机车重量，和分别为电桥B对应机车和车厢W的输出信号值，X(n)为修正项。其中，修正项X(n)取决于机车和车厢中转向架车轴的数量n_L和n_w。

通过建立数字模型进行分析及对照试验验证发现，X(n)并非与n形成一个线性关系，以常见的二轴转向架与三轴转向架为例，X(2)与X(3)之间通常满足1:1.15的关系；而对于单轴转向架与二轴转向架而言，X(1)与X(2)之间通常满足1:1.10的关系。

在根据本发明的双垂直力输出传感器装置中，能够在同一荷载下同时准确输出两路垂直力测量信号，使得由单个传感器同时实现静态和动态测量电路成为可能，有利于实现贸易结算电子轨道衡动静态一体化，用技术进步促进绿色计量，减少新建动态轨道衡或新建静态轨道衡造成路基的混凝土化，避免轨道衡设备的建设给不可再生土地资源带来的永久性破坏。在满足钢铁、焦化、矿山、能源、港口、码头等大中型企业既需要使用动态轨道衡又需要静态轨道衡的情况下，倡导绿色计量的环保意识，减少设备的重复分散投资，减少工矿企业对土地资源的混凝土化；节省对计量设备的日常维护费用，减少维护人员日常巡检工作量，通过提升轨道衡使用功能的技术创新的同时，达到计量的更加集中处理与用户生产成本的降低。

上述实施例仅是以举例的方式说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，其仍然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分特征进行等同替换，而这些修改或者等同替换，并不使得相应技术方案的本质脱离本发明实施例的技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种具有双垂直力输出的数字传感器，其包括惠斯登电桥电路、信号放大电路、信号滤波电路、A/D转换器及微控制器，其特征在于，所述惠斯登电桥电路为两路，其中，

在第一路惠斯登电桥电路中，包括R1~R8八张同阻值的应变片，其中应变片R1~R4是剪切的拉片，应变片R5~R8是剪切的压片；2个用于温度的零点补偿电阻Rt1、Rt2分别串入相邻的桥臂中，2个空载零点补偿电阻Ro1、Ro2也分别串入相邻的桥臂中，供电桥的正极分别串入弹性模量补偿电阻Rp1和灵敏系数补偿电阻Rs1，在供电桥负极端分别串入弹性模量补偿电阻Rp2和灵敏系数补偿电阻Rs2，在供电桥的正、负极间并入电阻R作为输入电阻标准化调整电阻；

在第二路惠斯登电桥电路中，包括与R1~R8阻值相同的八张应变片R9~R16，其中应变片R9~R12是剪切的拉片，应变片R13~R16是剪切的压片；2个用于温度的零点补偿电阻Rt3、Rt4分别串入相邻的桥臂中，2个空载零点补偿电阻Ro3、Ro4也分别串入相邻的桥臂中，供电桥的正极分别串入弹性模量补偿电阻Rp3和灵敏系数补偿电阻Rs3，在供电桥负极端分别串入弹性模量补偿电阻Rp4和灵敏系数补偿电阻Rs4，在供电桥的正、负极间并入电阻R作为输入电阻标准化调整电阻；

所述传感器的弹性体分为承载区、应变测量区及安装区，其由合金钢材料通过整体加工制成；应变测量区为分左右对称两个；测量区为盲孔工字形截面，左侧测量区腹板上正面粘贴有A11、B11，反面粘贴A12、B12各两组双剪应变片；右侧测量区腹板上正面粘贴有A21、B21，反面粘贴A22、B22各两组双剪应变片；各应变片的丝栅方向与水平轴成45度交叉布置，A11、A12、A21、A22连接成惠斯通电桥A，用于静态称重测量；B11、B12、B21、B22连接成惠斯通电桥B，用于动态称重测量；其中，A12包括R5和R6、B12包括R13和R14，A21包括R3和R4、B21包括R11和R12， A22包括R7和R8、B22包括R15和R16。

2.如权利要求1所述的具有双垂直力输出的数字传感器，其特征在于，所述应变片粘贴在所述测量区盲孔腹板中央。

3.如权利要求2所述的具有双垂直力输出的数字传感器，其特征在于，其采用太阳光电模块和蓄电池作为电源。

4.如权利要求3所述的具有双垂直力输出的数字传感器，其特征在于，还包括节能控制模块、防过流冲击模块、电源电压转换模块和电源干扰隔离模块；其中，

所述节能控制模块用于在接收到表示列车通过传感器装置的信号时将电源与传感器电路接通，使传感器电路处于工作状态，在接收到表示列车离开的信号时，切断电源与传感器电路的联通；所述节能控制模块包括三极管VT_ns和MOS管MOSFET_ns，所述三极管VT_ns的收集极经电阻R_ns1连接电源的输出端Vcc、基极经电阻R_ns2连接控制信号输入端且发射极接地；所述MOS管MOSFET_ns的源极S连接Vcc连接，栅极G连接VT_ns的收集极；

所述防过流冲击模块用于防止从外界引入的浪涌功率对传感器电路造成损坏，其包括气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管及自恢复保险丝，其中所述气体放电管、压敏电阻和瞬态抑制二极管沿功率输入方向依次并联于电源输入端与大地之间，形成三级防过流保护结构；沿功率输入方向，在所述抑制二极管之后还串联有自恢复保险丝，形成第四级防过流保护结构；在电源输出端处还并联有由独石电容构成的滤波器；

所述电源电压转换模块用于电源电压的转换，其包括低噪声微功率稳压器LT1963，所述稳压器的BYP端口经电容C1与OUT端口连接，所述稳压器的SHDN端口与IN端口连接，所述IN端口经两个并联电容C4和C5接地，所述OUT端口经两个并联电容C2和C3接地；所述电容C1-C5均为钽电解电容器，且C1为0.01mF，C2为10mF，C3为0.1mF，C4为1mF，且C5为0.1mF；

所述电源干扰隔离模块用于抑制或隔离电源信号中的干扰成分，其包括输入滤波器、直流开关电源、中间滤波器、输出滤波器及三端集成稳压器；其中，输入信号经由电感Lin和电容Cin构成的所述输入滤波器输入所述直流开关电源，所述直流开关电源的输出信号经由电感Lm1和电容Cm1构成的所述中间滤波器输入所述三端稳压器，所述三端稳压器的输出信号经由电容Cout构成的输出滤波器后输入至所述电桥电路，所述电感Lin、Lm1采用低频阻流线圈，所述电容Cin、Cm1及Cout采用陶瓷电容器。

5.如权利要求4所述的具有双垂直力输出的数字传感器，其中，所述电阻R_ns1为50k欧姆，所述电阻R_ns2为2k欧姆。

6.如权利要求5所述的具有双垂直力输出的数字传感器，其特征在于，所述电桥电路A和B分别与所述信号放大电路、所述滤波电路、所述A/D转换电路、所述微控制器器连接形成静态模块和动态模块，其中：

在静态模块中，微控制器基于下列公式计算静态测量值：

    

其中为标定系数，m为弹性体材料泊松比，E为弹性体材料弹性模量，B为弹性体截面尺寸的宽度，H为弹性体截面尺寸的高度，h为盲孔直径，b为腹板厚度，k为应变片系数，g为重力加速度，为电桥A的输出信号值，M为车厢质量；

在动态模块中，微控制器根据下列公式计算动态测量值：

其中，为测量系数，为已知的机车重量，和分别为电桥B对应机车和车厢W的输出信号值，X(n)为修正项且取决于机车和车厢中转向架车轴的数量n_L和n_w。

7.如前述权利要求中任一项所述的具有双垂直力输出的数字传感器，其特征在于，所述传感器弹性体在额定载荷下疲劳寿命应≥2000万次。