CN106248189B - 无需进行水平校正的称重装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需进行水平校正的称重装置及方法。称重平台上固定安装有托盘，称重平台安装有倾角传感器，倾角传感器经A/D转换电路连接到单片机，单片机连接显示模块进行显示，托盘底面经称重传感器固定连接，称重传感器经信号放大电路与A/D转换电路连接；将物体放到托盘中，称重传感器输出样品重量的电压值，倾角传感器输出称重平台的倾角电压，将数据输入到重量检测模型中，计算得到物体真实重量。本发明无需进行水平校准，称重系统就可以高精度小误差地检测物体的真实重量。

Description

无需进行水平校正的称重装置及方法

技术领域

本发明涉及了一种称重装置及方法，尤其是涉及一种无需进行水平校正的称重装置及方法。

背景技术

称重技术是配料、分级、计量、计价等工作的基础，而称重技术中的核心部分是称重传感器。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式称重传感器使用最广。称重传感器早已渗透到诸如工业、农业、商业、环境保护、资源调查、医学诊断等极其广泛的领域。

根据不同的实际需求，不同原理技术的称重传感器被开发出来，应用到生活中的方方面面。高德文，赵勇等根据光纤在外界径向载荷作用下产生的双折射效应原理，建立了一套适合大载荷情况的重量检测实验装置，称重灵敏度可达到5kg(高德文,赵勇,杨剑.基于双折射效应的光纤光栅称重方法研究[J].光电工程,2006,33(11):79-82.)。张小超，胡小安等提出了一种基于称重法的联合收获机收获粮食产量分布信息测量方法，采用了螺旋推进称质量式技术实现了联合收获机产量流量测量(张小超,胡小安,张爱国,等.基于称重法的联合收获机测产方法[J].农业工程学报,2010,26(3):125-129.)。才让卓玛开发了一款基于C8051F020增强型单片机的可编程称重控制器，具有称重控制，可编程控制，称重变送等功能(才让卓玛.一种单片称重系统电子设计与实现[J].自动化与仪器仪表,2014(6):140-143.)。

现有的称重装置要求称重平台处于水平姿态，当称重平台处于非水平姿态时，检测对象对称重平台的正压力小于其重力，从而使得测量得到的重力小于实际重力，引起误差。为此，刘达文等人发明了一种可进行水平校正的电子分析天平，采用水准器判断电子天平是否摆放水平，通过人工调节天平支架达到水平状态，从而保证测量的准确性。(刘达文等.一种可进行水平校准的电子分析天平.CN 103471697 A[P].2013)

但是，在实际应用中，往往由于环境条件所限，称重平台不能时刻保持在水平位置，如农用机械在野外条件下工作时无法保证称重平台姿态、收获机械需在收获过程中进行动态称重，现有的称重测量方法无法保证这些应用场合的测量准确性。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种无需进行水平校正的称重装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种无需进行水平校正的称重装置：

称重平台上固定安装有托盘，托盘用于安放样品，称重平台表面安装有倾角传感器，倾角传感器经A/D转换电路连接到单片机，单片机连接显示模块进行显示。

所述的托盘底面经称重传感器固定连接，称重传感器经信号放大电路与A/D转换电路连接。

信号放大电路和A/D转换电路构成了信号处理模块。

所述倾角传感器采用双轴倾角检测传感器。

实施是将样品放到托盘中，称重传感器输出样品重量的电压值，倾角传感器输出称重平台的倾角电压，将经过信号放大电路和A/D转换电路处理后的双轴倾角电压、重量电压输入到重量检测模型中，计算得到样品真实重量。

二、一种无需进行水平校正的称重方法，包括以下步骤：

1)在称重平台上水平安装倾角传感器后，构建世界三维坐标系，x轴和y轴在水平面上，z轴竖直向上，通过倾角传感器分别测量称重平台与水平x轴的倾角α以及测量称重平台与水平y轴之间的倾角β；

3)将样品放置在称重平台上进行多次测量，分别改变称重平台姿态和样品重量，获得称重传感器的输出信号u、样品的实际重量w以及每次测量对应的倾角α和倾角β；

将样品放置在称重平台上进行多次测量是指将不同重量的样品放置在称重平台上分别进行测量，对于每个相同重量的样品均以不同的称重平台姿态进行测量。

4)由步骤3)获得的数据建立重量检测模型，通过重量检测模型对待测样品进行计算获得其重量。

所述改变称重平台姿态指的是改变称重平台的倾角。

所述步骤4)具体如下：

①采用以下公式计算称重平台相对于水平面的倾角余弦值k：

②将相同样品重量w对应的输出信号u按倾角余弦值k的大小顺序依次排列在各列中，将相同倾角余弦值k对应的输出信号u按样品重量w的大小顺序依次排列在各行中，见下表；

表1

③对于各个倾角余弦值k，根据以下公式建立同一倾角余弦值k的所有输出信号集合U与其各个输出信号u对应的所有样品重量集合W之间的回归模型，获得斜率回归参数a和截距回归参数b，记录到表2中：

W＝a×U+b (2)

其中，U表示同一倾角余弦值k的所有输出信号集合，W表示与输出信号集合U对应的样品重量集合W；

表2

	a	b
			k<sub>0</sub>	a<sub>0</sub>	b<sub>0</sub>
k<sub>1</sub>	a<sub>1</sub>	b<sub>1</sub>
			…	…	…
k<sub>N</sub>	a<sub>N</sub>	b<sub>N</sub>

④对于各个斜率回归参数a及其对应的倾角余弦值k，根据以下公式建立两者之间的回归模型，得到第一参数m和第二参数n：

a＝m×k+n (3)

a＝m×k+n(3)

⑤对于各个截距回归参数b及其对应的倾角余弦值k，根据以下公式建立两者之间的回归模型，得到第三参数p和第四参数q：

b＝p×k+q (4)

⑥将待测样品放置在称重平台，测量将称重传感器的输出信号采用以下公式的重量检测模型得到待测样品的重量：

w＝m×k×u+n×u+p×k+q (5)

其中，w表示样品的重量，u表示称重传感器的输出信号。

所述的倾角α和倾角β在0-30°范围。

本发明的有益效果是：

本发明无需进行水平校准，可高精度小误差地检测物体的真实重量。

本发明采用倾角传感器分别测量称重平台与x轴的倾角α和y轴的倾角β，利用称重平台的倾角数据、不同重量样品的重量数据及不同倾角的重量检测数据建立重量检测模型，克服了称重平台倾角变化对重量检测结果的影响，提高了检测精度。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理示意图；

图2是本发明一个实施例的斜面受力分析示意图。

附图标记说明：1—称重平台、2—称重传感器、3—托盘、4—倾角传感器、5—信号放大电路、6—A/D转换电路、7—单片机、8—显示模块。

具体实施方式

本发明提出的无需进行水平校正的称重装置及方法，结合附图和实施例详细说明如下。附图和实施例有助于本领域的研究者进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。

称重平台1上固定安装有托盘3，托盘3用于安放待测样品，称重平台1表面安装有倾角传感器4，倾角传感器4经A/D转换电路6连接到单片机7，单片机7连接显示模块8进行显示，托盘3底面经称重传感器2固定连接，称重传感器2经信号放大电路5与A/D转换电路6连接。

本实施例中，所述称重传感器采用电阻应变式称重传感器CZL-A，通过称重传感器采集不同重量不同倾角下的称重电压信号。在相同倾角下，称重电压与称重重量呈线性相关。

本实施例中，倾角传感器采用双轴倾角检测传感器SCA60C，可同时检测传感器与x轴和y轴的夹角，输出电压信号。传感器倾斜角度θ的检测范围在-90°～+90°，输出电压V_out的变化规律如公式(6)所示。

V_out＝2.5-2×sinθ (6)

本实施例中，所述信号放大电路采用LM358型信号放大器，信号放大器接收来自称重传感器的输出电压信号并将其放大100倍输出。

本实施例中，所述A/D转换电路采用ADC0809型A/D转换器，A/D转换器接收经过信号放大器放大的称重电压信号和来自倾角传感器的两个倾角电压信号，并将模拟信号转换为数字信号。

本实施例中，所述单片机采用STC89C52型，单片机接收经过A/D转换器的3个数字信号，并将数字信号输入到单片机中的重量检测模型计算，得到标定的真实重量。

从斜面受力分析图2可知，样品对斜面的正压力F’_支小于其重力G，而且检测重量与斜面倾角θ的余弦值呈线性相关。已知空间平面与x轴的夹角为α，与y轴的夹角为β，根据空间几何关系，容易计算得到空间平面与z轴的夹角，从而知道空间平面的倾角γ，其余弦值可以根据公式(1)计算得到，即空间平面的倾角余弦值为cosγ。

本实施例中，所述重量检测模型根据模仿倾斜称重实验得到。分别让称重平台沿着x轴方向倾斜角度α，y轴方向倾斜角度β，本实施例中双轴倾角α和β按0°，5°，10°和15°依次变化得到不同的倾角组合，测得相应倾角下的输出电压值。根据公式(6)求得真实的双轴倾角正弦值sinα和sinβ，再根据公式(1)计算得到称重平台与水平面倾角的余弦值k，如表3所示。

表3

在不同的斜面倾角下，本实施例中从0g开始依次往称重托盘中叠加一个标准的1000g砝码，形成0g，1000g，2000g，3000g，4000g和5000g的重量梯度，称重传感器输出不同倾角组合不同重量下的称重电压，如表4所示。

表4

由斜面受力分析已知检测重量与斜面倾角的余弦值呈线性相关，即在相同称重重量下，称重电压u与倾角余弦值k线性相关。另外，已知在相同斜面倾角下，称重电压u与称重重量w线性相关。根据公式(5)的重量检测模型，结合表4数据进行模型回归，容易得到本实施例的重量检测模型：

W'＝-428.2×k×U+785.5×U-70.1×k-160.8 (7)

根据公式(7)，计算不同斜面倾角γ和不同称重重量w下的检测重量w’，并与真实重量w进行比较，得到表5的误差结果。

表5检测重量与真实重量的误差

由表5可知，误差控制在-0.3％～+0.3％，此误差范围满足大部分野外等复杂环境下倾斜称重的需求，可以将公式(7)的重量检测模型应用到本实施例称重系统，通过编程写入到单片机中。

本实施例中，所述显示模块采用LCD1602型液晶显示屏，单片机中重量检测模型得到的检测重量通过显示屏显示出来，重量精度为0.01g，用户可以直观读取重量数据。

Claims (3)

1.一种无需进行水平校正的称重方法，其特征在于，方法采用以下装置：称重平台(1)上固定安装有托盘(3)，托盘(3)用于安放待测样品，称重平台(1)表面安装有倾角传感器(4)，倾角传感器(4)经A/D转换电路(6)连接到单片机(7)，单片机(7)连接显示模块(8)进行显示；

方法包括以下步骤：

1)在称重平台上水平安装倾角传感器后，构建世界三维坐标系，x轴和y轴在水平面上，z轴竖直向上，通过倾角传感器分别测量称重平台与水平x轴的倾角α以及测量称重平台与水平y轴之间的倾角β；

3)将样品放置在称重平台上进行多次测量，分别改变称重平台姿态和样品重量，获得称重传感器(2)的输出信号u、样品的实际重量w以及每次测量对应的倾角α和倾角β；

将样品放置在称重平台上进行多次测量是指将不同重量的样品放置在称重平台上分别进行测量，对于每个相同重量的样品均以不同的称重平台姿态进行测量；

4)由步骤3)获得的数据建立重量检测模型，通过重量检测模型对待测物品进行计算获得其测量重量w’；

所述步骤4)具体如下：

①采用以下公式计算称重平台相对于水平面的倾角余弦值k：

②将相同样品实际重量w对应的输出信号u按倾角余弦值k的大小顺序依次排列，将相同倾角余弦值k对应的输出信号u按样品实际重量w的大小顺序依次排列；

③对于各个倾角余弦值k，根据以下公式建立同一倾角余弦值k的所有输出信号集合U与其各个输出信号u对应的所有样品重量集合W之间的回归模型，获得斜率回归参数a和截距回归参数b：

W＝a×U+b

其中，U表示同一倾角余弦值k的所有输出信号集合，W表示与输出信号集合U对应的样品实际重量集合；

④对于各个斜率回归参数a及其对应的倾角余弦值k，根据以下公式建立两者之间的回归模型，得到第一参数m和第二参数n：

a＝m×k+n

⑤对于各个截距回归参数b及其对应的倾角余弦值k，根据以下公式建立两者之间的回归模型，得到第三参数p和第四参数q：

b＝p×k+q

⑥将待测样品放置在称重平台，测量将称重传感器的输出信号采用以下公式的重量检测模型得到待测样品的重量：

w'＝m×k×u+n×u+p×k+q

其中，w’表示样品的测量重量，u表示称重传感器的输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种无需进行水平校正的称重方法，其特征在于：所述改变称重平台姿态指的是改变称重平台的倾角。

3.根据权利要求1所述的一种无需进行水平校正的称重方法，其特征在于：所述的倾角α和倾角β在0-30°范围。

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