CN108760152A - 一种无线称重装置及分布式无线称重系统及称重方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式无线称重系统及称重方法，用于目标结构重量的分布式测量，以确定目标结构的重心位置，该系统包括：无线数据接收器、处理器、多个分布式布置的称重单元以及分别与各称重单元一一对应的多个数据采集器；称重单元包括加载平台、力传感器和数据采集器；力传感器安装于加载平台上，力传感器与数据采集器连接，对目标结构称重并将称重数据传输至数据采集器；数据采集器具有无线数据发射器，与无线数据接收器相比匹配，以将采集到的称重数据发送至无线数据接收器；无线数据接收器连接处理器，以将接收到的各个称重单元的称重数据上传至处理器；处理器用于根据接收到的各个称重单元的称重数据计算出目标结构的重心位置。

Description

一种无线称重装置及分布式无线称重系统及称重方法
技术领域
本发明属于结构测量技术领域，更具体地，涉及一种结构测量的系统装置及方法，尤其是涉及对中大型结构的重心进行测量的系统装置及测量方法。
背景技术
在工程实际应用中，重心的确定是十分重要的一个环节，许多的结构在实际安装，投入使用前均需对其结构重量进行称量，以便于确定其重心位置，保证后续工作进展的安全性，所以必须采用合理的称量系统对结构的重量进行准确检测，从而计算出重心的测量位置，再与重心的理论位置进行比较，保证安全性。
目前，用于测量结构重量的测量系统多采用单一有线式，即使用一种传感器进行测量，数据传输多使用数据线进行有线传输，这在某种程度上限制了所测结构的尺寸大小及重量，且数据线缠绕纷繁复杂；另外现使用的量程范围有限，且现行使用的测量系统在条件较差、不能保证传感器水平度的地方不便于使用。
综上所述，目前工程实际对结构重量及重心位置的确定要求愈来愈高，实际作业环境条件不一，故需要一种具备高精度和作业环境灵活多样的测量系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分布式无线称重系统，设置多个称重单元对同一构件进行分布式称重，并利用无线通信进行数据传输，使得称重单元数量及位置可以根据目标构件的不同而自由设置，从而提高测量精度以及环境适应性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种分布式无线称重系统，用于目标结构重量的分布式测量，以确定目标结构的重心位置，包括：无线数据接收器、处理器、多个分布式布置的称重单元以及分别与各称重单元一一对应的多个数据采集器；
称重单元包括加载平台、力传感器和数据采集器；力传感器安装于加载平台上，力传感器与数据采集器连接，用于对目标结构称重并将称重数据传输至数据采集器；数据采集器具有无线数据发射器，与无线数据接收器相比匹配，以将采集到的称重数据发送至无线数据接收器；无线数据接收器连接处理器，以将接收到的各个称重单元的称重数据上传至处理器；处理器用于按照预设程序，根据接收到的各个称重单元的称重数据计算出目标结构的重心位置。
进一步地，称重单元包括调平底座，调平底座包括调节块和支撑平台；支撑平台水平布置，中部设有调节块安装孔，调节块安装孔与调节块之间通过螺纹配合，调节块用于在加载平台调平后顶紧加载平台；力传感器、调节块和调节块安装孔同轴布置，安装孔外围设有竖直布置的三个螺杆，加载平台通过调节螺母固定在三个螺杆上。
进一步地，调节块的顶部为向上隆起的弧面，弧面的最高点位于调节块的轴线上。
进一步地，每个螺杆上均设有两个调节螺母，分别为上调节螺母和下调节螺母；下调节螺母设于加载平台下方，用于调节加载平台的水平度；上调节螺母设于加载平台上方，用于在调整好加载平台的水平度之后将加载平台锁定。
进一步地，三个螺杆呈等边三角形分布，该等边三角形的中心点位于调节块的轴线上。
进一步地，力传感器与数据采集器通过转接头进行有线连接；
转接头包括接头、锁定螺母、框体、封盖和侧封螺母；接头通过锁定螺母锁定在框体一侧，封盖设于接头相对侧，且延伸至侧封螺母所在侧，通过侧封螺母锁紧于框体上；
力传感器的数据线从侧封螺母所在侧插入框体内与接头内侧连接并通过锁定螺母锁定，封盖通过侧封螺母锁定；接头外侧与数据采集器的数据接口对接。
进一步地，包括显示装置，显示装置的信号输入接口与处理器连接；处理器用于将各称重数据和/或目标结构的重量及重心位置结果输出至显示装置进行显示。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种基于上述任意一种分布式无线称重系统的称重方法，包括如下步骤：
步骤1：根据目标结构的受力特征及力的平衡原理，布置N个称重单元，将目标结构置于N个称重单元上，获得N个称重数据；
步骤2：在目标结构的任意一个水平截面上建立平面直角坐标系XOY，则重心在坐标系XOY中的坐标为：
其中M为结构总重量，表示第i个称重单元的X轴坐标，表示第i个称重单元的Y轴坐标，mi表示第i个称重单元记录的称重数据，N表示所用称重单元的总数。
进一步地，当目标结构为非规则形状时，N≥3且至少三个称重单元不处于同一直线上。
进一步地，在坐标系XOY中增加Z轴，则获得重心在坐标系XOY中的坐标后得到一条垂直于坐标系XOY的直线L1；将目标结构相对于XOY平面旋转后，L1也被同步旋转；随后，按照步骤2重新测量重心在坐标系XOY中的新坐标，获得一条垂直于坐标系XOY的直线L2；直线L1和直线L2在三维坐标系中的交点即重心在三维坐标系中的位置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得如下有益效果：
1、数据采集器采集的信号，通过无线射频的方式进行传输；数据接收器模块，采用无线接收方式接收数据采集器发射出的数据信息，上传至处理器进行处理，可以实现称重单元的任意布置及数量增减，最多可同时处理40个称重单元的称重数据，量程范围广，适应性强。
2、通过分布式测量，可以适应各种不同的结构形状，即使是不规则形状，也可以准确测得重心位置。
3、根据不同的测量对象及测量需求，对于板型结构或仅需要明确重心竖直位置的结构，本发明可以通过一次测量得出重心在XOY平面的坐标，进而确认重心的竖直位置；对于大型构件或需要明确重心三维坐标的结构，本发明可以通过两次测量得出重心的三维坐标。
附图说明
图1是本发明的功能原理框图；
图2是本发明优选实施例的称重单元立体图；
图3是图2的主视图；
图4是本发明优选实施例的转接头结构示意图；
图5是本发明优选实施例的重心计算平面示意图；
图6是本发明第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，整个系统分为4个模块。称重单元1，传感器可根据具体的作业环境选择是否与调平底座相配合，即选用方案①还是方案②；数据采集器模块2，若采用方案①则将其固定于调平底座的支撑平台，若采用方案②则将其固定于传感器的加载平台下表面，两种方案中，数据采集器与传感器之间均采用有线式的连接方式，数据采集器采集的信号，通过无线射频的方式进行传输；数据接收器模块3，采用无线接收方式接收数据采集器发射出的数据信息，再通过网线将收集的数据信息传输至笔记本电脑中；打开相应的辅助显示软件，既能直观的显示称量结构的重量以及重心的位置，也能表达相关的数据信息。
如图2所示，本发明的第一实施例采用方案①，包括调平底座5、力传感器6、水平仪7、数据采集器8。将调平底座5的支撑平台51平稳放置于地面或水平平台，并将下调节螺母532装至于螺杆531上且旋至最低；再将锁定螺母542装至调节块541上而后一并旋进支撑平台51中心的螺纹孔511中，并旋转到底部，使得调节块541的高度低于下调节螺母532上表面的高度，使其处于最低位置；用螺钉将水平仪7也固定于调平底座5的加载平台52，将调平底座5的加载平台52穿过调平螺杆组件3的三个螺杆531放置于支撑平台51上方；调节三个螺杆531上的两个的下调节螺母532，进行加载平台52的水平度的调整；直到水平仪水泡处在正中心；将上调节螺母533锁死，锁定加载平台52的水平度；使用叉子扳手将调节块541反向旋转，慢慢提升调节块541的高度，让其与加载平台52抵死，再将调节块541上的锁定螺母542锁死，底座平台调整完毕；再将力传感器6放置于调平底座5加载平台52上通过四个螺栓将两者连接固定；用数据线将数据采集器8和传感器6连接在一起，一并将天线82按装至数据采集器本体81上，并用螺钉将数据采集器固定在调平底座5的支撑平台上表面。
如图3所示，在力传感器与数据采集器之间进行有线连接时会涉及转接头装置。转接头装置包括接头821、锁定螺母822、封盖823、框体824、侧封螺母825；先打开封盖823，将传感器的数据线从转接头的侧封螺母825所在侧穿入框体12，然后用一字螺丝刀将接头上端的接口的螺丝拧松，按照数据采集器说明书上指定的接线方式进行正确的接线，而后将锁定螺母10锁死，将封盖823盖好再将侧封螺母锁死；再按照接头9下端以及数据采集器的采集通道上接口的卡口方位将转接头固定至数据采集器的采集通道上，至此采集器与力传感器连接完成。
本实施例的称重方法如下：
1、按照结构受力特征及力的平衡原理，可以任意的布置N个称重单元，将目标结构置于N个称重单元上；其中，当目标结构为非规则形状时，N必须满足N≥3且不处于同一直线上。规则形状是指几何学中能够直接利用公式求取面积、周长的基础形状，例如圆形、椭圆形、正方形、长方形、正多边形、平行四边形、三角形等；不具有上述特点的图形为非规则图形，如L型、T型、五角星等形状。
2、N个称重单元由于距离重心的位置不同，称重数据也会不同，将N个称重数据输入处理器进行处理，利用平面图形几何性质原理计算出重心位置，计算过程如下：
首先选定一个原点，建立平面直角坐标系，设目标结构的平面图形(截面)如图5所示，x、y表示称重单元距离原点的距离，则：
微元dm对X轴的微静矩：dSx＝ydm；
两边求积分，进一步可得：
微元dm对Y轴的微静矩：dSy＝xdm；
两边求积分，进一步可得：
则由(1)、(2)可得重心坐标为：
当平面图形由若干个图形组成时，由定积分的性质可知，其重心坐标即为：
其中M为结构重量，表示第i个称重单元的X轴坐标，表示第i个称重单元的Y轴坐标，mi表示第i个称重单元记录的重量数据，N表示所用称重单元的总数。
3、计算完成之后，处理器会将重心的具体位置以及对应的称重检测报告发送至显示器进行显示。
在上述实施例中只计算和显示重心的平面坐标，因此，能够测出目标结构的重心所处的竖直直线位置；如果要获得目标结构重心的三维坐标，则可以将目标结构绕任意水平轴旋转某一角度之后(即相对于XOY平面旋转)，获得重心所处的另一竖直直线位置，两次测得的直线的交点即为重心，对两次测量结果进行坐标转换即可求得重心的三维坐标。
如图4所示，本发明的第二实施例采用方案②，适用于水平度较好的地方，包括传感器6，数据采集器8，天线14。使用数据线配合转接头将数据采集器8和传感器6连接为一体，再将数据采集器8固定在传感器6的加载平台的下表面，并将天线安装在数据采集器8上面。
由于加载平台是活动的，在称重时会下压，安装数据采集器对其调整空间有一定影响，且数据采集器上面布置有天线，也需要一定活动空间，对于较为复杂的使用环境时，需区别布置方式：
1、对于方案①，其用于水平度不佳，需要通过调整平台调整水平度的场合，由于传感器下表面的安装板要与调整平台相连接，会有固定螺栓凸出，安装空间不足；而支撑平台上的吊孔对整体空间影响不大，故将数据采集器放置在支撑平台上表面；
2、对于方案②，其用于水平度较好的场合，故不需要设置调整平台，因此传感器下表面的安装板上不会有凸出的螺栓，此时数据采集器既可以安装在图6的位置，也可以安装在图6中力传感器下部安装板的上表面。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式无线称重系统，用于目标结构重量的分布式测量，以确定目标结构的重心位置，其特征在于，包括：无线数据接收器、处理器、多个分布式布置的称重单元以及分别与各称重单元一一对应的多个数据采集器；
称重单元包括加载平台、力传感器和数据采集器；力传感器安装于加载平台上，力传感器与数据采集器连接，用于对目标结构称重并将称重数据传输至数据采集器；数据采集器具有无线数据发射器，与无线数据接收器相比匹配，以将采集到的称重数据发送至无线数据接收器；无线数据接收器连接处理器，以将接收到的各个称重单元的称重数据上传至处理器；处理器用于按照预设程序，根据接收到的各个称重单元的称重数据计算出目标结构的重心位置。
2.根据权利要求1所述的一种分布式无线称重系统，其特征在于，称重单元还包括调平底座，调平底座包括调节块和支撑平台；支撑平台水平布置，中部设有调节块安装孔，调节块安装孔与调节块之间通过螺纹配合，调节块用于在加载平台调平后顶紧加载平台；力传感器、调节块和调节块安装孔同轴布置，安装孔外围设有竖直布置的三个螺杆，加载平台通过调节螺母固定在三个螺杆上。
3.根据权利要求2所述的一种分布式无线称重系统，其特征在于，调节块的顶部为向上隆起的弧面，弧面的最高点位于调节块的轴线上。
4.根据权利要求2所述的一种分布式无线称重系统，其特征在于，每个螺杆上均设有两个调节螺母，分别为上调节螺母和下调节螺母；下调节螺母设于加载平台下方，用于调节加载平台的水平度；上调节螺母设于加载平台上方，用于在调整好加载平台的水平度之后将加载平台锁定。
5.根据权利要求2所述的一种分布式无线称重系统，其特征在于，三个螺杆呈等边三角形分布，该等边三角形的中心点位于调节块的轴线上。
6.根据权利要求2所述的一种分布式无线称重系统，其特征在于，力传感器与数据采集器通过转接头进行有线连接；
转接头包括接头、锁定螺母、框体、封盖和侧封螺母；接头通过锁定螺母锁定在框体一侧，封盖设于接头相对侧，且延伸至侧封螺母所在侧，通过侧封螺母锁紧于框体上；
力传感器的数据线从侧封螺母所在侧插入框体内与接头内侧连接并通过锁定螺母锁定，封盖通过侧封螺母锁定；接头外侧与数据采集器的数据接口对接。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的一种分布式无线称重系统，其特征在于，包括显示装置，显示装置的信号输入接口与处理器连接；处理器用于将各称重数据和/或目标结构的重量及重心位置结果输出至显示装置进行显示。
8.一种基于权利要求1～7任意一项所述的分布式无线称重系统的称重方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据目标结构的受力特征及力的平衡原理，布置N个称重单元，将目标结构置于N个称重单元上，获得N个称重数据；
步骤2：在目标结构的任意一个水平截面上建立平面直角坐标系XOY，则重心在坐标系XOY中的坐标为：
其中M为结构总重量，表示第i个称重单元的X轴坐标，表示第i个称重单元的Y轴坐标，mi表示第i个称重单元记录的称重数据，N表示所用称重单元的总数。
9.如权利要求8所述的称重方法，其特征在于，当目标结构为非规则形状时，N≥3且至少三个称重单元不处于同一直线上。
10.如权利要求8或9所述的称重方法，其特征在于，在坐标系XOY中增加Z轴，则获得重心在坐标系XOY中的坐标后得到一条垂直于坐标系XOY的直线L1；将目标结构相对于XOY平面旋转后，L1也被同步旋转；随后，按照步骤2重新测量重心在坐标系XOY中的新坐标，获得一条垂直于坐标系XOY的直线L2；直线L1和直线L2在三维坐标系中的交点即重心在三维坐标系中的位置。
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