CN109932107A - 一种双臂电桥式压力检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双臂电桥式压力检测器，包括上面板、下面板、两个带悬臂梁的应变式压力传感器、电路板。应变式压力传感器包括压力回字形框体，位于回字形框体内侧的悬臂梁，悬臂梁与回字形框体连接部贴有电子应变片。下面板上设有两个平行设置的第一凹槽，第一凹槽内还设有第二凹槽。应变式压力传感器嵌入第一凹槽内，悬臂梁位于第二凹槽上方。上面板内侧面固定有两个压块，压块分别贴合在应变式压力传感器的悬臂梁上。本发明的双臂电桥式压力检测器进行了模块化设计，模块外表面平整，可以直接贴合在任意平面上使用。内部电路可以直接外接到单片机上就可以得到经过滤波、模数转换之后的精确压力测量值，使用大大方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种双臂电桥式压力检测器。
背景技术
在当今便携式、轻量化、小型化出行代步设备上，通过人体重心姿态改变来控制出行设备已经成为一种趋势。同时，采用其他方式控制的出行代步设备可以通过了解用户重心位置自动调整运行状态。但是现在市场上缺乏一种通用压力检测器，其需要可以直接安装在任意小型出行设备的脚踏板上的特点，通过组合可获取人体的各种站立姿态的重心位置。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种双臂电桥式压力检测器，能够作为通用型设安装在任意小型出行设备的脚踏板上，通过组合能够精准检测人体不同站姿时的重心位置。
技术方案：一种双臂电桥式压力检测器，包括上面板、下面板、两个带悬臂梁的应变式压力传感器、电路板；所述应变式压力传感器包括压力回字形框体，位于所述回字形框体内侧的悬臂梁，所述回字形框体与所述悬臂梁处于同一水平面，所述悬臂梁与所述回字形框体连接部贴有电子应变片；所述下面板上设有两个平行设置的第一凹槽，所述第一凹槽内还设有第二凹槽；所述应变式压力传感器嵌入所述第一凹槽内，所述悬臂梁位于所述第二凹槽上方；所述上面板内侧面固定有两个压块，所述上面板盖合在所述下面板上，所述压块分别贴合在所述应变式压力传感器的悬臂梁上；所述电路板设置在由所述上面板和下面板相对形成的腔体内，并位于所述两个带悬臂梁的应变式压力传感器中间，所述电路板连接所述电子应变片。
进一步的，所述悬臂梁为倒“山”字形结构，包括与所述回字形框体连接的“T”字形主梁，以及连接所述“T”字形主梁的两根长条形副梁，所述两根长条形副梁关于所述“T”字形主梁对称设置，所述副梁悬空端设有盲孔或通孔，所述压块上设有四个凸起，所述凸起分别嵌入所述盲孔或通孔中。
进一步的，所述回字形框体用胶水粘贴在所述第一凹槽内，所述压块用胶水粘贴在所述悬臂梁表面。
进一步的，位于所述两个带悬臂梁的应变式压力传感器中间的下面板上设有所述电路板的安装限位条，并在所述下面板上设有用于所述电路板接线引出的开口。
进一步的，所述回字形框体和悬臂梁均为硬铝材质，并在上下表面涂覆绝缘漆。
进一步的，所述上面板和下面板为铝合金材料，并在相对内侧涂覆绝缘漆。
一种双臂电桥式压力检测器的重心检测器，包括四个双臂电桥式压力检测器，两个所述双臂电桥式压力检测器横向间隔并排布置在前部，另外两个所述双臂电桥式压力检测器间隔并排布置在后部。
进一步的，当人体一脚横跨在前部的两个所述双臂电桥式压力检测器上，当另一只脚横跨在后部的两个所述双臂电桥式压力检测器上时，设定所述四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜姿态时均定义为前倾加速状态，所述双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左后倾斜、后倾斜、右后倾斜姿态时均定义为后倾减速状态，所述四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左倾斜、直立、右倾斜姿态时均定义为直立匀速状态；当通过所述四个双臂电桥式压力检测器检测到新的用户体重时，执行参数调整步骤，包括：
步骤1：采集用户形体分别做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜、左倾斜、直立、右倾斜、左后倾斜、后倾斜、右后倾斜共九个姿态时的所述四个双臂电桥式压力检测器的输出值，并标定所述前倾加速状态的重心倾斜百分比为100％，标定所述直立匀速状态的重心倾斜百分比为0％，标定所述后倾减速状态的重心倾斜百分比为-100％；
步骤2：根据步骤1采集到的所述四个双臂电桥式压力检测器的输出值，分别计算所述九个姿态时前后倾斜压力差pfb和左右倾斜压力差plr，计算方法为：
前后倾斜压力差pfb＝(x1+x4)-(x2+x3)
左右倾斜压力差plr＝(x1+x2)-(x4+x3)
其中，x1为左前部的双臂电桥式压力检测器输出值，x2为左后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x3为右后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x4为右前部的双臂电桥式压力检测器输出值；
步骤3：根据步骤2得到的前后倾斜压力差和左右倾斜压力差的9*2矩阵数据，利用最小二乘法拟合平面z＝a*pfb+b*plr+c，其中a、b、c为平面拟合参数；
步骤4：在通过所述重心检测器控制设备前进时，将四个双臂电桥式压力检测器实时输出的x1、x2、x3、x4值输入步骤3得到的模型中，将所述模型输出值转化为百分比即为重心倾斜百分比。
有益效果：本发明的双臂电桥式压力检测器进行了模块化设计，模块外表面平整，可以直接贴合在任意平面上使用，且不需要单独测量调零等工作。内部电路可以直接外接到单片机上就可以得到经过滤波、模数转换之后的精确压力测量值，使用大大方便。
附图说明
图1为双臂电桥式压力检测器主视剖面示意图；
图2为双臂电桥式压力检测器整体左视图；
图3为双臂电桥式压力检测器去掉上面板后的视剖面示意图；
图4为双臂电桥式压力检测器去掉上面板后的左视图；
图5为双臂电桥式压力检测器去掉上面板后的俯视图；
图6为双臂电桥式压力检测器的下面板剖面示意图；
图7为双臂电桥式压力检测器的下面板左视图；
图8为双臂电桥式压力检测器的下面板的俯视图；
图9为一种基于上述双臂电桥式压力检测器的重心检测器的压力检测器布置示意图；
图10为实施例中进行参数调整获得的矩阵数据表示在二维坐标中示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1、图2所示，一种双臂电桥式压力检测器，由上面板1、下面板2、两个带悬臂梁的应变式压力传感器3、电路板4组成。上面板1和下面板2为铝合金材料，并在相对内侧涂覆绝缘漆。应变式压力传感器3包括压力回字形框体31，位于回字形框体31内侧的悬臂梁32，回字形框体31与悬臂梁32处于同一水平面。回字形框体31和悬臂梁32均为硬铝材质，并在上下表面涂覆绝缘漆，悬臂梁32与回字形框体31连接部贴有电子应变片33。其中，悬臂梁32为倒“山”字形结构，包括与回字形框体31连接的“T”字形主梁321，以及连接“T”字形主梁321的两根长条形副梁322。两根长条形副梁322关于“T”字形主梁321对称设置，副梁322悬空端设有盲孔或通孔323。
如图6-8所示，下面板2上设有两个平行设置的第一凹槽21，第一凹槽21内还设有第二凹槽22。如图3-5所示，应变式压力传感器3嵌入第一凹槽21内，悬臂梁32位于第二凹槽22上方。回字形框体31尺寸与第一凹槽21一致，并用胶水粘贴在第一凹槽21内。上面板1内侧面固定有两个压块11，压块11上设有四个凸起111。上面板1盖合在下面板2上，压块11分别贴合在应变式压力传感器3的悬臂梁32上，凸起111分别嵌入各副梁322端部的盲孔或通孔323中。在安装前，在压块11表面涂覆胶水，用于能够粘贴在悬臂梁32表面。
位于两个带悬臂梁的应变式压力传感器3中间的下面板2上设有电路板4的安装限位条23，并在下面板2上设有用于所述电路板4接线引出的开口。电路板4设置在由上面板1和下面板2相对形成的腔体内，并位于两个带悬臂梁的应变式压力传感器3中间，电路板4连接电子应变片33。
当上面板1受力时，压力完全传导到悬臂梁32一端，使得悬臂梁32与回字形框体31有相对弯曲，带动电子应变片33形变产生电信号实现压力量与电子量转换。该转换关系为非线性关系，随生产过程有细微差异。回字形框体31和悬臂梁32的材料为硬铝，特点在于抗金属疲劳性高，在量程范围内，力臂一端弯曲垂直高度小于0.5mm。
将压力数据的A/D转换，稳压，滤波等工作在电路板中完成，并将电路板封装在双臂电桥式压力检测器中，由三根线组成的排线引出，双臂电桥式压力检测器可以直接接入数字电路中使用，大大增加该模块的通用性，降低外部电路的设计复杂度。
现有的悬臂梁式应变片压力传感器用于检测时具有如下缺点：受力点有严格规定，必须要在悬臂梁的一端平面上，当多个传感器共同使用时，一旦受力点有所不一致，导致力臂长度有所区别，各个传感器需要单独调试，极为费时费力。受力时，悬臂梁会有明显弯曲，当悬臂梁弯曲后一旦触碰到受压力面，则力会被传导，无法精确测出。
本发明的双臂电桥式压力检测器进行了模块化设计，模块外表面平整，可以直接贴合在任意平面上使用，且不需要单独测量调零等工作。内部电路可以直接外接到单片机上就可以得到经过滤波、模数转换之后的精确压力测量值，使用大大方便。具体的：
下面板2上的第一凹槽21用于对带悬臂梁的应变式压力传感器3起限位作用，方便安装压力传感器3。当压力传感器3装入第一凹槽21中后，用胶水将回字形框体31和凹槽固连。第一凹槽21中有第二凹槽22，大小正好与应变片的悬臂梁32一致，给悬臂梁32留下了向下弯曲的空间，用于避免悬臂梁32在上下弯曲时接触底面导致检测数据不准。
在与压力传感器3的悬臂梁32受力点处对应有两块大小完全一致的凸起压块11，压块11用于紧压在悬臂梁32上，其通过胶水和应变片传感器固连。该压块11具有两个作用：1、确保压力完全承载在应变片传感器的悬臂梁32。2、使得上面板1和下面板2之间具有一定高度缝隙，内部可以放置电路板，并且应变片上部可以走线。压块11上有两凸起111，用于插入悬臂梁32上的对应的盲孔或通孔323中，在安装时凸起111可以起到对准限位的作用，方便安装。
一种基于上述双臂电桥式压力检测器的重心检测器，包括位于代步设备踏板上的四个双臂电桥式压力检测器，双臂电桥式压力检测器横向间隔并排布置在前部，另外两个所述双臂电桥式压力检测器间隔并排布置在后部，如图9所示。四个双臂电桥式压力检测器连接控制器，控制器根据前部和后部的压力检测器的差值控制代步设备的加速或减速运行。
各用户在使用代步设备时，其操作习惯不尽相同，主要体现在对于加减速控制时的姿态幅度控制。虽然四组压力检测器对于压力的单位和灵敏程度都相同，但是不能保证用户踩上之后对于每组压力检测器都有相同的压力反应，举例来说，当用户平稳站在代步设备上，即使没有前倾左倾右倾后倾这些情况，由于脚掌和脚跟的差异，使得压力检测器A1与压力检测器A4，或者压力检测器A2与压力检测器A3这两对传感器的数值必不完全相同，而且对于不同使用习惯的用户来说，这样的差异也有所不同。为了避免用户因不同使用习惯导致代步设备出现加减速突变的问题，对于新用户首次使用时进行参数调整步骤，并将调整后的参数存储在控制器的非易失性存储器中，当用户下次使用时不用重复该参数调整步骤。具体的：
当人体一脚横跨在前部的两个双臂电桥式压力检测器上，当另一只脚横跨在后部的两个双臂电桥式压力检测器上时，设定四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜姿态时均定义为前倾加速状态，双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左后倾斜、后倾斜、右后倾斜姿态时均定义为后倾减速状态，四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左倾斜、直立、右倾斜姿态时均定义为直立匀速状态。当通过四个双臂电桥式压力检测器检测到新的用户体重时，执行参数调整步骤，包括：
步骤1：采集用户形体分别做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜、左倾斜、直立、右倾斜、左后倾斜、后倾斜、右后倾斜共九个姿态时的四个双臂电桥式压力检测器的输出值，并标定前倾加速状态的重心倾斜百分比为100％，标定直立匀速状态的重心倾斜百分比为0％，标定后倾减速状态的重心倾斜百分比为-100％。以上九个姿态分别保持1～2秒，步骤中也对压力检测器取多次输出的平均值。
步骤2：根据步骤1采集到的所述四个双臂电桥式压力检测器的输出值，分别计算所述九个姿态时前后倾斜压力差pfb和左右倾斜压力差plr，计算方法为：
前后倾斜压力差pfb＝(x1+x4)-(x2+x3)
左右倾斜压力差plr＝(x1+x2)-(x4+x3)
其中，x1为踏板左前部的双臂电桥式压力检测器输出值，x2为踏板左后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x3为踏板右后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x4为踏板右前部的双臂电桥式压力检测器输出值。本实施例中，测试得到的九组压力检测器输出数据为：
将前后倾斜压力差和左右倾斜压力差的9*2矩阵数据在二维坐标中显示出来，如图10所示，可以发现并不是一份规则分布的情况。
步骤3：根据步骤2得到的前后倾斜压力差和左右倾斜压力差的9*2矩阵数据，利用最小二乘法拟合平面z＝a*pfb+b*plr+c，其中a、b、c为平面拟合参数。
步骤4：在通过重心检测器控制设备前进时，将四个双臂电桥式压力检测器实时输出的x1、x2、x3、x4值输入步骤3得到的模型中，模型输出z值的值域是-1到+1之间，即一个重心倾斜的度量，将模型输出值转化为百分比即为重心倾斜百分比，表示用户的重心倾斜程度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双臂电桥式压力检测器，其特征在于：包括上面板(1)、下面板(2)、两个带悬臂梁的应变式压力传感器(3)、电路板(4)；所述应变式压力传感器(3)包括压力回字形框体(31)，位于所述回字形框体(31)内侧的悬臂梁(32)，所述回字形框体(31)与所述悬臂梁(32)处于同一水平面，所述悬臂梁(32)与所述回字形框体(31)连接部贴有电子应变片(33)；所述下面板(2)上设有两个平行设置的第一凹槽(21)，所述第一凹槽(21)内还设有第二凹槽(22)；所述应变式压力传感器(3)嵌入所述第一凹槽(21)内，所述悬臂梁(32)位于所述第二凹槽(22)上方；所述上面板(1)内侧面固定有两个压块(11)，所述上面板(1)盖合在所述下面板(2)上，所述压块(11)分别贴合在所述应变式压力传感器(3)的悬臂梁(32)上；所述电路板(4)设置在由所述上面板(1)和下面板(2)相对形成的腔体内，并位于所述两个带悬臂梁的应变式压力传感器(3)中间，所述电路板(4)连接所述电子应变片(33)。
2.根据权利要求1所述的双臂电桥式压力检测器，其特征在于：所述悬臂梁(32)为倒“山”字形结构，包括与所述回字形框体(31)连接的“T”字形主梁(321)，以及连接所述“T”字形主梁(321)的两根长条形副梁(322)，所述两根长条形副梁(322)关于所述“T”字形主梁(321)对称设置，所述副梁(322)悬空端设有盲孔或通孔(323)，所述压块(11)上设有四个凸起(111)，所述凸起(111)分别嵌入所述盲孔或通孔(323)中。
3.根据权利要求1或2所述的臂电桥式压力检测器，其特征在于：所述回字形框体(31)用胶水粘贴在所述第一凹槽(21)内，所述压块(11)用胶水粘贴在所述悬臂梁(32)表面。
4.根据权利要求1或2所述的臂电桥式压力检测器，其特征在于：位于所述两个带悬臂梁的应变式压力传感器(3)中间的下面板(2)上设有所述电路板(4)的安装限位条(23)，并在所述下面板(2)上设有用于所述电路板(4)接线引出的开口。
5.根据权利要求1或2所述的臂电桥式压力检测器，其特征在于：所述回字形框体(31)和悬臂梁(32)均为硬铝材质，并在上下表面涂覆绝缘漆。
6.根据权利要求1或2所述的臂电桥式压力检测器，其特征在于：所述上面板(1)和下面板(2)为铝合金材料，并在相对内侧涂覆绝缘漆。
7.根据权利要求1或2所述双臂电桥式压力检测器的重心检测器，其特征在于：包括四个双臂电桥式压力检测器，两个所述双臂电桥式压力检测器横向间隔并排布置在前部，另外两个所述双臂电桥式压力检测器间隔并排布置在后部。
8.根据权利要求7所述双臂电桥式压力检测器的重心检测器，其特征在于：当人体一脚横跨在前部的两个所述双臂电桥式压力检测器上，当另一只脚横跨在后部的两个所述双臂电桥式压力检测器上时，设定所述四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜姿态时均定义为前倾加速状态，所述双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左后倾斜、后倾斜、右后倾斜姿态时均定义为后倾减速状态，所述四个双臂电桥式压力检测器检测到用户做出左倾斜、直立、右倾斜姿态时均定义为直立匀速状态；当通过所述四个双臂电桥式压力检测器检测到新的用户体重时，执行参数调整步骤，包括：
步骤1：采集用户形体分别做出左前倾斜、前倾斜、右前倾斜、左倾斜、直立、右倾斜、左后倾斜、后倾斜、右后倾斜共九个姿态时的所述四个双臂电桥式压力检测器的输出值，并标定所述前倾加速状态的重心倾斜百分比为100％，标定所述直立匀速状态的重心倾斜百分比为0％，标定所述后倾减速状态的重心倾斜百分比为-100％；
步骤2：根据步骤1采集到的所述四个双臂电桥式压力检测器的输出值，分别计算所述九个姿态时前后倾斜压力差pfb和左右倾斜压力差plr，计算方法为：
前后倾斜压力差pfb＝(x1+x4)-(x2+x3)
左右倾斜压力差plr＝(x1+x2)-(x4+x3)
其中，x1为左前部的双臂电桥式压力检测器输出值，x2为左后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x3为右后部的双臂电桥式压力检测器输出值，x4为右前部的双臂电桥式压力检测器输出值；
步骤3：根据步骤2得到的前后倾斜压力差和左右倾斜压力差的9*2矩阵数据，利用最小二乘法拟合平面z＝a*pfb+b*plr+c，其中a、b、c为平面拟合参数；
步骤4：在通过所述重心检测器控制设备前进时，将四个双臂电桥式压力检测器实时输出的x1、x2、x3、x4值输入步骤3得到的模型中，将所述模型输出值转化为百分比即为重心倾斜百分比。
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