CN114383697A - 一种基于磁致伸缩传感器的电子天平 - Google Patents

一种基于磁致伸缩传感器的电子天平 Download PDF

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Abstract

本发明属于称重仪器领域,一种基于磁致伸缩传感器的电子天平,包括底座、支架、托盘、磁致伸缩传感器、线圈、激励信号驱动电路、感应电压检测电路、系统控制器、显示屏、蓝牙模块、电池、电源管理电路、校准按键、称重按键、上位机等。利用磁致伸缩传感器检测托盘内物体质量，将磁致伸缩传感器固定于支架底部与底座之间，磁致伸缩传感器放置于线圈内。本发明测量精度高。

Description

一种基于磁致伸缩传感器的电子天平
技术领域
本发明一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，属于称重仪器领域。
背景技术
电子天平具有准确可靠、快速、显示直观等优点，已得到广泛应用。目前电子天平常用的称重传感器有应变式、电容式等接触式传感器，其中应变式称重传感器结构简单、成本低，但精度不高；电容式称重传感器易受寄生电容影响，且输出特性非线性，精度有限，如中国专利CN204881816U（一种电子天平控制系统）使用L-PSII-10型压力接触传感器，CN105333942A（一种具有数据存储功能的电子天平）使用接触式压力传感器。
发明内容
本发明为了实现高精度称重以及称重数值的无线传输，设计了一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，系统结构如图1所示。
本发明所采用的技术方案是：一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，包括底部安装在底座上的竖直的磁致伸缩传感器、套在磁致伸缩传感器周侧的线圈、安装在磁致伸缩传感器顶部的支架和托盘、可编程逻辑器件FPGA、连接可编程逻辑器件FPGA和线圈的激励信号驱动电路、连接可编程逻辑器件FPGA和线圈的感应电压检测电路、无线连接可编程逻辑器件FPGA的上位机，上位机发送步进频率的频率范围信号给连接可编程逻辑器件FPGA，可编程逻辑器件FPGA根据步进频率的频率范围信号产生步进频率的交流电压相等的正弦波交流信号，可编程逻辑器件FPGA向激励信号驱动电路发送一个周期的频率范围信号的起始频率的正弦波交流信号，激励信号驱动电路将该正弦波交流信号放大和转换后发送给线圈，线圈产生交变的激励磁场，磁致伸缩传感器在交变的激励磁场作用下发生振动，线圈产生感应电压，感应电压检测电路检测到线圈产生的起始频率的正弦波交流信号对应的感应电压后发送给可编程逻辑器件FPGA，可编程逻辑器件FPGA收到感应电压后向激励信号驱动电路发送一个周期的比上次可编程逻辑器件FPGA发送的正弦波交流信号频率步进一步的正弦波交流信号，激励信号驱动电路将该正弦波交流信号放大和转换后发送给线圈，线圈产生激励磁场，线圈在激励磁场产生比上次可编程逻辑器件FPGA发送的正弦波交流信号频率步进一步的正弦波交流信号对应的感应电压，感应电压检测电路检测到线圈产生的感应电压后发送给可编程逻辑器件FPGA，如此往复，直至可编程逻辑器件FPGA向激励信号驱动电路发送一个周期的频率范围信号的终止频率的正弦波交流信号后收到感应电压检测电路检测到线圈产生的终止频率对应的感应电压，可编程逻辑器件FPGA将收到的所有感应电压中的最大电压值对应的正弦波交流信号频率即当前状态的磁致伸缩传感器的共振频率发送给上位机，在天平质量测量区间，磁致伸缩传感器的共振频率与其承受的质量成一一对应关系，上位机通过磁致伸缩传感器的当前状态的共振频率从磁致伸缩传感器的共振频率-质量对应曲线上获得对应的质量，该质量即为当前状态下支架、托盘以及托盘上放置物体质量之和，首先测量托盘上未放置物体时的质量，然后将待测物体放置到托盘上测量出质量，两者之差即为待测物体质量。
激励信号驱动电路包括DA转换电路、信号放大电路，激励信号驱动电路收到可编程逻辑器件FPGA发来的正弦波交流信号后，通过信号放大电路放大，然后通过DA转换电路转换成等电压的正弦波交流电发送到线圈。
感应电压检测电路包括放大电路、有效值转换电路、AD转换电路组成，放大电路对线圈感应电压进行放大，有效值转换电路将感应电压转换成直流有效值，AD转换电路将直流有效值转换为数字电压值，并发送给可编程逻辑器件FPGA。
该电子天平还包括显示屏、校准按键、称重按键，按下校准按键前，天平上未放置待称量物体，按下校准按键，上位机发送步进频率的频率范围信号给连接可编程逻辑器件FPGA，进行称量，并将称量结果即皮重存储在上位机中，同时在显示屏上显示0数值；按下称重按键前，将待称量物体放置在天平的托盘上，按下校准按键，上位机发送步进频率的频率范围信号给连接可编程逻辑器件FPGA，进行称量，并将称量结果即毛重存储在上位机中，计算净重=毛重-皮重，同时在显示屏上显示净重数值。
可编程逻辑器件FPGA和上位机通过蓝牙模块连接。
本发明的原理是：磁致伸缩传感器共振频率随其承受质量变化而改变，当输入正弦波频率与磁致伸缩传感器共振频率相等时，线圈感应电压值最大，通过检测线圈感应电压最大值，即可得到磁致伸缩传感器共振频率。
本发明使用可编程逻辑器件FPGA（现场可编程门阵列）作为系统控制器，通过蓝牙模块接收上位机发送的激励信号频率范围，使用FPGA内部逻辑资源设计正弦波信号发生器，利用FPGA内部RAM作为存储器，将正弦波信号采样值写入存储器，存储器读地址时钟频率等于输出正弦波信号频率乘以单周期内采样点个数。系统控制器输出正弦波信号至激励信号驱动电路，激励信号驱动电路完成正弦波信号的DA转换与信号放大，并输出至线圈两端。激励信号输出一个频率的周期后，系统控制器停止输出激励信号，感应电压检测电路采集线圈感应电压，转换后的感应电压传输至系统控制器，系统控制器读取感应电压后，系统控制器继续输出下一频率激励信号，线圈在交流信号激励下产生交变磁场，磁致伸缩传感器在交变磁场作用下发生振动，线圈两端输出感应电压，感应电压输出至感应电压有效值检测电路。感应电压有效值检测电路由放大电路、有效值转换电路、AD转换电路组成，有效值转换电路将感应线圈输出的交流电压转换成有效直流电压，AD转换电路将有效值转换电路输出的有效直流电压转换成数字信号，并输出至系统控制器。系统控制器读取AD转换电路输出的线圈感应电压有效值，将当前系统控制器输出的正弦波频率与线圈感应电压有效值存储到FPGA内部RAM存储器，根据接收上位机发送的激励正弦波频率范围，以步进频率增加输出正弦波频率，同时存储线圈感应电压有效值。
设计校准按键用来检测托盘未放置物体时的磁致伸缩传感器共振频率，按下校准按键，系统控制器输出上位机发送频率范围内的正弦波信号，经激励信号驱动电路处理后，传输至线圈两端，线圈在交流信号激励下产生交变磁场，磁致伸缩传感器在交变磁场作用下发生振动，线圈两端输出感应电压，感应电压输出至感应电压有效值检测电路，经感应电压有效值检测电路处理后，感应电压有效值经AD转换后传输至系统控制器。系统控制器判断感应电压最大值，感应电压最大值对应的输出正弦波信号频率为天平托盘上未放置物体时磁致伸缩传感器共振频率，定义为基准共振频率。
称重时，称重物体放到天平托盘上，按下称重按键，系统控制器依次输出激励信号频率范围内的正弦波信号，经激励信号驱动电路处理后传输至线圈，感应电压检测电路采集线圈感应电压，转换后的感应电压传输至系统控制器，系统控制器判断感应电压最大值，感应电压最大值对应的输出正弦波信号频率为天平称重时磁致伸缩传感器共振频率。通过实验得到称重物体质量与磁致伸缩传感器共振频率的对应曲线，天平称重时磁致伸缩传感器共振频率对应物体质量减去基准共振频率对应物体质量，即可得到称重物体质量。利用系统控制器设计LCD液晶屏驱动时序，将称重物体质量在液晶屏上显示，系统控制器通过UART串行通信接口连接蓝牙模块，将称重物体质量通过蓝牙传输至上位机。
系统使用锂电池供电，设计电源管理电路，锂电池电量可在液晶屏上显示，通过USB或Type C接口对锂电池进行充电。
本发明的有益效果是：结构简单，测量精度高，不易损坏。
附图说明
图1为本发明的电子天平系统结构；
图中：1、底座；2、支架；3、托盘；4、磁致伸缩传感器；5、线圈。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例进一步叙述本发明的实现过程。将磁致伸缩传感器置于天平支架与底座之间，如图1所示，磁致伸缩传感器（柱状）放置于线圈（线径0.16mm，300匝，长度48mm）内，磁致伸缩传感器竖直放置，使用可编程逻辑器件FPGA（现场可编程门阵列）作为系统控制器。
该装置工作时，上位机（可以是单片机）将激励信号的频率范围信息（根据经验设定）通过上位机蓝牙模块发送至蓝牙模块，频率范信息由6字节组成，其中1、2字节表示激励信号起始频率，3、4字节表示激励信号终止频率，5、6字节表示激励信号步进频率，蓝牙模块通过UART串口将接收数据发送至系统控制器（可编程逻辑器件FPGA），蓝牙模块。
使用电子天平称重前，天平托盘上未放置物体时先按下校准按键，利用系统控制器内部RAM存储器存储正弦波信号采样值，ROM存储器读地址时钟频率等于输出正弦波信号频率乘以单周期内采样点个数，单周期内采样点个数设置为128，系统控制器输出正弦波信号，正弦波信号频率为激励信号起始频率，系统控制器输出的正弦波信号经激励信号驱动电路处理后输出至线圈，激励信号输出一个周期后，系统控制器停止输出激励信号，线圈在交流信号激励下产生交变磁场，磁致伸缩传感器在交变磁场作用下发生振动，线圈两端输出感应电压，感应电压输出至感应电压有效值检测电路。感应电压有效值检测电路由放大电路、有效值转换电路、AD转换电路组成，放大电路对感应线圈输出的交流电压进行放大，有效值转换电路将放大后的交流电压转换成有效直流电压，AD转换电路将有效直流电压转换成数字信号，并输出至系统控制器。系统控制器读取AD转换电路输出的线圈感应电压有效值后，系统控制器继续输出下一频率激励信号，并将当前FPGA输出正弦波频率与线圈感应电压有效值存储到FPGA内部RAM存储器，根据接收上位机发送的激励正弦波频率范围，以步进频率（步进频率越小越测量结果精确，但是测量时间越长，本实施例中选择步进频率1赫兹）增加输出正弦波频率，存储输出正弦波频率与线圈感应电压有效值，直至系统控制器输出正弦波频率等于上位机发送的激励信号终止频率。系统控制器判断感应电压最大值，感应电压最大值对应的输出正弦波信号频率为天平托盘上未放置物体时磁致伸缩传感器共振频率，定义为基准共振频率。
使用电子天平称重时，将称重物体放置在天平托盘上，按下称重按键，系统控制器依次输出激励信号频率范围内的正弦波信号，经激励信号驱动电路处理后传输至线圈，每一频率的激励信号输出一个周期后，系统控制器停止输出激励信号，感应电压检测电路采集线圈感应电压，转换后的感应电压传输至系统控制器，系统控制器读取感应电压后，系统控制器继续输出下一频率激励信号（依然是一个周期）。系统控制器判断感应电压最大值，感应电压最大值对应的输出正弦波信号频率为电子天平称重时磁致伸缩传感器共振频率。提前通过实验得到称重物体质量与磁致伸缩传感器共振频率的对应曲线，天平称重时磁致伸缩传感器共振频率对应物体质量减去基准共振频率对应物体质量，即可得到称重物体质量。
利用系统控制器设计LCD液晶屏驱动时序，将称重物体质量在液晶屏上显示，系统控制器通过UART串行通信接口连接蓝牙模块，将称重物体质量通过蓝牙传输至上位机。
系统采用锂电池供电，设计电源充电电路，通过Micro USB或Type C接口对锂电池进行充电，设计电源管理电路，实现产品低功耗应用。
系统控制器使用FPGA实现，FPGA内部功能模块主要有UART串行通信接口、正弦波信号发生器、AD转换器读取、数据存储、液晶显示屏驱动等，各功能模块使用硬件描述语言VHDL或Verilog HDL描述，利用FPGA内部逻辑资源设计实现。
本专利中未详细说明的电路为现有技术电路或者本领域技术人员知道如何设计该电路。另外图1中的结构只是原理结构，实际使用过程中，可以增加其他附加结构，如通过螺纹连接将磁致伸缩传感器固定等。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，其特征在于：包括底部安装在底座上的竖直的磁致伸缩传感器、套在磁致伸缩传感器周侧的线圈、安装在磁致伸缩传感器顶部的支架和托盘、可编程逻辑器件FPGA、连接可编程逻辑器件FPGA和线圈的激励信号驱动电路、连接可编程逻辑器件FPGA和线圈的感应电压检测电路、无线连接可编程逻辑器件FPGA的上位机，上位机发送步进频率的频率范围信号给连接可编程逻辑器件FPGA，可编程逻辑器件FPGA根据步进频率的频率范围信号产生步进频率的交流电压相等的正弦波交流信号，可编程逻辑器件FPGA向激励信号驱动电路发送一个周期的频率范围信号的起始频率的正弦波交流信号，激励信号驱动电路将该正弦波交流信号放大和转换后发送给线圈，线圈产生交变的激励磁场，磁致伸缩传感器在交变的激励磁场作用下发生振动，线圈产生感应电压，感应电压检测电路检测到线圈产生的起始频率的正弦波交流信号对应的感应电压后发送给可编程逻辑器件FPGA，可编程逻辑器件FPGA收到感应电压后向激励信号驱动电路发送一个周期的比上次可编程逻辑器件FPGA发送的正弦波交流信号频率步进一步的正弦波交流信号，激励信号驱动电路将该正弦波交流信号放大和转换后发送给线圈，线圈产生激励磁场，线圈在激励磁场产生比上次可编程逻辑器件FPGA发送的正弦波交流信号频率步进一步的正弦波交流信号对应的感应电压，感应电压检测电路检测到线圈产生的感应电压后发送给可编程逻辑器件FPGA，如此往复，直至可编程逻辑器件FPGA向激励信号驱动电路发送一个周期的频率范围信号的终止频率的正弦波交流信号后收到感应电压检测电路检测到线圈产生的终止频率对应的感应电压，可编程逻辑器件FPGA将收到的所有感应电压中的最大电压值对应的正弦波交流信号频率即当前状态的磁致伸缩传感器的共振频率发送给上位机，在天平质量测量区间，磁致伸缩传感器的共振频率与其承受的质量成一一对应关系，上位机通过磁致伸缩传感器的当前状态的共振频率从磁致伸缩传感器的共振频率-质量对应曲线上获得对应的质量，该质量即为当前状态下支架、托盘以及托盘上放置物体质量之和，首先测量托盘上未放置物体时的质量，然后将待测物体放置到托盘上测量出质量，两者之差即为待测物体质量。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，其特征在于：激励信号驱动电路包括DA转换电路、信号放大电路，激励信号驱动电路收到可编程逻辑器件FPGA发来的正弦波交流信号后，通过信号放大电路放大，然后通过DA转换电路转换成等电压的正弦波交流电发送到线圈。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，其特征在于： 感应电压检测电路包括放大电路、有效值转换电路、AD转换电路组成，放大电路对线圈感应电压进行放大，有效值转换电路将感应电压转换成直流有效值，AD转换电路将直流有效值转换为数字电压值，并发送给可编程逻辑器件FPGA。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，其特征在于：该电子天平还包括显示屏、校准按键、称重按键，按下校准按键前，天平上未放置待称量物体，按下校准按键，上位机发送步进频率的频率范围信号给连接可编程逻辑器件FPGA，进行称量，并将称量结果即皮重存储在上位机中，同时在显示屏上显示0数值；按下称重按键前，将待称量物体放置在天平的托盘上，按下校准按键，上位机发送步进频率的频率范围信号给连接可编程逻辑器件FPGA，进行称量，并将称量结果即毛重存储在上位机中，计算净重=毛重-皮重，同时在显示屏上显示净重数值。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁致伸缩传感器的电子天平，其特征在于：可编程逻辑器件FPGA和上位机通过蓝牙模块连接。
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