CN201653632U - 一种检测粮仓储量的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测粮仓储量的压力传感器，包括：一弹性膜片，一基板，与该弹性膜片间保持间隙的固定在该弹性膜片上，该基板上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容；一电路板，电性连接该内电极和该外电极。本实用新型能够准确测量粮食类颗粒体内部应力。

Description

一种检测粮仓储量的压力传感器

技术领域

本实用新型涉及粮仓储量自动检测领域，具体是一种用于在线检测粮仓储量的压力传感器。

背景技术

中国是一个粮食大国和人口大国，粮食在国民经济中占有显著地位，是关系国计民生、国家安全和社会稳定的特殊产品。而粮食储藏安全是粮食安全的一个重要部分，长期以来，国家粮食储藏数量的监测一直是国家粮食主管部门亟待解决的重要问题。

目前，关于粮库粮食数量的计量，一种方法是在粮食进出库时利用地磅称取重量。这种方法相对简单直观，但无法检测在粮食的存储和保管过程中自然损耗引起的重量变化。还有一种方法是入仓内人工取样测量粮食密度和粮面高度来估算重量，由于密度分布不均匀无规律，难以实现较高精度的测量。这是目前国家粮食数量统计常用的方法，需要逐仓测量，然后进行数据汇总、逐级上报，中国储备粮总公司下属3万多个直属库和代属库，每年的清仓查库不仅花费大量的人力、物力，且时效性太差。此外，由于缺乏有效的监管措施，各地频繁出现粮库保管人员损公肥私的不法行为，不仅直接损害了国家利益，造成了不良社会影响，也将对国家在紧急情况下的粮食调拨和应急决策实施产生严重危害。

粮食为颗粒体，粒径随品种不同而不同。颗粒体内部应力的分布规律不像液体和气体具备各向同性，密度分布也不均匀，测量难度较大。目前市场上有土压力盒产品，主要用于土体内部应力的测量，普遍存在工程测量误差较大的问题，且埋设时要求敏感面覆盖一定厚度的细沙以保证精度，无法直接用于测量粮食内部应力的测量。目前，国内还没有专用于粮食内部压力测量的传感器。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，提供一种检测粮仓储量的压力传感器，其能够准确测量粮食类颗粒体内部应力，并满足粮仓环境对测量设备稳定性、较长使用周期和耐受腐蚀性气体的要求。

为达到上述目的，本实用新型提供的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，包括：

一弹性膜片，

一基板，与该弹性膜片保持间隙的固定在该弹性膜片上，该基板上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容；

一电路板，电性连接该内电极和该外电极。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，还包括：一电极防护罩，包围所述基板并固定在所述弹性膜片上。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述电路板设置在所述电极防护罩外，并与所述电极防护罩保持电绝缘性的固定安装。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，还包括一外壳，与所述弹性膜片之间采用密封圈密封，并通过螺钉固定。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述基板的背面印刷有焊盘，一方面通过金属化过孔与基板正面电极导通，另一方面通过一铜丝，一端焊接在该焊盘上，另一端焊接在所述电路板的检测点上，实现所述厚膜电极与所述电路板的电性连接。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片与所述基板之间的间隙通过一极间垫片保持。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片为带有硬中心的周边固支E形圆膜片，所述基板固定在所述弹性膜片的硬中心上。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述基板采用陶瓷基板。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器呈扁平圆形盒状结构，该压力传感器整体为相对密封结构。

上述检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片外侧设置有防止装配时产生应力传递的凹槽。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)双电容结构，实现温漂自补偿；

(2)通过硬件电路成功解决传感器非线性问题；

(3)高灵敏度高精度，结构相对简单，可靠性高，适合批量生产；

(4)全部采用防腐蚀材料的整体密封结构，抗熏蒸能力强。

附图说明

图1为本实用新型的主剖视图；

图2为本实用新型的左视图；

图3为本实用新型的俯视图；

图4为陶瓷基板正面厚膜电极印刷示意图；

图5为陶瓷基板背面焊盘印刷示意图；

图6本实用新型的电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来对本实用新型作详细的描述，以进一步了解本实用新型的目的、方案及功效。

图1～3分别为本实用新型的正视剖视图、左视局剖图和俯视图，参考图1～3，本实用新型的检测粮仓储量的压力传感器，主要包括：弹性膜片1、基板5、厚膜电极4及电路板13，其中，弹性膜片1是传感器的敏感元件，为带有硬中心的周边固支圆平膜片，即E形圆膜片。基板5与弹性膜片1间保持间隙的固定在该弹性膜片1的硬中心上，参考图4，该厚膜电极4为利用厚膜技术印刷在基板5上表面的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极22和外电极21，该弹性膜片1分别与该内电极22和外电极21构成参考电容Cr和工作电容Cm。电容间隙由极间垫片3保证。内电极22和外电极21电性连接电路板13。

该压力传感器还进一步包括一电极防护罩9，该电极防护罩9包围基板5并固定在所述弹性膜片上。电路板13设置在电极防护罩9外，并与电极防护罩9一起通过螺钉11固定在弹性膜片1上，为保证电路板13与电极防护罩9之间的电绝缘性，在电路板13与电极防护罩9之间用间隔柱8进行绝缘隔离。该防护罩9的作用一方面保护基板5不易被损坏，另一方面使厚膜电极4表面始终保持洁净，避免造成电容误差。

更进一步的，该压力传感器还包括一外壳6和一底盖7，外壳的侧面由螺钉14与弹性膜片1固定，外壳6与弹性膜片1的接触面采用氟橡胶O型密封圈10密封，O型密封圈嵌在弹性膜片1的外侧凹槽26上。底盖7与外壳6采用焊接密封，经加压检漏密封性能。外壳6底部内侧设有凸台27方便焊接定位。外壳与底盖分离设计而非一体成型，是因为在不开模具的情况下，采用管材和棒材分别加工可以节省原材料降低成本。

弹性膜片1的材质为17-4PH恒弹合金，加工前后分别经过固溶和时效处理，具有高的硬度、弹性和耐久性。弹性膜片1上表面有对称螺纹孔19，其作用是便于传感器装配。弹性膜片1外侧有凹槽25，其作用是防止装配时产生应力传递，导致膜片产生不应有的变形，影响测量精度。为减小粮食类颗粒体本身的体积对于敏感元件造成的误差，弹性膜片1的外径越大越好，优选实施例中取100mm左右。

基板5中心有孔24，通过紧定螺钉2将其固定在弹性膜片1的硬中心上。基板5采用陶瓷材料，参照图4和图5，厚膜电极4为采用厚膜工艺在基板5正面印刷的两个环状导通带，分别为内电极22和外电极21。厚膜电极厚度很小，约10～25μm，使得边界效应对电容值的影响以及膜的线胀系数对电容稳定性的影响很小。陶瓷基板5背面印刷有焊盘23，通过金属化过孔20与厚膜电极4相导通。铜丝12一端焊接在焊盘23上，另一端焊接在电路板检测点上，实现电极与电路板的电性连接。

电极防护罩9的材质为PVC，其作用是保护陶瓷电容，使其保持洁净的工作状态，容值稳定，不易受干扰。

再请参考图2，在外壳6上还设置有电缆接头，包括连接头15、压紧头16和密封件18。连接头15与外壳6为焊接连接，压紧头16与连接头15为螺纹连接。通信电缆17采用特制通气电缆，包括信号线和一气管。通信电缆17将信号传输至仓外的上位机，同时使传感器内部与仓外大气相通，保证了内部气压始终与大气压相等，避免了内部气体热胀冷缩给测量带来的误差。

弹性膜片1、外壳6与底盖7、电缆接头均为不锈钢材料，密封件18与O型密封圈10均为防腐橡胶材料，具有良好的防腐蚀性能，从而使得传感器能够经受粮仓内磷化氢等熏蒸气体和水汽的长期侵蚀。

本实施例工作原理：弹性膜片1与厚膜电极4构成变间隙电容，分别为工作电容Cm和参考电容Cr。弹性膜片1上表面受到均布压力作用产生变形，越靠近弹性膜片硬中心的地方，纵向位移越明显。工作电容Cm极间间隙增大，电容量也随之减小。参考电容Cr分布在膜片硬中心范围内，其极间间隙恒定，因此容值不随被测压力变化，参考电容的作用是用来进行温度补偿。电路板敏感端通过铜丝与机械电容相连，实时检测电容值的变化，并将其转换为直流电信号，经过限幅放大，输出4-20mA标准信号。为便于温度补偿和后续电路处理，参考电容Cr与工作电容Cm初始值近似相等。

电路板13完成信号检测与转换功能，具体是将测量部分所得到的电容比的变化转换成标准电流输出信号(4～20mA.DC)。参照图6为本实用新型转换电路框图，该电路包括电容-电流转换电路及放大电路两部分，分别由振荡器、解调器、振荡控制放大器以及前置放大器、线性调整电路、调零电路、量程调整电路、功放与输出限制等电路组成。

电容-电流转换电路的功能是将参考电容Cr和工作电容Cm的差值转换为电流信号，工作电容Cm和参考电容Cr由振荡器提供高频电流，经解调后，输出两组电流信号，一组为差模信号，另一组为工作电容Cm相关信号。振荡控制放大器A1、振荡器和解调器构成深度负反馈，工作电容Cm相关信号与基准电压进行比较，经振荡控制放大器A1放大之后，控制振荡器的供电，从而使工作电容Cm相关信号保持不变，差模信号与输入电压之间成单一的比例关系。解调器输出的差模信号经线性调节电路后输入到A2输入端，零点调整和量程调整分别通过在电流控制放大器A2输入端加入正负反馈来调节，三者均通过调节电位器阻值来完成。经过电流控制放大器A2和输出限制电路，最终输出4-20mA直流信号，并满足Is＝K(Cr/Cm-1)，被测压力与工作电容Cm成反比，因而正比于输出电流Is。从上式也可以看到，当温度变化引起传感器结构尺寸以及介质介电常数变化时，参考电容Cr与工作电容Cm初始值近似，又在同一温度场同步变化，抵消了零点温度误差和时间漂移。

用于在线检测粮仓储量的压力传感器，除了在出厂时用精密气压源进行标定，还在粮仓现场布置了传感器网络，配合数据采集和处理系统进行模型仓与实仓实验，得出粮食质量与传感器输出压力的关系，因而具有较高的测量精度。现场应用时，粮仓内为散装粮食，传感器上表面即弹性膜片1直接与粮食接触，感测粮食内部应力。输出信号通过通信电缆17输出舱外与数据采集系统连接。根据理论与实验力学分析模型，按照一定规律在空仓底面和侧壁安装压力传感器，建仓时为传感器预留安置凹槽或特制支架进行固定。传感器、通信电缆和仓外系统安装调试完毕后，开始进粮。进粮结束后系统即可正常使用。

本实用新型的目的就在于建立一种方便快捷的网络化粮食储藏数量检测方法，在粮仓内按模型多点布置压力传感器，由传感器感知粮堆内压力信息并转为电信号传递到上位机，通过数据处理和模型计算，得到粮食总质量。再利用计算机技术、无线传输技术进行信息的统计和上报，从而对储粮数量变化情况进行实时检测，对检测数据进行智能化分析，对异常粮情进行报警，为科学安全储粮提供技术保证和科学决策依据。

虽然本实用新型已以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，包括：

一弹性膜片，

一基板，与该弹性膜片保持间隙的固定在该弹性膜片上，该基板上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容；

一电路板，电性连接该内电极和该外电极。

2.根据权利要求1所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，还包括：一电极防护罩，包围所述基板并固定在所述弹性膜片上。

3.根据权利要求2所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述电路板设置在所述电极防护罩外，并与所述电极防护罩保持电绝缘性的固定安装。

4.根据权利要求1、2或3所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，还包括一外壳，所述外壳与所述弹性膜片之间采用密封圈密封，并通过螺钉固定。

5.根据权利要求1、2或3所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述基板的背面印刷有焊盘，通过一铜丝一端焊接在该焊盘上，另一端焊接在所述电路板的检测点上，实现所述厚膜电极与所述电路板的电性连接。

6.根据权利要求1、2或3所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片与所述基板之间的间隙通过一极间垫片保持。

7.根据权利要求1、2或3所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片为带有硬中心的周边固支E形圆膜片，所述基板固定在所述弹性膜片的硬中心上。

8.根据权利要求1所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述基板采用陶瓷基板。

9.根据权利要求1所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器呈扁平圆形盒状结构，该压力传感器整体为相对密封结构。

10.根据权利要求7所述的检测粮仓储量的压力传感器，其特征在于，所述弹性膜片外侧设置有防止装配时产生应力传递凹槽。 

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