CN106404130B - 称重传感器组件及称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种称重传感器组件及称重方法，称重传感器包括：上承压面；下承压面，与上承压面相对；弹性元件，具有中心轴，所述中心轴与重力加速度方向之间的夹角为弹性元件的倾斜角度；主应变单元，所述主应变单元用于测量弹性元件的第一形变量，第一形变量用于获得称重输出；次应变单元，所述次应变单元与所述中心轴成第一角度，所述次应变单元用于测量所述弹性元件的第二形变量，所述第一角度是通过设置所述倾斜角度与弹性元件的第二形变量满足单调函数关系来获得的；计算单元，计算单元用于根据第二形变量来计算称重误差并将称重误差用于对称重输出进行修正。本发明可对称量输出进行实时误差补偿。

Description

称重传感器组件及称重方法

技术领域

本发明涉及一种可实现误差补偿的称重传感器组件及其称重方法。

背景技术

称重传感器是一种测量物体重量的基本元件，它通过一定的方法，将被测物的重量转化为弹性元件的变形，然后将弹性元件的变形转化为电信号进行识别测量，以得到被称量对象的重量。

柱式传感器是称重传感器中应用较为广泛的一种结构形式，其中柱式传感器又以摇柱式传感器应用最为广泛。相对其他的传感器结构形式具有独特的优势，例如结构简单紧凑、弹性元件刚度大、动态响应快、抗过载能力强等，因此被广泛地应用于民生及工业领域，例如平台秤、车辆衡等。

以车辆衡的应用为例，一台车辆要安装6至8个称重传感器，甚至更多。为了保证称重的精确度，每一个称重传感器在安装的时候都需要调整安装角度，保证其在称重过程中保持竖直称重状态。但是，在实际应用过程中，车辆衡经过多次的称量、晃动及侧向冲击，称重传感器难免会发生倾斜、转动等情况。除此之外，由于车辆衡都是在室外环境中使用，不可避免地受到昼夜温差及不同季节温差的影响，温差的作用使得秤台产生膨胀或者收缩变形，这也使得传感器发生倾斜和转动等情况。

当传感器处于倾斜称量的状态时，其弹性元件内的受力分布相对竖直称量时会发生较大地变化，这就使得称量相同的物体，倾斜后传感器的输出相对竖直时的传感器输出存在较大的误差。另外，由于传感器在制造的时候，不可避免的会存在工艺误差，例如机加工误差、贴片误差等，这些误差的存在会使得传感器即使在竖直称重状态下，当传感器发生转动，传感器的输出也会发生变化。

为了消除上述在传感器实际应用中存在的误差，许多人做了各种各样的研究，但都没有取得实质性的进展。

在专利CN 101441102A和专利CN 101672689A中，通过在传感器内安装角度传感器，测量传感器轴线方向与重力加速度方向之间的夹角θ，即传感器的倾斜角度，然后将传感器倾斜时的输出Wr除以倾斜角度的余弦值cosθ，即得到了修正后的传感器输出。但是，这种补偿方法的可行必须满足以下两个前提:第一，传感器向任意方向倾斜的输出误差曲线是相同的，然而由于传感器的设计并非完全对称，因此传感器不同方向的倾斜输出误差曲线其实是不同的；第二，传感器之间不存在个体差异性，即忽略了机加工等各种工艺误差的影响，但是实际上这些误差都是不可避免的。

在专利US 20040251059A1中，通过在梁柱式传感器的四个平面粘贴特殊的应变片，利用特殊的桥路进行误差补偿，但是这仅仅是消除了机加工、贴片等工艺误差的影响，对传感器倾斜造成的系统级输出误差却无能为力。

另外，现有的各种补偿方法基本都是针对特殊的传感器结构形式，例如方形截面梁，由于现有的传感器结构形式多种多样，因此这些补偿方法就不具有普遍的适用性。

发明内容

为了消除称重传感器在实际应用中由于传感器的倾斜和转动造成的称重系统称量误差，本发明提出了一种可实现实时误差补偿、且可提高测量精度的称重传感器组件及称重方法。

根据本发明的一个方面，提供一种称重传感器组件，上承压面；

下承压面，与所述上承压面相对；

弹性元件，具有中心轴，位于所述上承压面与下承压面之间，所述中心轴与重力加速度方向之间的夹角为弹性元件的倾斜角度，所述倾斜角度小于等于5°；

主应变单元，设置于所述弹性元件的应变区域内，所述主应变单元测量所述弹性元件的第一形变量，所述第一形变量用于获得称重输出；

次应变单元，设置于所述弹性元件的应变区域内，所述次应变单元与所述中心轴成第一角度，所述第一角度为5°至85°，所述次应变单元测量所述弹性元件的第二形变量，所述第一角度是通过设置所述倾斜角度与弹性元件的第二形变量满足单调函数关系来获得的；

计算单元，所述计算单元用于根据第二形变量来计算称重误差并将所述称重误差对称重输出进行修正。

其中，根据所述第二形变量计算所述称重误差包括：

根据所述第二形变量计算等效倾斜角度；以及根据等效倾斜角度计算所述称重误差；

所述次应变单元包括设置在所述弹性元件的两个非平行的平面上的至少两个次应变元件，用于测量所述弹性元件的第一补偿形变量和第二补偿形变量，所述等效倾斜角度包括对应于所述第一补偿形变量的第一补偿角度以及对应于所述第二补偿形变量的第二补偿角度，其中，

根据如下公式计算所述等效倾斜角度：

其中，β₁为所述第一补偿角度，β₂为所述第二补偿角度；k₁、k₂、c₁、c₂为常数；ε₁为所述第一补偿形变量，ε₂为所述第二补偿形变量。

优选地，所述称重误差与第二形变量之间满足二次函数关系。

优选地，所述主应变单元至少包括两个主应变元件，两个所述主应变元件相对设置在所述弹性元件的两侧。优选地，所述次应变元件包括与所述中心轴成所述第一角度的第三电阻丝栅。

根据本发明的又一方面，还提供一种的称重方法，利用所述称重传感器称重。优选地，根据如下公式计算所述称重误差：

其中，Δspan为所述称重误差；a、b、c、d、e及f为补偿参数；β₁为所述第一补偿角度；β₂为所述第二补偿角度。本发明通过采用上述的技术方案，可提高平台秤、车辆衡称重装置等应用柱式称重传感器的设备的测量精度，消除了应用过程中传感器倾斜或转动造成的称量误差。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1为根据本发明实施例的竖直状态时称重传感器的结构示意图。

图2为根据本发明实施例的倾斜状态时称重传感器的结构示意图。

图3为图1所示的称重传感器的A-A截面剖视图。

图4为图1所示的称重传感器的B-B截面剖视图。

图5为根据本发明实施例的称重装置的示意图。

图6为根据本发明实施例的称重装置在称量车辆时的称重状态的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。

参考图1至图4，本发明提供的称重传感器1优选地为柱式称重传感器，具有摇柱式结构。称重传感器1包括上承压面2、弹性元件3、下承压面4、主应变单元及次应变单元。下承压面4与上承压面2相对。弹性元件3具有中心轴31，其位于上承压面2与下承压面4之间。称重传感器1的上承压面2及下承压面4分别具有一个与弹性元件3相接触的接触部6，其位置与弹性元件3的加工精度、倾斜角度及球头半径有关。该接触部6在理想状况下是个接触点，然而在实际应用中，由于接触的位置会发生轻微的变形，所以一般情况下是个接触面。

参考图1，假定弹性元件3加工理想的情况下，当称重传感器1竖直称重时，上下两个接触部(即接触点)6的连线与弹性元件3的中心轴31重合。参考图2，当称重传感器1倾斜称重时，上下两个接触点6的连线与弹性元件3的中心轴31不重合且成倾斜角度β。弹性元件3的截面形状可以是任意截面形状，例如圆截面、方截面或者是H形截面等。

主应变单元及次应变单元设置于弹性元件3的应变区域5内。具体而言，主应变单元至少包括两个主应变元件7，两个主应变元件7相对设置在弹性元件3的两侧(如图3所示)。本实施例中，主应变元件7为电阻式应变片，其用于测量弹性元件的第一形变量。主应变元件7包括第一电阻丝栅71及第二电阻丝栅72。第一电阻丝栅71与中心轴31平行，用于感测弹性元件3沿中心轴31方向的纵向形变量。第二电阻丝栅72与中心轴31垂直，用于感测弹性元件3的横向形变量。纵向形变量及横向形变量用于计算称重输出。

次应变单元分别设置在弹性元件3的至少两个非平行的平面上，每个平面至少设置一个次应变元件8。在一些实施例中，次应变单元包括四个次应变元件8，如图4所示。其中，四个次应变元件8两两一对，分别设置在弹性元件3的四个平面上。本实施例中，次应变元件8也为电阻式应变片，次应变元件8包括第三电阻丝栅81。第三电阻丝栅81与中心轴31所成第一角度α。两对次应变元件8分别用于测量所述弹性元件3的第二形变量，所述第二形变量包括第一补偿形变量和第二补偿形变量。优选地，称重传感器1的倾斜角度β小于等于5°，次应变元件8与中心轴31所成的第一角度α为5°至85°。

图5为根据本发明实施例的称重装置的示意图。参考图5，本发明提供的称重传感器(如图1至4所示的称重传感器)可应用于称重装置9上，称重装置9由多个称重传感器1以及秤台10组成。如本实施例所述，称重装置9包括6个称重传感器1。在一些变化例中，称重装置9可以包括至少一个称重传感器1。称重传感器1优选地，为柱式称重传感器，并具有摇柱式结构。在其它实施方式中，也可以为剪柱式传感器。

图6为根据本发明实施例的称重装置9在称量车辆时的称重状态的示意图。如图6所示，称重装置可以是一种车辆衡称重装置，待称重的车辆可置于秤台10上。

本发明还提供一种称量方法，包括如下步骤：

1)采集主应变单元输出的第一形变量。第一形变量根据主应变元件7的第一电阻丝栅71及第二电阻丝栅72测量的纵向形变量及横向形变量获得。

2)采集次应变单元中次应变元件8输出的第二形变量。

3)根据第一形变量，获得称重输出。优选地，第一形变量转化为电信号后可作为称重输出。

4)根据第二形变量计算所述称重误差。

在一实施例中，首先根据第二形变量计算称重传感器1的等效倾斜角度。在理想情况下，当弹性元件3的上下端部的球面半径相同时，等效倾斜角度即倾斜角度，为两个接触点6的连线与中心轴31所成的角度β。但是实际中，称重误差不仅用于补偿倾斜造成的误差，而且可以补偿旋转造成的误差。旋转产生的误差主要来源于传感器的生产过程的工艺误差。旋转造成的误差也会在补偿片上产生相应的输出，在进行误差计算的时候，不进行区分倾斜或是旋转造成的误差，因此这时候次元件8应变片上的输出不仅包括倾斜而且包括旋转造成的误差，这时候计算出来的倾斜角度称之为等效倾斜角度。由于次应变元件8与中心轴31所成的第一角度α是通过设置所述倾斜角度β与弹性元件的第二形变量满足单调函数关系来获得的，因此第一角度α不能取0°和90°。因为当第一角度α为0°和90°时，倾斜角度β与弹性元件的第二形变量为二次函数关系。具体而言，称重传感器1的倾斜角度β小于等于5°，次应变元件8与中心轴31所成的第一角度α为5°至85°时，称重传感器1的倾斜角度β与次应变元件8的输出可近似处理为线性关系，等效倾斜角度可通过如下公式计算：

其中，β₁为称重传感器1的第一补偿角度，β₂为称重传感器1的第二补偿角度。在本实施例中，β是两个接触点6的连线与中心轴31所成的角度，β₁和β₂是朝两个非平行方向的角度分量，在优选地情况下，β₁和β₂是朝两个正交方向的角度分量；k、c为一常数，与次应变元件8与中心轴31所成的第一角度α、弹性元件3材料的泊松比等有关。例如，当弹性元件3材料为钢，角度α为61.3°时，k为±65.8，c＝0；ε为次应变元件8输出的第二形变量，ε₁和ε₂分别是第一补偿形变量和第二补偿形变量。

在本实施方式中，k1、k2、c1、c2可通过理论或测试标定的方法确定。

1)、理论方法

当弹性元件加工、贴片理想的情况下，弹性体元件材料为钢且第一角度为61.3°时，k1＝k2＝65.8；c1＝c2＝0。当第一角度为-61.3°时，k1＝k2＝-65.8；c1＝c2＝0。

2)、测试标定方法

在弹性元件上施加标定载荷，可为额定载荷的一半。

沿第一补偿角度方向倾斜角度β11，测量此时的第一补偿角度ε11；沿第一补偿角度方向倾斜角度β12，测量此时的第一补偿角度ε12。

同理，可用上述方法求出k2和c2。

之后，根据称重传感器1的等效倾斜角度β计算称重误差。具体而言，通过对经典力学的理论函数关系进行修正，得到可用于实际称重过程中实时误差补偿的称重误差与第一补偿角度和第二补偿角度之间的函数关系：

其中，Δspan为称重误差；a、b、c、d、e及f为补偿参数；β1、β2为两对与中心轴31成第一角度α的次应变元件8输出的第一补偿角度以及第二补偿角度。

在本实施方式中，a、b、c、d、e及f可通过如下方式获得：在弹性元件上施加标定载荷W，可为额定载荷的一半。

沿任意方向倾斜弹性元件，测量此时的称重输出Wbridge1、β11、β12，Δspan1＝(Wbridge1-W)/W同理，沿任意方向倾斜弹性元件一定角度可得到Δspan 2、β21、β22；Δspan 3、β31、β32；Δspan 4、β41、β42；Δspan 5、β51、β52；Δspan 6、β61、β62。将上述数据代入方程中，如下：

上述方程可用矩阵形式表示，如下

因此，补偿参数a～f可根据下式计算得到。

5)根据称重误差修正称重输出。具体而言，根据下式对称重输出进行修正。

其中，Δspan为称重误差；W_bridge为传感器未经补偿的称重输出；W_comp为补偿后的传感器称重输出。

上述步骤中的电信号转换、采集及计算，优选地由一数字芯片进行处理。

在一具体实施例中，在车辆衡称重装置9进行称重过程中，当称重传感器1发生倾斜或转动时，此时弹性元件3的受力状态相对于理想竖直状态发生了变化。两个方向的次应变元件8产生输出ε₁和ε₂，称重传感器1的数字芯片根据次应变元件8的两个方向输出，可得到此时的称重传感器1的称重误差，并根据称重误差对实际重量输出进行修正，即可得到补偿后的称重传感器1的称重输出。补偿后的称重传感器1的称重输出不仅消除了倾斜造成的系统性称量误差，还消除了由称重传感器1的弹性元件3在生产过程中的工艺误差所造成的转角误差。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (6)

1.一种称重传感器组件，其特征在于，包括：

上承压面；

下承压面，与所述上承压面相对；

弹性元件，具有中心轴，位于所述上承压面与下承压面之间，所述中心轴与重力加速度方向之间的夹角为弹性元件的倾斜角度，所述倾斜角度小于等于5°；

主应变单元，设置于所述弹性元件的应变区域内，所述主应变单元用于测量所述弹性元件的第一形变量，所述第一形变量用于获得称重输出；

次应变单元，设置于所述弹性元件的应变区域内，所述次应变单元与所述中心轴成第一角度，所述第一角度为5°至85°，所述次应变单元用于测量所述弹性元件的第二形变量，所述第一角度是通过设置所述倾斜角度与弹性元件的第二形变量满足单调函数关系来获得的；

计算单元，所述计算单元用于根据第二形变量来计算称重误差并将所述称重误差用于对称重输出进行修正；

其中，根据所述第二形变量计算所述称重误差包括：

根据所述第二形变量计算等效倾斜角度；以及根据等效倾斜角度计算所述称重误差；

所述次应变单元包括设置在所述弹性元件的两个非平行的平面上的至少两个次应变元件，用于测量所述弹性元件的第一补偿形变量和第二补偿形变量，所述等效倾斜角度包括对应于所述第一补偿形变量的第一补偿角度以及对应于所述第二补偿形变量的第二补偿角度，根据如下公式计算所述等效倾斜角度：

其中，β₁为所述第一补偿角度，β₂为所述第二补偿角度；k₁、k₂、c₁、c₂为常数；ε₁为所述第一补偿形变量，ε₂为所述第二补偿形变量。

2.如权利要求1所述的称重传感器组件，其特征在于，所述称重误差与第二形变量之间满足二次函数关系。

3.如权利要求1或2所述的称重传感器组件，其特征在于，所述主应变单元至少包括两个主应变元件，两个所述主应变元件相对设置在所述弹性元件的两侧。

4.如权利要求1所述的称重传感器组件，其特征在于，所述次应变元件包括与所述中心轴成所述第一角度的第三电阻丝栅。

5.一种称重方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的称重传感器组件进行称重。

6.如权利要求5所述的称重方法，其特征在于，根据如下公式计算所述称重误差：

其中，Δspan为所述称重误差；a、b、c、d、e及f为补偿参数；β₁为所述第一补偿角度；β₂为所述第二补偿角度。