本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償?shù)姆Q重傳感器組件及其稱重方法。

背景技術(shù)：

稱重傳感器是一種測(cè)量物體重量的基本元件，它通過一定的方法，將被測(cè)物的重量轉(zhuǎn)化為彈性元件的變形，然后將彈性元件的變形轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行識(shí)別測(cè)量，以得到被稱量對(duì)象的重量。

柱式傳感器是稱重傳感器中應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式，其中柱式傳感器又以搖柱式傳感器應(yīng)用最為廣泛。相對(duì)其他的傳感器結(jié)構(gòu)形式具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，例如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、彈性元件剛度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗過載能力強(qiáng)等，因此被廣泛地應(yīng)用于民生及工業(yè)領(lǐng)域，例如平臺(tái)秤、車輛衡等。

以車輛衡的應(yīng)用為例，一臺(tái)車輛要安裝6至8個(gè)稱重傳感器，甚至更多。為了保證稱重的精確度，每一個(gè)稱重傳感器在安裝的時(shí)候都需要調(diào)整安裝角度，保證其在稱重過程中保持豎直稱重狀態(tài)。但是，在實(shí)際應(yīng)用過程中，車輛衡經(jīng)過多次的稱量、晃動(dòng)及側(cè)向沖擊，稱重傳感器難免會(huì)發(fā)生傾斜、轉(zhuǎn)動(dòng)等情況。除此之外，由于車輛衡都是在室外環(huán)境中使用，不可避免地受到晝夜溫差及不同季節(jié)溫差的影響，溫差的作用使得秤臺(tái)產(chǎn)生膨脹或者收縮變形，這也使得傳感器發(fā)生傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)等情況。

當(dāng)傳感器處于傾斜稱量的狀態(tài)時(shí)，其彈性元件內(nèi)的受力分布相對(duì)豎直稱量時(shí)會(huì)發(fā)生較大地變化，這就使得稱量相同的物體，傾斜后傳感器的輸出相對(duì)豎直時(shí)的傳感器輸出存在較大的誤差。另外，由于傳感器在制造的時(shí)候，不可避免的會(huì)存在工藝誤差，例如機(jī)加工誤差、貼片誤差等，這些誤差的存在會(huì)使得傳感器即使在豎直稱重狀態(tài)下，當(dāng)傳感器發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器的輸出也會(huì)發(fā)生變化。

為了消除上述在傳感器實(shí)際應(yīng)用中存在的誤差，許多人做了各種各樣的研究， 但都沒有取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

在專利CN 101441102A和專利CN 101672689A中，通過在傳感器內(nèi)安裝角度傳感器，測(cè)量傳感器軸線方向與重力加速度方向之間的夾角θ，即傳感器的傾斜角度，然后將傳感器傾斜時(shí)的輸出Wr除以傾斜角度的余弦值cosθ，即得到了修正后的傳感器輸出。但是，這種補(bǔ)償方法的可行必須滿足以下兩個(gè)前提:第一，傳感器向任意方向傾斜的輸出誤差曲線是相同的，然而由于傳感器的設(shè)計(jì)并非完全對(duì)稱，因此傳感器不同方向的傾斜輸出誤差曲線其實(shí)是不同的；第二，傳感器之間不存在個(gè)體差異性，即忽略了機(jī)加工等各種工藝誤差的影響，但是實(shí)際上這些誤差都是不可避免的。

在專利US 20040251059A1中，通過在梁柱式傳感器的四個(gè)平面粘貼特殊的應(yīng)變片，利用特殊的橋路進(jìn)行誤差補(bǔ)償，但是這僅僅是消除了機(jī)加工、貼片等工藝誤差的影響，對(duì)傳感器傾斜造成的系統(tǒng)級(jí)輸出誤差卻無能為力。

另外，現(xiàn)有的各種補(bǔ)償方法基本都是針對(duì)特殊的傳感器結(jié)構(gòu)形式，例如方形截面梁，由于現(xiàn)有的傳感器結(jié)構(gòu)形式多種多樣，因此這些補(bǔ)償方法就不具有普遍的適用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了消除稱重傳感器在實(shí)際應(yīng)用中由于傳感器的傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)造成的稱重系統(tǒng)稱量誤差，本發(fā)明提出了一種可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償、且可提高測(cè)量精度的稱重傳感器組件及稱重方法。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種稱重傳感器組件，上承壓面；

下承壓面，與所述上承壓面相對(duì)；

彈性元件，具有中心軸，位于所述上承壓面與下承壓面之間，所述中心軸與重力加速度方向之間的夾角為彈性元件的傾斜角度；

主應(yīng)變單元，設(shè)置于所述彈性元件的應(yīng)變區(qū)域內(nèi)，所述主應(yīng)變單元測(cè)量所述彈性元件的第一形變量，所述第一形變量用于獲得稱重輸出；

次應(yīng)變單元，設(shè)置于所述彈性元件的應(yīng)變區(qū)域內(nèi)，所述次應(yīng)變單元與所述中心軸成第一角度，所述次應(yīng)變單元測(cè)量所述彈性元件的第二形變量，所述第一角度 是通過設(shè)置所述傾斜角度與彈性元件的第二形變量滿足單調(diào)函數(shù)關(guān)系來獲得的；

計(jì)算單元，所述計(jì)算單元用于根據(jù)第二形變量來計(jì)算稱重誤差并將所述稱重誤差對(duì)稱重輸出進(jìn)行修正。

優(yōu)選地，所述稱重誤差與第二形變量之間滿足二次函數(shù)關(guān)系。

優(yōu)選地，所述主應(yīng)變單元至少包括兩個(gè)主應(yīng)變?cè)瑑蓚€(gè)所述主應(yīng)變?cè)鄬?duì)設(shè)置在所述彈性元件的兩側(cè)。

優(yōu)選地，所述次應(yīng)變單元設(shè)置在所述彈性元件的至少兩個(gè)非平行的平面上，每個(gè)平面至少設(shè)置一個(gè)次應(yīng)變?cè)?，分別用于測(cè)量所述彈性元件的第一補(bǔ)償形變量和第二補(bǔ)償形變量，所述第二形變量包括所述第一補(bǔ)償形變量和所述第二補(bǔ)償形變量。

優(yōu)選地，所述次應(yīng)變?cè)ㄅc所述中心軸成所述第一角度的第三電阻絲柵。

優(yōu)選地，當(dāng)需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)膬A斜角度為-5°至5°時(shí)，所述第一角度為5°至85°。

根據(jù)本發(fā)明的又一方面，還提供一種的稱重方法，用于所述稱重傳感器，包括：

采集所述主應(yīng)變單元輸出的所述第一形變量；

采集所述次應(yīng)變單元輸出的所述第二形變量；

根據(jù)所述第一形變量來計(jì)算所述稱重輸出；

根據(jù)所述第二形變量來計(jì)算所述稱重誤差；以及

根據(jù)所述稱重誤差修正所述稱重輸出。

優(yōu)選地，根據(jù)所述第二形變量計(jì)算所述稱重誤差包括：

根據(jù)所述第二形變量計(jì)算等效傾斜角度；以及根據(jù)等效傾斜角度計(jì)算所述稱重誤差。

優(yōu)選地，所述次應(yīng)變單元包括設(shè)置在所述彈性元件的兩個(gè)非平行的平面上的至少兩個(gè)次應(yīng)變?cè)?，用于感測(cè)所述彈性元件的第一補(bǔ)償形變量和第二補(bǔ)償形變量，所述等效傾斜角度包括對(duì)應(yīng)于所述第一補(bǔ)償形變量的第一補(bǔ)償角度以及對(duì)應(yīng)于所述第二補(bǔ)償形變量的第二補(bǔ)償角度，其中，

根據(jù)如下公式計(jì)算所述第二角度：

其中，β₁為所述第一補(bǔ)償角度，β₂為所述第二補(bǔ)償角度；k₁、k₂、c₁、c₂為常數(shù)；ε₁為所述第一補(bǔ)償形變量，ε₂為所述第二補(bǔ)償形變量。

優(yōu)選地，根據(jù)如下公式計(jì)算所述稱重誤差：

其中，Δspan為所述稱重誤差；a、b、c、d、e及f為補(bǔ)償參數(shù)；β₁為所述第一補(bǔ)償角度；β₂為所述第二補(bǔ)償角度。

優(yōu)選地，所述稱重誤差與第二形變量之間滿足二次函數(shù)關(guān)系。

本發(fā)明通過采用上述的技術(shù)方案，可提高平臺(tái)秤、車輛衡稱重裝置等應(yīng)用柱式稱重傳感器的設(shè)備的測(cè)量精度，消除了應(yīng)用過程中傳感器傾斜或轉(zhuǎn)動(dòng)造成的稱量誤差。

應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說明性的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。

附圖說明

包括附圖是為提供對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步的理解，它們被收錄并構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與本說明書一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的豎直狀態(tài)時(shí)稱重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的傾斜狀態(tài)時(shí)稱重傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為圖1所示的稱重傳感器的A-A截面剖視圖。

圖4為圖1所示的稱重傳感器的B-B截面剖視圖。

圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的稱重裝置的示意圖。

圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的稱重裝置在稱量車輛時(shí)的稱重狀態(tài)的示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。

參考圖1至圖4，本發(fā)明提供的稱重傳感器1優(yōu)選地為柱式稱重傳感器，具有搖柱式結(jié)構(gòu)。稱重傳感器1包括上承壓面2、彈性元件3、下承壓面4、主應(yīng)變單 元及次應(yīng)變單元。下承壓面4與上承壓面2相對(duì)。彈性元件3具有中心軸31，其位于上承壓面2與下承壓面4之間。稱重傳感器1的上承壓面2及下承壓面4分別具有一個(gè)與彈性元件3相接觸的接觸部6，其位置與彈性元件3的加工精度、傾斜角度及球頭半徑有關(guān)。該接觸部6在理想狀況下是個(gè)接觸點(diǎn)，然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于接觸的位置會(huì)發(fā)生輕微的變形，所以一般情況下是個(gè)接觸面。

參考圖1，假定彈性元件3加工理想的情況下，當(dāng)稱重傳感器1豎直稱重時(shí)，上下兩個(gè)接觸部(即接觸點(diǎn))6的連線與彈性元件3的中心軸31重合。參考圖2，當(dāng)稱重傳感器1傾斜稱重時(shí)，上下兩個(gè)接觸點(diǎn)6的連線與彈性元件3的中心軸31不重合且成傾斜角度β。彈性元件3的截面形狀可以是任意截面形狀，例如圓截面、方截面或者是H形截面等。

主應(yīng)變單元及次應(yīng)變單元設(shè)置于彈性元件3的應(yīng)變區(qū)域5內(nèi)。具體而言，主應(yīng)變單元至少包括兩個(gè)主應(yīng)變?cè)?，兩個(gè)主應(yīng)變?cè)?相對(duì)設(shè)置在彈性元件3的兩側(cè)(如圖3所示)。本實(shí)施例中，主應(yīng)變?cè)?為電阻式應(yīng)變片，其用于測(cè)量彈性元件的第一形變量。主應(yīng)變?cè)?包括第一電阻絲柵71及第二電阻絲柵72。第一電阻絲柵71與中心軸31平行，用于感測(cè)彈性元件3沿中心軸31方向的縱向形變量。第二電阻絲柵72與中心軸31垂直，用于感測(cè)彈性元件3的橫向形變量?？v向形變量及橫向形變量用于計(jì)算稱重輸出。

次應(yīng)變單元分別設(shè)置在彈性元件3的至少兩個(gè)非平行的平面上，每個(gè)平面至少設(shè)置一個(gè)次應(yīng)變?cè)?。在一些實(shí)施例中，次應(yīng)變單元包括四個(gè)次應(yīng)變?cè)?，如圖4所示。其中，四個(gè)次應(yīng)變?cè)?兩兩一對(duì)，分別設(shè)置在彈性元件3的四個(gè)平面上。本實(shí)施例中，次應(yīng)變?cè)?也為電阻式應(yīng)變片，次應(yīng)變?cè)?包括第三電阻絲柵81。第三電阻絲柵81與中心軸31所成第一角度α。兩對(duì)次應(yīng)變?cè)?分別用于測(cè)量所述彈性元件3的第二形變量，所述第二形變量包括第一補(bǔ)償形變量和第二補(bǔ)償形變量。優(yōu)選地，稱重傳感器1的傾斜角度β小于等于5°，次應(yīng)變?cè)?與中心軸31所成的第一角度α為5°至85°。

圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的稱重裝置的示意圖。參考圖5，本發(fā)明提供的稱重傳感器(如圖1至4所示的稱重傳感器)可應(yīng)用于稱重裝置9上，稱重裝置9由多個(gè)稱重傳感器1以及秤臺(tái)10組成。如本實(shí)施例所述，稱重裝置9包括6個(gè)稱重傳 感器1。在一些變化例中，稱重裝置9可以包括至少一個(gè)稱重傳感器1。稱重傳感器1優(yōu)選地，為柱式稱重傳感器，并具有搖柱式結(jié)構(gòu)。在其它實(shí)施方式中，也可以為剪柱式傳感器。

圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的稱重裝置9在稱量車輛時(shí)的稱重狀態(tài)的示意圖。如圖6所示，稱重裝置可以是一種車輛衡稱重裝置，待稱重的車輛可置于秤臺(tái)10上。

本發(fā)明還提供一種稱量方法，包括如下步驟：

1)采集主應(yīng)變單元輸出的第一形變量。第一形變量根據(jù)主應(yīng)變?cè)?的第一電阻絲柵71及第二電阻絲柵72測(cè)量的縱向形變量及橫向形變量獲得。

2)采集次應(yīng)變單元中次應(yīng)變?cè)?輸出的第二形變量。

3)根據(jù)第一形變量，獲得稱重輸出。優(yōu)選地，第一形變量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后可作為稱重輸出。

4)根據(jù)第二形變量計(jì)算所述稱重誤差。

在一實(shí)施例中，首先根據(jù)第二形變量計(jì)算稱重傳感器1的等效傾斜角度。在理想情況下，當(dāng)彈性元件3的上下端部的球面半徑相同時(shí)，等效傾斜角度即傾斜角度，為兩個(gè)接觸點(diǎn)6的連線與中心軸31所成的角度β。但是實(shí)際中，稱重誤差不僅用于補(bǔ)償傾斜造成的誤差，而且可以補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)造成的誤差。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的誤差主要來源于傳感器的生產(chǎn)過程的工藝誤差。旋轉(zhuǎn)造成的誤差也會(huì)在補(bǔ)償片上產(chǎn)生相應(yīng)的輸出，在進(jìn)行誤差計(jì)算的時(shí)候，不進(jìn)行區(qū)分傾斜或是旋轉(zhuǎn)造成的誤差，因此這時(shí)候次元件8應(yīng)變片上的輸出不僅包括傾斜而且包括旋轉(zhuǎn)造成的誤差，這時(shí)候計(jì)算出來的傾斜角度稱之為等效傾斜角度。由于次應(yīng)變?cè)?與中心軸31所成的第一角度α是通過設(shè)置所述傾斜角度β與彈性元件的第二形變量滿足單調(diào)函數(shù)關(guān)系來獲得的，因此第一角度α不能取0°和90°。因?yàn)楫?dāng)?shù)谝唤嵌圈翞?°和90°時(shí)，傾斜角度β與彈性元件的第二形變量為二次函數(shù)關(guān)系。具體而言，稱重傳感器1的傾斜角度β小于等于5°，次應(yīng)變?cè)?與中心軸31所成的第一角度α為5°至85°時(shí)，稱重傳感器1的傾斜角度β與次應(yīng)變?cè)?的輸出可近似處理為線性關(guān)系，等效傾斜角度可通過如下公式計(jì)算：

其中，β₁為稱重傳感器1的第一補(bǔ)償角度，β₂為稱重傳感器1的第二補(bǔ)償角度。在本實(shí)施例中，β是兩個(gè)接觸點(diǎn)6的連線與中心軸31所成的角度，β₁和β₂是朝兩個(gè)非平行方向的角度分量，在優(yōu)選地情況下，β₁和β₂是朝兩個(gè)正交方向的角度分量；k、c為一常數(shù)，與次應(yīng)變?cè)?與中心軸31所成的第一角度α、彈性元件3材料的泊松比等有關(guān)。例如，當(dāng)彈性元件3材料為鋼，角度α為61.3°時(shí)，k為±65.8，c＝0；ε為次應(yīng)變?cè)?輸出的第二形變量，ε₁和ε₂分別是第一補(bǔ)償形變量和第二補(bǔ)償形變量。

在本實(shí)施方式中，k1、k2、c1、c2可通過理論或測(cè)試標(biāo)定的方法確定。

1)、理論方法

當(dāng)彈性元件加工、貼片理想的情況下，彈性體元件材料為鋼且第一角度為61.3°時(shí)，k1＝k2＝65.8；c1＝c2＝0。當(dāng)?shù)谝唤嵌葹?61.3°時(shí)，k1＝k2＝-65.8；c1＝c2＝0。

2)、測(cè)試標(biāo)定方法

在彈性元件上施加標(biāo)定載荷，可為額定載荷的一半。

沿第一補(bǔ)償角度方向傾斜角度β11，測(cè)量此時(shí)的第一補(bǔ)償角度ε11；沿第一補(bǔ)償角度方向傾斜角度β12，測(cè)量此時(shí)的第一補(bǔ)償角度ε12。

同理，可用上述方法求出k2和c2。

之后，根據(jù)稱重傳感器1的等效傾斜角度β計(jì)算稱重誤差。具體而言，通過對(duì)經(jīng)典力學(xué)的理論函數(shù)關(guān)系進(jìn)行修正，得到可用于實(shí)際稱重過程中實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償?shù)姆Q重誤差與第一補(bǔ)償角度和第二補(bǔ)償角度之間的函數(shù)關(guān)系：

其中，Δspan為稱重誤差；a、b、c、d、e及f為補(bǔ)償參數(shù)；β1、β2為兩對(duì)與中心軸31成第一角度α的次應(yīng)變?cè)?輸出的第一補(bǔ)償角度以及第二補(bǔ)償角度。

在本實(shí)施方式中，a、b、c、d、e及f可通過如下方式獲得：在彈性元件上施加標(biāo)定載荷W，可為額定載荷的一半。

沿任意方向傾斜彈性元件，測(cè)量此時(shí)的稱重輸出Wbridge1、β11、β12，Δ span1＝(Wbridge1-W)/W同理，沿任意方向傾斜彈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。將上述數(shù)據(jù)代入方程中，如下：

上述方程可用矩陣形式表示，如下

因此，補(bǔ)償參數(shù)a～f可根據(jù)下式計(jì)算得到。

5)根據(jù)稱重誤差修正稱重輸出。具體而言，根據(jù)下式對(duì)稱重輸出進(jìn)行修正。

其中，Δspan為稱重誤差；W_bridge為傳感器未經(jīng)補(bǔ)償?shù)姆Q重輸出；W_comp為補(bǔ)償后的傳感器稱重輸出。

上述步驟中的電信號(hào)轉(zhuǎn)換、采集及計(jì)算，優(yōu)選地由一數(shù)字芯片進(jìn)行處理。

在一具體實(shí)施例中，在車輛衡稱重裝置9進(jìn)行稱重過程中，當(dāng)稱重傳感器1發(fā)生傾斜或轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)彈性元件3的受力狀態(tài)相對(duì)于理想豎直狀態(tài)發(fā)生了變化。兩個(gè)方向的次應(yīng)變?cè)?產(chǎn)生輸出ε₁和ε₂，稱重傳感器1的數(shù)字芯片根據(jù)次應(yīng)變 元件8的兩個(gè)方向輸出，可得到此時(shí)的稱重傳感器1的稱重誤差，并根據(jù)稱重誤差對(duì)實(shí)際重量輸出進(jìn)行修正，即可得到補(bǔ)償后的稱重傳感器1的稱重輸出。補(bǔ)償后的稱重傳感器1的稱重輸出不僅消除了傾斜造成的系統(tǒng)性稱量誤差，還消除了由稱重傳感器1的彈性元件3在生產(chǎn)過程中的工藝誤差所造成的轉(zhuǎn)角誤差。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯見，可對(duì)本發(fā)明的上述示例性實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變型而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，旨在使本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求書及其等效技術(shù)方案范圍內(nèi)的對(duì)本發(fā)明的修改和變型。