本發(fā)明屬于測重工具，具體涉及一種基于寬頻超聲測距的測重方法與裝置。

背景技術(shù)：

對于物體質(zhì)量的估計和測量在生活中隨處可見，應(yīng)用廣泛，也成為生活中不可或缺的一部分。小到測量輕巧物體的彈簧測力計，日常生活中的案秤，桿秤，電子秤，大到檢測超限超載的測重儀，秤的實(shí)用性相當(dāng)之大。比如超重貨物的運(yùn)輸，超重貨物運(yùn)輸是指實(shí)際裝載的貨物質(zhì)量超過核定裝載質(zhì)量的運(yùn)輸車輛在公路上行駛的情況，核定裝載質(zhì)量主要針對車輛而言，特別是車輛結(jié)構(gòu)的承載能力。作為車輛運(yùn)行過程中裝載貨物質(zhì)量的限制，從汽車性能和行車安全角度出發(fā)具有重大的意義。超載貨物的運(yùn)輸不僅危及公路上其他車輛的行車安全，還嚴(yán)重?fù)p壞了公路，橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施，并且導(dǎo)致了道路運(yùn)輸市場的惡性競爭。因此，檢測貨車是否貨物超載是非常有必要的。除此之外，日常生活中人們對健康以及外形美感的要求越來越高，體重控制也是健康管理的基礎(chǔ)，現(xiàn)代家庭基本上都備有體重秤，以把握全家人的體重情況。對于減肥人士，體重秤也是不可或缺的。

秤又分為機(jī)械秤和電子秤，機(jī)械秤主要是彈簧秤，也就是指針秤。機(jī)械秤的主要部件有彈簧，樞軸，齒輪齒條，重物放在臺面上導(dǎo)致彈簧向下壓縮，彈簧的上下運(yùn)動通過一根樞軸轉(zhuǎn)換成側(cè)向的水平運(yùn)動，水平運(yùn)動傳遞到齒輪齒條裝置，齒輪齒條轉(zhuǎn)換裝置將傳遞過來的水平運(yùn)動轉(zhuǎn)換成圓周運(yùn)動，從而使指針表盤旋轉(zhuǎn)。這種指針體重秤壽命長，實(shí)用性強(qiáng)，但是由于機(jī)械傳動，部件的摩擦配合間隙等問題，精度不會太高。電子秤的主要部件有稱重傳感器，放大濾波電路，AD轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)物體放在秤盤上時，壓力施給傳感器，該傳感器發(fā)生形變，從而使阻抗發(fā)生變化，同時使激勵電壓發(fā)生變化，輸出一個變化的模擬信號，信號輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行后續(xù)讀數(shù)處理。電子秤體積小，重量輕，準(zhǔn)確度高，讀數(shù)連續(xù)快速，目前廣泛使用，但同時也存在一些問題，比如電路板很容易因?yàn)槌惺軌毫^大壞掉，防水效果差，使用壽命短。如果可以減少機(jī)械秤里機(jī)械傳動等影響精度的流程，直接利用彈簧的壓縮量得到物體的重量，這樣可以避免電子秤存在的一系列問題也解決了機(jī)械秤存在的精度問題。

彈簧是一種利用彈性來工作的機(jī)械零件，彈簧在受到壓力時能產(chǎn)生較大的形變，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文埽谱鲝椈傻闹饕牧嫌胁讳P鋼彈簧絲，優(yōu)質(zhì)碳素彈簧鋼絲，耐疲勞合金彈簧鋼絲等，常用的測重彈簧一般為螺旋彈簧中的壓縮彈簧。如果采用防銹的彈性形變能力好的彈簧，當(dāng)有重物間接作用于彈簧上時，通過超聲測距模塊測得彈簧的形變量，再通過信號處理模塊得到物體的重量，簡單直接的反映了物體的重量，不用擔(dān)心壓力傳感器失靈，也不存在因?yàn)楦鞣N機(jī)械傳動導(dǎo)致的精度不足問題，而且可以通過顯示屏直接快速讀數(shù)。除此之外，這種超聲測重的方式同時也適用于超載貨車的檢測，此時可以用剛性比較強(qiáng)可以承受強(qiáng)壓力的彈簧，效率高穩(wěn)定性強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服現(xiàn)有的電子秤易損壞，精度低，讀數(shù)不準(zhǔn)等問題，本發(fā)明提供了一種基于寬頻超聲測距的測重方法與裝置。

本發(fā)明至少通過如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn)。

一種基于寬頻超聲測距的測重裝置，包括承重托盤、彈簧、發(fā)送超聲換能器、接收超聲換能器、超聲耦合液和密閉容器，所述密閉容器位于承重托盤下方，彈簧垂直設(shè)置于所述托盤下端，且彈簧位于密閉容器中，密閉容器中裝有所述超聲耦合液，彈簧浸泡中超聲耦合液中；由于超聲在空氣中傳播衰減非常厲害，所以在密閉容器與托盤間內(nèi)置絕緣的超聲耦合液，該耦合液最好可以使浸泡在其中的彈簧不易生銹，那么超聲傳播中能量不會有太大衰減，對彈簧也會有一定的保護(hù)；密閉容器底部設(shè)有發(fā)送超聲換能器和接收超聲換能器；當(dāng)有貨物放置于承重托盤上，彈簧發(fā)生形變并能帶動承重托盤向下容器下方的方向運(yùn)動，平衡之后發(fā)送超聲換能器發(fā)出的信號經(jīng)過承重托盤下端反射回來，接收超聲換能器把接收到的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊處理后，根據(jù)收發(fā)信號之間的延時計算出彈簧的形變量，由形變量轉(zhuǎn)換可得到貨物的重量。所述發(fā)送超聲換能器、接收超聲換能器的工作頻帶根據(jù)具體情況來選擇，可以是帶寬比較寬的壓電超聲換能器，也可以是電容微加工超聲換能器。

進(jìn)一步地，所述彈簧有一根或者多。所述彈簧根據(jù)貨物重量來選擇，彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。對于一般的重量比如人的體重用一般碳素彈簧鋼絲，不需要太大的剛度即可，上噸的貨物比如用來檢測貨車貨物超載則需使用高應(yīng)力的彈簧。所述托盤用來放置待測重物，彈簧垂直設(shè)置于所述托盤下端。

進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)處理后臺，AD轉(zhuǎn)換器和DA轉(zhuǎn)換器，功率放大器和低噪聲放大器，電源和重量數(shù)據(jù)顯示器；所述數(shù)據(jù)處理后臺用于寬頻信號的產(chǎn)生并且根據(jù)收發(fā)信號的時延算出彈簧的形變量，繼而得到貨物的重量；數(shù)據(jù)處理后臺包括控制單元、存儲單元、顯示器和信號處理單元，控制單元控制整個裝置的測量過程的進(jìn)行；所述AD轉(zhuǎn)換器用于將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號便于數(shù)據(jù)處理后臺處理，所述DA轉(zhuǎn)換器用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號；所述功率放大器用于放大DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的模擬信號，所述低噪聲放大器用于放大從接收超聲換能器傳送過來的信號，所述電源用于給整個裝置供電。

進(jìn)一步地，由彈簧的形變量得到貨物重量由以下公式得到：，其中 彈簧線材的鋼性模數(shù)； 彈簧線徑； 彈簧外徑； 彈簧內(nèi)徑； 彈簧中徑； 彈簧總?cè)?shù)； 彈簧有效圈數(shù)； 的單位為。

利用所述基于寬頻超聲測距的測重裝置的測重方法，其包含以下步驟：

步驟1. 待測重物放在承重托盤上，此時打開電源，數(shù)據(jù)處理后臺發(fā)送一個寬頻信號，信號是線性或非線性的，送到DA轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號變成了模擬信號，然后信號通過一個功率放大器進(jìn)行放大；

步驟2. 通過功率放大器的信號被發(fā)送到發(fā)送超聲換能器，換能器將電信號轉(zhuǎn)變成聲信號，彈簧此時處于壓縮狀態(tài)，超聲在耦合液中傳播，碰到承重托盤底端反射回來，接收超聲換能器接收到反射回來的信號；

步驟3. 接收超聲換能器接收到返回的信號，通過一個低噪聲放大器放大信號便于進(jìn)行后續(xù)處理，這個放大后的信號經(jīng)過一個AD轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，最后送到數(shù)據(jù)處理后臺；

步驟4. 數(shù)據(jù)處理后臺已存儲好彈簧原長，并且會將收發(fā)信號之間的延時轉(zhuǎn)化成距離，繼而得到彈簧的形變量，數(shù)據(jù)處理后臺會將其轉(zhuǎn)化成重量并且輸出到顯示器，從而得到重量數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、通過超聲直接測量彈簧的形變量，減少以往因?yàn)楦鞣N機(jī)械傳動引起的誤差，精度有所提高，而且對于上噸的貨物也比較適用，相對于檢測貨物是否超載的測量儀成本低，效率高。

2、這種超聲測重裝置抗壓，防水，壽命高，相對于一般電子秤更耐用，讀數(shù)更加穩(wěn)定。

3、用寬頻信號進(jìn)行超聲測距的精度比較高，因此測出的重物的測量精度相對較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的基于寬頻超聲測距的測重裝置的超聲壓力轉(zhuǎn)換模塊示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的各種信號處理示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理后臺的框圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的測重步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施不限于此。

一種基于寬頻超聲測距的測重裝置，包括超聲壓力轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。超聲壓力轉(zhuǎn)換模塊與數(shù)據(jù)處理模塊以有線的方式連接。

如圖1所示，是所述的超聲壓力轉(zhuǎn)換模塊，包括承重盤101，由于彈簧會壓縮，所以托盤兩端是可以滑動于下端容器102的兩端。超聲需要在耦合液中傳播才不至于能量衰減太多，所以容器102中放置可供超聲傳播的耦合液103，圖中放置三根彈簧104，所述彈簧防銹，根據(jù)貨物重量不同選擇不同型號彈簧，材料大多選擇優(yōu)質(zhì)碳素鋼，彈簧的數(shù)量可以是一根也多以是多根，如果選擇圖中三根彈簧，則彈簧型號應(yīng)該保持一致，而且受力均勻。發(fā)送換能器105和接收換能器106是整個模塊中最核心關(guān)鍵的器件，內(nèi)置于裝置底端，用于發(fā)出超聲信號，并且接收從承重托盤底端反射回來的信號。

如圖2所示，是所述的各種信號處理框圖，包括201數(shù)據(jù)處理后臺，DA轉(zhuǎn)換器202和AD轉(zhuǎn)換器205，功率放大器203和低噪聲放大器204，電源206。數(shù)據(jù)處理后臺首先會發(fā)出一個寬頻信號，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換器由數(shù)字信號變成模擬信號，便于換能器處理電信號，所以在DA轉(zhuǎn)換器后加入了一個功率放大器。從換能器接收回來的信號相比原信號必然有能量損失或許還夾雜著無用的噪聲信號，所以接入了一個低噪聲放大器處理接收回來的信號。信號放大之后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器，送往數(shù)據(jù)處理后臺。

所述基于寬頻超聲測距的測重方法為：貨物放置于承重托盤上后，數(shù)據(jù)處理后臺發(fā)出一個寬頻信號，可以是線性調(diào)頻信號也可以是非線性調(diào)頻信號，經(jīng)過所述的DA轉(zhuǎn)換模塊，再經(jīng)過一個功率放大器發(fā)送到發(fā)送超聲換能器，當(dāng)接收超聲換能器收到反射回來的超聲信號，換能器將其轉(zhuǎn)變成電信號，通過所述的低噪聲放大器和AD轉(zhuǎn)化器送到數(shù)據(jù)處理后臺，利用寬頻信號的時延計算方法計算延時，數(shù)據(jù)處理后臺已經(jīng)存儲彈簧原長，綜合原長可得到彈簧形變量，繼而得到貨物重量。所述的時延計算方法有自相關(guān)法，MPOC方法等等。

如圖3所示，是本發(fā)明實(shí)施例數(shù)據(jù)處理后臺的框圖，數(shù)據(jù)處理后臺用于對系統(tǒng)進(jìn)行整體的控制，發(fā)出信號并且處理返回的信號，數(shù)據(jù)處理后臺可以采用現(xiàn)有的控制器或控制芯片等實(shí)現(xiàn)，可包括控制單元、信號處理單元、存儲單元、顯示器。存儲單元事先會存儲好彈簧的各種參數(shù)，以及收發(fā)信號的時間。通過顯示器直接讀出貨物重量。寬頻信號的時延計算方法以MPOC方法為例（以為僅為舉例，各變量的含義可參考現(xiàn)有信號處理技術(shù)的常規(guī)表達(dá)，不再贅述）。

下面結(jié)合圖4，對超聲測重步驟進(jìn)行描述：

步驟1. 待測重物放在承重托盤上，此時打開電源，數(shù)據(jù)處理后臺發(fā)送一個寬頻信號 ，可以是線性的也可以是非線性的，送到DA轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號變成了模擬信號，然后信號通過一個功率放大器進(jìn)行放大。

步驟2. 通過功率放大器的信號被發(fā)送到發(fā)送超聲換能器，換能器將電信號轉(zhuǎn)變成聲信號，彈簧此時處于壓縮狀態(tài)，超聲在耦合液中傳播，碰到承重托盤底端反射回來，接收超聲換能器接收到反射回來的信號 。

步驟3. 接收超聲換能器接收到返回的信號，通過一個低噪聲放大器放大信號便于進(jìn)行后續(xù)處理，這個放大后的信號經(jīng)過一個AD轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，最后送到數(shù)據(jù)處理后臺。

步驟4. 數(shù)據(jù)處理后臺已存儲好彈簧原長，并且會將收發(fā)信號之間的延時轉(zhuǎn)化成距離，繼而可以得到彈簧的形變量，數(shù)據(jù)處理后臺會將其轉(zhuǎn)化成重量并且輸出到顯示器，這樣就可以得到我們需要的結(jié)果。