專利名稱：軟質(zhì)地毯式稱重裝置及稱重測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衡器或稱重技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，車輛的負(fù)荷大小對于已建成的公路、橋梁有著很大的影響。車輛超載不僅會增加公路維修費(fèi)用，縮短路面使用壽命，而且會影響車輛的安全行駛車輛的通行能力。
對于車輛的稱重，傳統(tǒng)的方法都是在靜態(tài)下進(jìn)行的，這種整車測量方法準(zhǔn)確度雖然很高，但是存在著很大的缺點(diǎn)，如價(jià)格較高，不能分別測出軸重等。另外，實(shí)際應(yīng)用中停止汽車運(yùn)行進(jìn)行重量測量也是不方便的。
目前在車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)中比較常用的汽車衡主要有彎板、壓電傳感器、單傳感器及光纖傳感等。但現(xiàn)有的汽車衡及大中型衡器都具有價(jià)格昂貴(汽車衡每臺大約15萬元-20萬元)、安裝要求高并且復(fù)雜、不能攜帶的缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)制約了大中型衡器的廣泛應(yīng)用。如一些經(jīng)濟(jì)實(shí)力不太強(qiáng)的中小企業(yè)，因沒有足夠的資金購買汽車衡而造成在進(jìn)出貨交易時(shí)的經(jīng)濟(jì)損失；公路交通的道路受載情況監(jiān)測和安全運(yùn)輸監(jiān)督工作，也因此而沒有普遍開展或無法開展；而物流企業(yè)在散貨配送中常因雙方?jīng)]有計(jì)量手段產(chǎn)生一些糾紛，影響了散裝貨物貿(mào)易發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明首先所要解決的技術(shù)問題是提供一種便于攜帶成本較低，適于靜態(tài)和動態(tài)稱重測量的軟質(zhì)地毯式稱重裝置。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它包括稱重傳感器，所述稱重傳感器包括作為上、下極板的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板間絕緣介質(zhì)的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層。
本發(fā)明所提供的稱重裝置，其稱重傳感器呈軟質(zhì)薄板狀，就象地毯一樣能夠被卷繞，便于隨運(yùn)輸工具攜帶，結(jié)構(gòu)簡單成本低，便于靜態(tài)和動態(tài)稱重測量。
上述識別層可采用以下結(jié)構(gòu)它包括兩層交叉的設(shè)置在薄膜上由電阻材料構(gòu)成的條紋，兩層條紋間設(shè)有在無壓力時(shí)阻隔兩條紋層接觸在受到壓力時(shí)能使兩條紋層的受壓部位接觸的彈性絕緣隔離透空層。
本發(fā)明所提供的稱重裝置，其信號處理部分，可包括與識別層配合連接的稱重物體與極板接觸面積和形狀識別掃描電路，及對稱重物體與極板接觸面積和形狀數(shù)字信號及上、下極板的電容參數(shù)數(shù)字化信號進(jìn)行處理并得到稱重物體重量的信號處理裝置。
本發(fā)明另一個所要解決的技術(shù)問題是提供一種軟質(zhì)地毯式稱重裝置的稱重測量方法。為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案它利用上述軟質(zhì)地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板絕緣介質(zhì)的中間絕緣柔性材料構(gòu)成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數(shù)字信號處理及上、下極板的電容參數(shù)信號進(jìn)行處理，測量稱重物體的重量。
信號處理裝置將稱重物體與極板的接觸面分解為若干個具體的特定形狀，根據(jù)形狀和面積與重力之間對應(yīng)的模型關(guān)系，測量稱重物體的重量。
由于采用上述方法，可以對稱重物體進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)的稱重測量。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式中稱重裝置的稱重傳感器的剖視圖。
圖2為本發(fā)明一種實(shí)施方式中稱重裝置的識別層的其中一層條紋的示意圖。
圖3為識別層中與圖2的條紋配合的的另一層條紋的示意圖。
圖4為識別層在未受壓時(shí)的狀態(tài)示意圖。
圖5為識別層在受壓時(shí)的狀態(tài)示意圖。
圖6為本發(fā)明一種實(shí)施方式中稱重裝置的原理框圖。
圖7為本發(fā)明一種實(shí)施方式中稱重方法的軟件流程圖。
具體實(shí)施例方式
參照附圖1。本發(fā)明所提供的軟質(zhì)地毯式稱重裝置它包括稱重傳感器10，所述稱重傳感器包括作為上、下極板1、2的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板間絕緣介質(zhì)3的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層4。
參照附圖1、2、3。所述識別層包括兩層交叉的設(shè)置在薄膜41、42上由電阻材料構(gòu)成的條紋43、44，兩層條紋間設(shè)有在無壓力時(shí)阻隔兩條紋層接觸在受到壓力時(shí)能使兩條紋層的受壓部位接觸的彈性絕緣隔離透空層45。如圖1所示，透空層45由間隔設(shè)置的絕緣條構(gòu)成。
條紋43、44可采用印刷或腐蝕的方法，生產(chǎn)在有機(jī)薄膜上，條紋越密，識別面積和形狀的精度越高。條紋43、44在使用時(shí)相互垂直，在沒有物體壓時(shí)條紋43、44受隔離透空層45的是不碰觸的，如圖4所示。若薄膜41(A板)緊貼在軟質(zhì)地毯式稱重傳感器上，當(dāng)有重物壓在薄膜42(B板)上時(shí)，發(fā)生圖5所示變形，此時(shí)薄膜41有部分面積與薄膜42相接觸；當(dāng)依次給薄膜41的電阻膜條43加電壓，同時(shí)依次測量薄膜42上電阻膜條44的電壓，可定出重壓后薄膜42變形的面積和形狀。如圖5的情形，Y方向位置的判斷可由薄膜42上電壓在大于0V、小于5V的電阻膜條的位置確定；判斷X方向時(shí)，可在薄膜42的電阻膜條上逐次加5V電壓的同時(shí)，判斷薄膜41上電壓在大于0V、小于5V的電阻膜條的位置確定。不論是Y方向，還是X方向都還可以通過電壓的大小來較驗(yàn)觸點(diǎn)的位置，如圖5所示電壓3.7V是Y方向電阻分壓的結(jié)果。
此外，識別層還可采用其它能反映稱重物體與極板接觸形狀和面積的結(jié)構(gòu)和裝置。就識別層來說，最好也呈薄毯狀，設(shè)于稱重傳感器的表面。
參照附圖6。本發(fā)明提供的稱重裝置的控制部分包括與識別層配合連接的稱重物體與極板接觸面積和形狀識別掃描電路，及對稱重物體與極板接觸面積和形狀數(shù)字信號及上、下極板的電容參數(shù)數(shù)字化信號進(jìn)行處理并得到稱重物體重量的信號處理裝置。
參照附圖6。當(dāng)電容參數(shù)信號為模擬信號時(shí)，控制部分需設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換電路，以將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號供信號處理裝置處理。此外，對電容參數(shù)信號還可設(shè)置微小電容放大電路。
本發(fā)明采用的掃描電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、微小電容放大電路都可以采用目前常用的掃描電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、放大電路，信號處理裝置本實(shí)施例的是采用單片機(jī)7(MCU/DSP)，信號處理裝置也可采用其它有計(jì)算和處理能力的設(shè)備，比如電腦。
所述柔性導(dǎo)電材料為導(dǎo)電橡膠，所述絕緣柔性材料為絕緣橡膠。
參照附圖1、2、3、4、5、6和7。本發(fā)明提供的稱重測量方法，它利用上述軟質(zhì)地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板絕緣介質(zhì)的中間絕緣柔性材料構(gòu)成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數(shù)字信號處理及上、下極板的電容參數(shù)信號進(jìn)行處理，測量稱重物體的重量。
當(dāng)重物壓在極板上時(shí)，極板1、2間的絕緣介質(zhì)3形狀發(fā)生變化，這將導(dǎo)致兩極板間的電容參數(shù)發(fā)生變化，重物在平面上作用的重力大小與電容參數(shù)有一定的關(guān)系，這種關(guān)系在同一受壓面積形狀時(shí)電容參數(shù)與重物的重量是一個確定的關(guān)系，利用這種關(guān)系可實(shí)現(xiàn)物體的稱重測量。
參照附圖6，由稱重傳感器感獲與被測重物相關(guān)的微小電容參數(shù)，微小電容測量及信號放大電路將電容參數(shù)變換成與之相對應(yīng)的電壓值，電壓值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路變?yōu)榕c重物相應(yīng)的數(shù)字信號，信號處理裝置在接受到經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化后的電容變量的數(shù)字化信號以及識別掃描電路的稱重物體與極板接觸面積和形狀數(shù)字信號，根據(jù)形狀和面積與重力之間對應(yīng)的模型關(guān)系，測量稱重物體的重量。已獲得的稱重物體重量(質(zhì)量)可經(jīng)信號發(fā)射電路無線發(fā)射至所需要的地方，當(dāng)然也可以用有線的方式直接送至上位機(jī)或顯示器；若按無線方式收到重量(質(zhì)量)信號后，經(jīng)MCU/DSP信號處理系統(tǒng)處理后送上位機(jī)或顯示器。信號處理裝置可以將稱重物體與極板的接觸面分解為若干個具體的特定形狀，所述的特定形狀可以是單一一種形狀，比如矩形。所述的特定形狀包括若干種形狀，比如矩形、園形或其它形狀。一些不規(guī)則形狀的模型可以通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，得出的相應(yīng)的電容參數(shù)和重量的關(guān)系表格。
本實(shí)施例中，柔性導(dǎo)電材料和絕緣柔性材料均采用橡膠材料，在應(yīng)用中，從橡膠元件的疲勞強(qiáng)度考慮，其應(yīng)變量控制在ε＜15％范圍，此時(shí)，橡膠元件在壓縮時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系可以近似地表示為σ≈Eaε (1)即F=EaAΔhh---(2)]]>式中F為傳感器受力，A為受力面積。
橡膠在壓縮時(shí)，其表觀彈性模量Ea與被壓縮的橡膠元件的幾何形狀有關(guān)，可表示為Ea＝iG(3)在本實(shí)施例中，以矩形作為稱重物體與極板接觸形狀i=11+b/a[4+2ba+0.56(1+ba)2ks2]---(4)]]>k＝10.7-0.098HS(5)式中G為橡膠的切變模量；i為幾何形狀和硬度影響系數(shù)；HS為肖氏硬度；s為形狀系數(shù)，承載面積AL與自由面積Ar之比值。
a，b分別為矩形橡膠的長和寬。
由于稱重傳感器為軟質(zhì)，所以當(dāng)荷載施加在傳感器上時(shí)，傳感器只有受力部分發(fā)生形變，此時(shí)應(yīng)把傳感器考慮成組合式橡膠，(5)式中的a，b應(yīng)分別為整個傳感器臺面的長和寬減去受力部分的長和寬的值。并且在變形量Δh/h＜＜1時(shí)，
ΔCCL≈-Δhh---(6)]]>在此式中CL為電容式稱重傳感器受力部分初始電容值，且CL=AA0C---(7)]]>C為整個電容式稱重傳感器初始電容值；A為受力面積；A0為整個傳感器臺面面積。
將(7)式帶入(6)式中，得A0ΔCC≈-AΔhh---(8)]]>將(3)，(4)，(5)，(8)式帶入到(2)式中可得F=-iGA0ΔCC]]>=-11+b/a[4+2ba+0.56(1+ba)2ks2]GA0ΔCC---(9)]]>式中G、A0、C在傳感器制成后為已知值，a，b可以通過識別層和識別掃描電路測量獲得。
靜態(tài)稱重時(shí)，為了方便各種稱重物體的準(zhǔn)確稱重，在稱重前先在軟質(zhì)地毯式傳感器上鋪一塊硬質(zhì)板信號處理裝置按矩形公式(見式9)算出物體的重力(或質(zhì)量)，再將重量(或質(zhì)量)送信號發(fā)射電路，或送顯示器5或上位機(jī)6。
動態(tài)稱重是應(yīng)用于行駛車輛的動態(tài)稱重，稱重過程中車輛的車輪是先過前兩輪再過后兩輪，當(dāng)車輪壓上軟質(zhì)地毯式傳感器時(shí)，信號處理裝置通過面積和形狀識別層得出車輪壓的面積。圖3中薄膜上的電阻膜條正交后的最小矩形是δ×δ，其中δ是兩電阻條紋的中心線間的距離。各種接觸形狀都可以近似地看成是由多個δ×δ的小矩形組合成，根據(jù)標(biāo)定時(shí)的計(jì)算模型將測得的電容值算出車輪壓過時(shí)的重量；將前兩輪、后兩輪壓過時(shí)的重量相加，則得出車輛的總重量(質(zhì)量)。
權(quán)利要求
1.軟質(zhì)地毯式稱重裝置，其特征在于它包括稱重傳感器，所述稱重傳感器包括作為上、下極板的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板間絕緣介質(zhì)的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層。
2.如權(quán)利要求1所述的軟質(zhì)地毯式稱重裝置，其特征在于所述識別層包括兩層交叉的設(shè)置在薄膜上由電阻材料構(gòu)成的條紋，兩層條紋間設(shè)有在無壓力時(shí)阻隔兩條紋層接觸在受到壓力時(shí)能使兩條紋層的受壓部位接觸的彈性絕緣隔離透空層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的軟質(zhì)地毯式稱重裝置，其特征在于它設(shè)有與識別層配合連接的稱重物體與極板接觸面積和形狀識別掃描電路，及對稱重物體與極板接觸面積和形狀數(shù)字信號及上、下極板的電容參數(shù)數(shù)字化信號進(jìn)行處理并得到稱重物體重量的信號處理裝置。
4.如權(quán)利要求1或2所述的軟質(zhì)地毯式稱重裝置，其特征在于所述柔性導(dǎo)電材料為導(dǎo)電橡膠，所述絕緣柔性材料為絕緣橡膠。
5.一種軟質(zhì)地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特征在于它利用權(quán)利要求1所述的軟質(zhì)地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板絕緣介質(zhì)的中間絕緣柔性材料構(gòu)成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數(shù)字信號處理及上、下極板的電容參數(shù)信號進(jìn)行處理，測量稱重物體的重量。
6.如權(quán)利要求5所述的一種軟質(zhì)地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特征在于信號處理裝置將稱重物體與極板的接觸面分解為若干個具體的特定形狀，根據(jù)形狀和面積與重力之間對應(yīng)的模型關(guān)系，測量稱重物體的重量。
7.如權(quán)利要求6所述的一種軟質(zhì)地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特征在于所述的特定形狀為矩形。
8.如權(quán)利要求6所述的一種軟質(zhì)地毯式稱重裝置的稱重測量方法，其特征在于所述的特定形狀包括若干種形狀。
全文摘要
本發(fā)明提供了軟質(zhì)地毯式稱重裝置。它包括稱重傳感器，所述稱重傳感器包括作為上、下極板的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板間絕緣介質(zhì)的絕緣柔性材料，它還包括稱重物體與極板接觸形狀和面積的識別層。本發(fā)明還提供了軟質(zhì)地毯式稱重裝置的稱重測量方法。它利用上述軟質(zhì)地毯式稱重裝置，以作為上、下極板的柔性導(dǎo)電材料和作為上、下極板絕緣介質(zhì)的中間絕緣柔性材料構(gòu)成稱重傳感器，通過信號處理裝置對稱重物體與極板接觸形狀和面積數(shù)字信號處理及上、下極板的電容參數(shù)信號進(jìn)行處理，測量稱重物體的重量。本發(fā)明所提供的稱重裝置，其稱重傳感器呈軟質(zhì)薄板狀，就象地毯一樣能夠被卷繞，便于隨運(yùn)輸工具攜帶，結(jié)構(gòu)簡單成本低，便于靜態(tài)和動態(tài)稱重測量。
文檔編號G01G19/03GK1808079SQ20061004957
公開日2006年7月26日 申請日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者李青, 程路 申請人:中國計(jì)量學(xué)院