專利名稱：一種壓電感應(yīng)式電子稱重的測(cè)量電路及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電子稱重測(cè)量電路及其裝置，尤其涉及一種壓電感應(yīng) 式電子稱重的測(cè)量電路及其裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電子稱重裝置分為壓電式力傳感稱重裝置及電阻應(yīng)變式稱重裝置；壓電式力傳感器主要用于動(dòng)態(tài)稱重，其利用對(duì)交變電荷的測(cè)量來達(dá)到 測(cè)量力或重量的目的；這種稱重裝置要求電荷的變化率超過一定的頻率， 這就限制了壓電式力傳感器無法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)接觸力的測(cè)量。現(xiàn)有的壓電式力 傳感器在被用于靜態(tài)環(huán)境或者準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境下稱重時(shí)， 一般也不直接利用壓 電原理來實(shí)現(xiàn)，而是利用其它特性，諸如表面波頻率或晶振頻率等，而這 些稱重裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，且不便于攜帶。電阻應(yīng)變式電子稱重裝置，由于其傳感器體積大，配套電路耗電多， 自身重量又比較大，不便于攜帶。美國(guó)專利US6812413公開了一種壓電式稱重裝置，其基本結(jié)構(gòu)為基體 上支撐著一個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，負(fù)載臺(tái)置于懸臂結(jié)構(gòu)上，懸臂結(jié)構(gòu)中間挖空裝有 兩個(gè)壓電陶瓷片，兩個(gè)壓電陶瓷片中間有空隙。當(dāng)負(fù)載臺(tái)加有負(fù)載時(shí)，前 端壓電陶資片受力移動(dòng)，從而引起兩個(gè)壓電陶資片之間的空隙變化，使得 系統(tǒng)頻率發(fā)生變化，并通過振蕩器、混頻器組成的測(cè)量電路捕捉這種變化， 就可以測(cè)得負(fù)載的重量。但是，這種測(cè)重裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高。因此，現(xiàn)有技術(shù)有待于完善和發(fā)展。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的問題在于提供一種壓電感應(yīng)式電子稱重的測(cè)量電路 及其裝置，用以解決靜態(tài)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)稱重問題，并且該電子稱重裝置的外 形結(jié)構(gòu)小，制造成本低廉，便于攜帶。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供了一種壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其中，在所述測(cè)量電路 上設(shè)有壓電傳感器，用于在受到壓力作用的情形下輸出感應(yīng)電荷；及電荷 積分放大電路，與所述壓電傳感器連接，用于接收所述壓電傳感器輸出的 感應(yīng)電荷，并對(duì)所述感應(yīng)電荷進(jìn)行放大處理后輸出模擬信號(hào)至所述模數(shù)轉(zhuǎn) 換器。所述測(cè)量電路，其中，所述壓電傳感器為壓電陶瓷傳感器。 所述測(cè)量電路，其中，所述電荷積分放大電路包括一運(yùn)算放大器，電容(C)及電阻(R),所述運(yùn)算放大器的兩個(gè)信號(hào)輸入端分別與所述壓電傳感器的兩端連接，用于對(duì)接收到的所述感應(yīng)電荷進(jìn)行放大處理；所述電容 (C)并聯(lián)聯(lián)接在所述運(yùn)算放大器的一個(gè)信號(hào)輸入端及其信號(hào)輸出端；所述電阻(R)的一端串接在所述運(yùn)算放大器的另一信號(hào)輸入端，所述電阻(R)的另一端接地。所述測(cè)量電路，其中，所述電容(C)為聚苯乙烯電容，其容值為0.1 微法；所述電阻(R)的阻值至少為1013歐姆；所述運(yùn)算放大器的輸入阻抗 為5乂1012歐姆。所述測(cè)量電路，其中，在所述測(cè)量電路上還i殳有單片才幾，該單片機(jī)包 括時(shí)間常數(shù)擬合單元，用于對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行擬合，并輸出擬合信號(hào)；及運(yùn) 算單元，與所述時(shí)間常數(shù)擬合單元連接，用于當(dāng)接收到擬合信號(hào)后對(duì)該擬 合信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并輸出處理結(jié)果。本發(fā)明還提供了一種壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其中，所述電子稱重 裝置包括一測(cè)量電路，在所述測(cè)量電路上設(shè)有壓電傳感器，用于在受到壓 力作用的情形下輸出感應(yīng)電荷；及電荷積分;^丈大電路，與所述壓電傳感器連接，用于接收所述壓電傳感器輸出的感應(yīng)電荷，并對(duì)所述感應(yīng)電荷進(jìn)行 放大處理后輸出模擬信號(hào)至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其中，所述壓電傳感器為壓電陶資傳 感器。所述壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其中，所述電荷積分放大電路包括一運(yùn)算放大器，電容(C)及電阻(R)，所述運(yùn)算放大器的兩個(gè)信號(hào)輸入端分 別與所述壓電傳感器的兩端連接，用于對(duì)接收到的所述感應(yīng)電荷進(jìn)行放大 處理；所述電容(C)并聯(lián)聯(lián)接在所述運(yùn)算;^t大器的一個(gè)信號(hào)輸入端及其信 號(hào)輸出端；所述電阻(R)的一端串接在所述運(yùn)算放大器的另 一信號(hào)輸入端， 所述電阻(R)的另一端接地。所述壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其中，所述電容,(C)為聚苯乙烯電容， 其容值為0.1微法；所述電阻(R)的阻值至少為1013歐姆；所述運(yùn)算放大 器的輸入阻抗為5 x 1012歐姆。所述壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其中，在所述測(cè)量電路上還設(shè)有單片 機(jī)，該單片機(jī)包括時(shí)間常數(shù)擬合單元，用于對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行擬合，并輸出 擬合信號(hào)；及運(yùn)算單元，與所述時(shí)間常數(shù)擬合單元連接，用于當(dāng)接收到擬 合信號(hào)后對(duì)該擬合信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并輸出處理結(jié)果。所述壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其中，該電子稱重裝置還包括一載物 臺(tái)，設(shè)置在所述壓電傳感器上，且與所述壓電傳感器間采用接觸式拆卸連 接。本發(fā)明提供的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，通過在其測(cè)量電路上設(shè)置一 電荷積分放大電路，降低電荷漏電速度，從而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)環(huán)境下的稱重測(cè)量， 并且無需額外增加元器件，進(jìn)一步降低了生成成本；同時(shí)，該稱重裝置體 積小，便于攜帶。


圖l是本發(fā)明的電子稱重裝置的測(cè)量電路示意圖； 圖2是本發(fā)明的電子稱重裝置中，不同時(shí)間常數(shù)下，測(cè)量電路信號(hào)漂 移曲線3是本發(fā)明的電子稱重裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明的電子稱重裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種壓電感應(yīng)式電子稱重的測(cè)量電路，在 所述測(cè)量電路上設(shè)置有壓電傳感器110、電荷積分放大電路120、模數(shù)轉(zhuǎn)換 器130、單片機(jī)140、電源150、晶振160及顯示屏170,且所述單片機(jī)140 分別與所述電源150、晶振160、顯示屏170及模數(shù)轉(zhuǎn)換器130連接，所述 壓電傳感器110與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器130連接；其中，所述電源150為整個(gè) 測(cè)量電路提供電源，并受控于控制開關(guān)151,該電源為5伏直流電源；所述 晶振160為單片機(jī)140提供時(shí)鐘信號(hào)。所述壓電傳感器110為一壓電陶乾傳感器，該壓電傳感器110的外形 結(jié)構(gòu)呈圓形，直徑小于12mm,厚度小于3mm,受重后產(chǎn)生形變，并將改 變其阻抗，激勵(lì)電壓發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電荷。由于該感應(yīng)電荷量很小， 不能用 一般的儀表來進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)?一般的測(cè)量?jī)x表的輸入阻抗比較小， 壓電片上的電荷通過測(cè)量電路時(shí)會(huì)被輸入電阻迅速泄漏而引入測(cè)量誤差。 因此，所迷感應(yīng)電荷將被輸送至電荷積分力文大電路120中進(jìn)行》丈大處理。所述電荷積分放大電路120用以提高感應(yīng)電荷的高時(shí)間常數(shù)、低漏電 流以及避免時(shí)間漂移等。該電荷積分放大電路120由運(yùn)算放大器121、電容 C 122及電阻R123組成，所述電容C122的并接在所述運(yùn)算放大器121的 一個(gè)信號(hào)輸入端及信號(hào)輸出端上，所述電阻R 123的一端串接在所述運(yùn)算 放大器121的另一個(gè)信號(hào)輸入端，另一端接地，且運(yùn)算放大器121、電容C122及電阻R 123構(gòu)成一時(shí)間常數(shù)積分電路。鑒于壓電陶乾傳感器的時(shí)間特性可由下式表示其中E是壓電陶瓷傳感器輸出的電壓；t為時(shí)間；F為豸義載的受重壓 力；D壓電轉(zhuǎn)換系數(shù)和電荷放大系數(shù)的乘積；RC為測(cè)量電路充》文電時(shí)間常數(shù)。由公式(l)可以看出，時(shí)間常數(shù)越大，系統(tǒng)發(fā)生漏電的速度就越慢。 可見，當(dāng)測(cè)量電路等效時(shí)間常數(shù)大于一定值時(shí)，電荷泄漏對(duì)系鄉(xiāng)克的測(cè)量效 果影響并不大，本實(shí)施例中選用的運(yùn)算放大器121采用NJU70O9型，其輸 入阻抗為5*1012歐姆，通過電阻R 123的串接，運(yùn)算放大器121的輸入阻 抗達(dá)到1014歐姆；而電容122電容值為100納法，遠(yuǎn)小于壓電陶資傳感器 的電容，故電路等效電容為100納法，因此，理論上可獲得107^^、的時(shí)間常 數(shù)，如圖2所示，通過繪制測(cè)量信號(hào)隨著測(cè)量時(shí)間飄移的曲線，可以看出 時(shí)間常數(shù)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)性能的影響，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)表 示信號(hào)的保持程度，由百分比表示。附圖2中，曲線1表示時(shí)間常數(shù)為100的測(cè)量電路信號(hào)衰減圖，可以 看出，測(cè)量信號(hào)隨著時(shí)間快速衰減，難以準(zhǔn)確完成測(cè)量過程；曲線2表示 時(shí)間常數(shù)為104的測(cè)量電路信號(hào)衰減圖，在1800秒的橫坐標(biāo)范圍，其曲線 近似為線性，信號(hào)衰減已不明顯；而曲線3表示時(shí)間常凄t為105的測(cè)量電路 信號(hào)衰減圖，在圖中基本看不出衰減現(xiàn)象。因此，當(dāng)測(cè)量電i 各時(shí)間常數(shù)大 于等于105時(shí)，在1800妙的范圍內(nèi)已可以獲得比較穩(wěn)定的測(cè)量信號(hào)，該測(cè) 量信號(hào)可以滿足靜態(tài)環(huán)境下對(duì)測(cè)重力的測(cè)量需要。這樣，感應(yīng)電荷經(jīng)電荷積分放大電路120放大處理后輸出一模擬信號(hào)至所述模數(shù)轉(zhuǎn)^:器130。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器130將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù) 字信號(hào)輸出至所述單片機(jī)140,由該單片機(jī)140對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)中的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行擬合運(yùn)算，計(jì)算出所述電壓感應(yīng)傳感器110上所受到的承載力。 其中，所述單片機(jī)14G包括時(shí)間常數(shù)擬合單元141及運(yùn)算單元142,本 實(shí)施例中的單片機(jī)140采用ATMEG8型。所述時(shí)間常數(shù)擬合單元141用于 對(duì)數(shù)字信號(hào)中的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行擬合，并輸出擬合信號(hào)至所述運(yùn)算單元142, 與所述時(shí)間常數(shù)擬合單元連接，用于當(dāng)接收到擬合信號(hào)后對(duì)該擬合信號(hào)進(jìn) 行運(yùn)算處理，并輸出處理結(jié)果。所述時(shí)間常數(shù)擬合單元141采用最小二乘 擬合求得對(duì)時(shí)間常數(shù)，比如，負(fù)栽在壓電傳感器110上的承載力去除后將 產(chǎn)生感應(yīng)電荷并逐漸釋放，通過測(cè)量得到的信號(hào)衰減曲線，求得測(cè)量電路 的時(shí)間常數(shù)；當(dāng)在壓電傳感器110上加上承載力后，得到一條新的測(cè)量信 號(hào)曲線，并根據(jù)如圖2所示的t-E(t)數(shù)據(jù)結(jié)果及公式(1 )，反推獲得F,然 后根據(jù)測(cè)量精度需求，通過所述運(yùn)算單元142,并啟動(dòng)由時(shí)間常數(shù)導(dǎo)出的曲 線擬合算法，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)補(bǔ)償后得到的曲線重新承載力。例 如，在10秒的采樣區(qū)間，信號(hào)衰減幅度超過5%，此時(shí)測(cè)量精度就達(dá)不到 5%的需求，根據(jù)獲得的時(shí)間常數(shù)對(duì)實(shí)際測(cè)量曲線進(jìn)行補(bǔ)償，可以將10秒?yún)^(qū) 間信號(hào)衰減幅度減小至1%甚至更低。隨后，所述單片機(jī)140將計(jì)算獲得的 承載力輸出至顯示屏170上顯示，該顯示屏170上所顯示的數(shù)值即為壓電 傳感器IIO上所承受的承載力。本發(fā)明還提供了一種使用上述測(cè)量電路的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置， 如圖3所示，包括外殼腔體310、載物臺(tái)320、傳壓層330、支撐臺(tái)340及 測(cè)量電路350;所述外殼腔體310呈一方形結(jié)構(gòu)，厚度約為12mm,并且在 所述外殼腔體310的上表面上開設(shè)有一用于納置所述載物臺(tái)320的載物孔 311，用于納置設(shè)置于所示測(cè)量電路上的顯示屏的顯示孔312,及用于納置 電源開關(guān)按鈕的開關(guān)孔313,如圖4所示。所述支撐臺(tái)340設(shè)置在所述外殼腔體310內(nèi)，并置于所述載物孔310 的正下方，且在所述支撐臺(tái)340的上表面上設(shè)置有測(cè)量電路350部分的壓 電傳感器，該壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量電路350中的其他部分連接，比如，電荷積分放大電路，用于產(chǎn)生感應(yīng)電荷。在所述壓電傳感器110的上表面設(shè)置有傳壓層330,該傳壓層330是由 具有一定彈性的材料制成，在裝置進(jìn)行稱重時(shí)，用以形成一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境。 在所述傳壓層330的上表面設(shè)置有載物臺(tái)320,用于盛放待稱重物體。根據(jù) 稱重物體的需要，所述載物臺(tái)320可以制成平板狀、盤狀，且載物臺(tái)320 與傳壓層330之間采用可拆卸連接，便于更換不同形狀的載物臺(tái)。用于控制測(cè)量電路350的電源控制開關(guān)按鈕設(shè)置所述開關(guān)孔313上， 包括開啟按鈕及斷電按鈕，如圖4所示。綜上所述，本發(fā)明提供的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，通過在其測(cè)量電 路上設(shè)置一電荷積分放大電路，降低電荷漏電速度，從而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)環(huán)境下 的稱重測(cè)量，并且無需額外增加元器件，進(jìn)一步降低了生成成本；同時(shí)， 該稱重裝置體積小，便于攜帶。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以才艮據(jù)上述說明加以 改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù) 范圍。
權(quán)利要求
1、一種壓電感應(yīng)式電子稱重的測(cè)量電路，其特征在于，在所述測(cè)量電路上設(shè)有壓電傳感器，用于在受到壓力作用的情形下輸出感應(yīng)電荷；及電荷積分放大電路，與所述壓電傳感器連接，用于接收所述壓電傳感器輸出的感應(yīng)電荷，并對(duì)所述感應(yīng)電荷進(jìn)行放大處理后輸出模擬信號(hào)至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量電路，其特征在于，所述壓電傳感器 為壓電陶瓷傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所迷的測(cè)量電路，其特征在于，所述電荷積分放 大電路包括一運(yùn)算放大器，電容(C)及電阻(R)，所述運(yùn)算放大器的兩個(gè) 信號(hào)輸入端分別與所述壓電傳感器的兩端連接，用于對(duì)接收到的所述感應(yīng) 電荷進(jìn)行放大處理；所述電容(C)并聯(lián)聯(lián)接在所述運(yùn)算放大器的一個(gè)信號(hào) 輸入端及其信號(hào)輸出端；所述電阻(R)的一端串接在所述運(yùn)算放大器的另 一信號(hào)輸入端，所述電阻(R)的另一端接地。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)量電路，其特征在于，所述電容(C) 為聚苯乙烯電容，其容值為0.1微法；所述電阻(R)的阻值至少為1013歐 姆；所述運(yùn)算放大器的輸入阻抗為5 x 1012歐姆。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量電路，其特征在于，在所述測(cè)量電路 上還設(shè)有單片機(jī)，該單片機(jī)包括時(shí)間常數(shù)擬合單元，用于對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行 擬合，并輸出擬合信號(hào)；及運(yùn)算單元，與所述時(shí)間常數(shù)擬合單元連接，用 于當(dāng)接收到擬合信號(hào)后對(duì)該擬合信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并輸出處理結(jié)果。
6、 一種壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其特征在于，所述電子稱重裝置 包括一測(cè)量電路，在所述測(cè)量電路上設(shè)有壓電傳感器，其兩個(gè)信號(hào)輸入端 分別與所述壓電傳感器的兩端連接，用于在受到壓力作用的情形下輸出感 應(yīng)電荷；及電荷積分放大電路，與所述壓電傳感器連接，用于接收所述壓電傳感器輸出的感應(yīng)電荷，并對(duì)所述感應(yīng)電荷進(jìn)行放大處理后輸出模擬信 號(hào)至所迷模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其特征在于5 所述壓電傳感器為壓電陶瓷傳感器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其特征在于， 所述電荷積分放大電路包括一運(yùn)算放大器，電容(C)及電阻(R),所述運(yùn) 算放大器的兩個(gè)信號(hào)輸入端分別與所述壓電傳感器的兩端連接，用于對(duì)接 收到的所述感應(yīng)電荷進(jìn)行放大處理；所述電容(C)并聯(lián)聯(lián)接在所述運(yùn)算放 大器的一個(gè)信號(hào)輸入端及其信號(hào)輸出端；所迷電阻(R)的一端串接在所述 運(yùn)算放大器的另一信號(hào)輸入端，所述電阻(R)的另一端接地。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其特征在于， 所述電容(C)為聚苯乙烯電容，其容值為0.1微法；所述電阻(R)的阻 值至少為1013歐姆；所述運(yùn)算放大器的輸入阻抗為5 x 1012歐姆。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其特征在于， 在所述測(cè)量電路上還設(shè)有單片機(jī)，該單片機(jī)包括時(shí)間常數(shù)擬合單元，用于 對(duì)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行擬合，并輸出擬合信號(hào)；及運(yùn)算單元，與所述時(shí)間常數(shù)擬 合單元連接，用于當(dāng)接收到擬合信號(hào)后對(duì)該擬合信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，并輸 出處理結(jié)果。
11、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，其特征在于， 該電子稱重裝置還包括一載物臺(tái)，設(shè)置在所述壓電傳感器上，且與所述壓 電傳感器間采用接觸式拆卸連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電感應(yīng)式電子稱重的測(cè)量電路及其裝置，應(yīng)用于電子稱重領(lǐng)域，其中，在所述測(cè)量電路上設(shè)有壓電傳感器，用于在受到壓力作用的情形下輸出感應(yīng)電荷；及電荷積分放大電路，與所述壓電傳感器連接，用于接收所述壓電傳感器輸出的感應(yīng)電荷，并對(duì)所述感應(yīng)電荷進(jìn)行放大處理后輸出模擬信號(hào)至所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明提供的壓電感應(yīng)式電子稱重裝置，通過在其測(cè)量電路上設(shè)置一電荷積分放大電路，降低電荷漏電速度，從而實(shí)現(xiàn)靜態(tài)環(huán)境下的稱重測(cè)量，并且無需額外增加元器件，進(jìn)一步降低了生成成本；同時(shí)，該稱重裝置體積小，便于攜帶。
文檔編號(hào)G01G3/13GK101231187SQ20081006530
公開日2008年7月30日 申請(qǐng)日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者于淑會(huì), 靜 冷, 蓉 孫, 杜如虛, 謝小輝 申請(qǐng)人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院