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比较广泛。相对其他的传感器结构形式具有特别的优势,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。
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:
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全部对称,因此传感器不同方向的倾斜输出误差曲线其实是不同的;
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。
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。
称重传感器组件及称重方法与流程:
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。
提供一种称重传感器组件,上承压面;
下承压面,与上承压面相对;
弹性元件,具有中心轴,位于上承压面与下承压面之间,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,设置述弹性元件的应变区域内,主应变单元测量弹性元件的一形变量,一形变量用于获得称重输出;
次应变单元,设置于弹性元件的应变区域内,次应变单元与中心轴成一角度,次应变单元测量弹性元件的二形变量,一角度 是通过设置倾斜角度与弹性元件的二形变量满足单调函数关系来获得的;
计算单元,计算单元用于根据二形变量来计算称重误差并将称重误差对称重输出进行修正。
称重误差与二形变量之间满足二次函数关系。
主应变单元至少包括两个主应变元件,两个主应变元件相对设置在弹性元件的两侧。
次应变单元设置在弹性元件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,分别用于测量弹性元件的一补偿形变量和二补偿形变量,二形变量包括一补偿形变量和二补偿形变量。
次应变元件包括与中心轴成一角度的三电阻丝栅。
当需要进行误差补偿的倾斜角度为-5°至5°时,一角度为5°至85°。
根据本发明的又一方面,还提供一种的称重方法,用于称重传感器,包括:
采集主应变单元输出的一形变量;
采集次应变单元输出的二形变量;
根据一形变量来计算称重输出;
根据二形变量来计算称重误差;以及根据称重误差修正称重输出。
二形变量计算称重误差包括:
二形变量计算等效倾斜角度;以及根据等效倾斜角度计算称重误差。
次应变单元包括设置在弹性元件的两个非平行的平面上的至少两个次应变元件,用于感测弹性元件的一补偿形变量和二补偿形变量,等效倾斜角度包括对应于一补偿形变量的一补偿角度以及对应于二补偿形变量的二补偿角度,其中,
根据如下公式计算二角度:
其中,β1为一补偿角度,β2为二补偿角度;k1、k2、c1、c2为常数;ε1一补偿形变量,ε2为二补偿形变量。
根据如下公式计算称重误差:
其中,δspan为称重误差;a、b、c、d、e及f为补偿参数;β1为一补偿角度;β2为二补偿角度。
称重误差与二形变量之间满足二次函数关系。
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,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的提供进一步的解释。