CN114935390B - 一种偏载误差补偿用称重测力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器控制领域，提供一种偏载误差补偿用称重测力传感器，包括外壳和感应电路，所述感应电路包括分别设置有测量件的第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和基准电路；第一电路的一端连接第一信号，第二电路的一端连接第二信号，第三电路的一端连接第三信号，第四电路的一端连接第四信号，基准电路的一端连接基准信号；第一电路的另一端、第二电路的另一端、第三电路的另一端和第四电路的另一端均连接所述基准电路的另一端后接地；第一电路、第二电路、第三电路和第四电路至少感应两个不同应变区的压力，基准电路感应所述外壳的非应变区的压力；基准信号分别与第一信号、第二信号、第三信号和第四信号均构成差分信号。

Description

一种偏载误差补偿用称重测力传感器

技术领域

本发明属于传感器控制领域，具体涉及一种偏载误差补偿用称重测力传感器。

背景技术

电阻应变式传感器是以电阻应变计和弹性元件为转换元件，通过如图1所示的惠斯顿电桥将力值大小转变为电压信号的电阻式传感器。这类传感器由于具有精度高，测量范围广，寿命长，结构简单等优点被广泛应用于称重测力传感器领域。

在实际使用中，称重测力传感器安装在秤台的下方，当在秤台上不同位置加载物体时，称重测力传感器上的受力是不一样的，因此产生了偏载误差。为了修正称重设备的偏载误差，人们通过调整传感器的修正系数实现称重设备的偏载修正。对于多传感器的称重设备是通过调整关联各个出去的修正系数来实现偏载误差修正。对于单传感器的称重设备，一般是通过锉刀修锉称重测力传感器弹性元件应变梁的壁厚来实现偏载误差修正。在修挫时，完全依靠操作人员的生产经验，对员工的修挫技术要求比较高，费时费力，并且这种方法仅限于平行梁结构的称重测力传感器，在满足实际应用需求方面具有很多局限性。

随着生产成本的提高，传感器智能化的需求增加，如何提高生产效率，缩短生产周期，并简化称重测力传感器的偏载误差修正，是当前称重测力传感器生产厂家面临的一个重大挑战。

发明内容

本发明提供一种偏载误差补偿用称重测力传感器，用于解决现有技术中，单称重测力传感器直接采用惠斯顿电桥，出现的偏载误差问题。

本发明的基础方案为：一种偏载误差补偿用称重测力传感器，包括外壳和感应电路，所述外壳具有弹性，所述感应电路包括：第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和基准电路；第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和基准电路均设置有测量件；

第一电路的一端连接第一信号，第二电路的一端连接第二信号，第三电路的一端连接第三信号，第四电路的一端连接第四信号，基准电路的一端连接基准信号；第一电路的另一端、第二电路的另一端、第三电路的另一端和第四电路的另一端均连接所述基准电路的另一端，后接地；

第一电路和第三电路感应所述称重测力传感器外壳的同一应变区，第二应变区和第四应变区感应所述称重测力传感器外壳的同一应变区，所述第一电路、第二电路感应所述称重测力传感器外壳的不同应变区，所述基准电路感应所述外壳的非应变区；所述基准信号分别与第一信号、第二信号、第三信号和第四信号均构成差分信号。

进一步，第一电路的接地端、第二电路的接地端、第三电路的接地端和第四电路的接地端连接同一个接地端口，所述接地端口与所述基准电路连接后接地。

进一步，第一电路的接地端和第四电路的接地端连接同一个第一接地端口，第二电路的接地端和第三电路的接地端连接同一个第二接地端口，第一接地端口和第二接地端口分别通过导线与基准电路的基准接地端口连接，基准接地端口接地，第一接地端口与第二接地端口为不同端口。

进一步，第一电路和第三电路感应所述称重测力传感器的外壳的压应变区的压力，第二电路和第四电路感应所述称重测力传感器的外壳的拉应变区的拉力。

进一步，所述第一信号、第二信号、第三信号、第四信号和基准信号均为恒流激励。

进一步，第一电路、第二电路、第三电路和第四电路中的测量件包括至少一个应变片，所述基准电路中的测量件包括至少一个应变片或电阻。

进一步，所述外壳还包括具有弹性的基台，所述基台的一侧设有测量腔，基台的另一侧设有PCB板；所述基台顶部靠近测量腔的一侧设有承重部，基台顶部靠近PCB板的一侧设有固定部；所述测量件为应变片，所述应变片分布于所述测量腔中。

进一步，所述第一电路、第二电路、第三电路和第四电路中的应变片在测量腔中呈周向均匀对称分布，所述基准电路中的应变片安装于所述测量腔的非应变区。

进一步，所述PCB板包括数据处理单元、数据采集单元、存储单元和输出单元；

所述数据采集单元，采集第一信号和基准信号之间的第一差分电压信号，采集第二信号和基准信号之间的第二差分电压信号，采集第三信号和基准信号之间的第三差分电压信号，采集第四信号和基准信号之间的第四差分电压信号，将所述第一差分电压信号、第二差分电压信号、第三差分电压信号和第四差分电压信号均发送给数据处理单元；

所述存储单元，用于存储所述第一电路的第一角差系数、所述第二电路的第二角差系数、第三电路的第三角差系数和第四电路的第四角差系数；

所述数据处理单元，用于根据存储单元中的第一角差系数、第二角差系数、第三角差系数和第四角差系数，结合所述数据采集单元发送的第一差分电压信号、第二差分电压信号、第三差分电压信号和第四差分电压信号，计算得到称重结果信息；

输出单元，用于输出所述数据处理单元发送的称重结果信息。

进一步，所述PCB板还包括输入模块和预处理模块；

所述输入模块，用于输入当前加载重量信息和当前加载位置信息；

所述预处理模块，用于根据所述数据采集单元发送的第一差分电压信号、第二差分电压信号、第三差分电压信号和第四差分电压信号，结合所述输入模块输入的当前加载重量信息和当前加载位置信息，计算得出第一电路的第一角差系数、所述第二电路的第二角差系数、第三电路的第三角差系数和第四电路的第四角差系数，并发送给所述存储模块进行存储。

本方案中通过基准电路，测量各个电路与基准电路之间的差分信号，通过这些差分信号从而了解到称重测力传感器在各个位置的偏差，进而便于调整称重测力传感器最终的输出值。在现有称重测力传感器的基础上，通过设置多个差分信号来便于消除多个不同的角度对输出值的影响，进而通过PCB板来实现具体的偏载误差补偿，具体通过，预测的多个交叉系数与测量值，进行误差补偿的计算，最终得到偏载误差补偿后的输出值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图1是背景技术中提及的称重测力传感器的电路结构图；

图2为本发明一种偏载误差补偿用称重测力传感器实施例的一种电路示意图；

图3为本发明一种偏载误差补偿用称重测力传感器实施例的一种电路示意图；

图4是本发明一种偏载误差补偿用称重测力传感器实施例的称重测力传感器的结构图；

图5是本发明一种偏载误差补偿用称重测力传感器实施例的称重测力传感器中PCB板的模块示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种偏载误差补偿用称重测力传感器，如图2和图3所示，包括外壳和感应电路，所述外壳具有弹性，所述感应电路包括：第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和基准电路；第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和基准电路均设置有测量件。

第一电路的上端连接第一信号SIG_1，第二电路的上端连接第二信号SIG_2，第三电路的下端连接第三信号SIG_3，第四电路的下端连接第四信号SIG_4，基准电路的上端连接基准信号SIG_0；第一电路的下端、第二电路的下端、第三电路的上端和第四电路的上端均连接所述基准电路的下端，后接地GND。

第一电路和第三电路感应所述称重测力传感器外壳的同一应变区，第二应变区和第四应变区感应所述称重测力传感器外壳的同一应变区，所述第一电路、第二电路感应所述称重测力传感器外壳的不同应变区，所述基准电路的测量件感应所述外壳的非应变区；所述基准信号SIG_0分别与第一信号SIG_1、第二信号SIG_2、第三信号SIG_3和第四信号SIG_4均构成差分信号。其中，所述基准电路的测量件感应外壳非应变区的拉力和压力，所述的非应变区即零应变区，是加载承重时该区域的拉力和压力几乎没有应变变化。

在一些示例中，如图2所示，第一电路的接地端、第二电路的接地端、第三电路的接地端和第四电路的接地端连接同一个接地端口，所述接地端口与所述基准电路连接后接地GND。

在一些示例中，如图3所示，第一电路的接地端和第四电路的接地端连接同一个第一接地端口，第二电路的接地端和第三电路的接地端连接同一个第二接地端口，第一接地端口和第二接地端口分别通过导线与基准电路的基准接地端口连接，基准接地端口接地，第一接地端口与第二接地端口为不同端口。

在一些示例中，第一电路和第三电路感应所述称重测力传感器的外壳的压应变区的压力，第二电路和第四电路感应所述称重测力传感器的外壳的拉应变区的拉力。

在一些示例中，如图2和图3所示，第一信号SIG_1、第二信号SIG_2、第三信号SIG_3、第四信号SIG_4和基准信号SIG_0均为恒流激励，所加的恒定激励电流范围在0.2mA到17mA之间。

在一些示例中，所述测量件包括应变片和/或电阻，每个测量件包括至少一个应变片或电阻，至少一个测量件包括应变片。也就是说，在承重力传感器中是不允许所有的测量件均为电阻，或所有的测量件全部由多个电阻构成的。

具体的，测量件分别是第一测量件G1，第二测量件G2，第三测量件G3、第四测量件G4和基准测量件G0。并且，第一测量件G1、第二测量件G2、第三测量件G3和第四测量件G4均包括一个或多个应变片，基准测量件G0可以是由一个电阻构成，也可以是由多个电阻构成，亦或是由一个应变片构成，或者多个应变片构成，再或者是由应变片和电阻构成的。在一些示例中，第一测量件G1、第二测量件G2、第三测量件G3和第四测量件G4还可以设置为应变片和电阻构成的电路结构。

在一些示例中，如图4所示，外壳还包括具有弹性的基台1，所述基台1的一侧设有测量腔2，基台1的另一侧设有PCB板3；所述基台1顶部靠近测量腔2的一侧设有承重部4，基台1顶部靠近PCB板3的一侧设有固定部5；所述测量件均为应变片，所有应变片分布于所述测量腔中。

进一步的，与第一信号SIG_1相连的第一电路、与第二信号SIG_2相连的第二电路、与第三信号SIG_3相连的第三电路和与第四信号SIG_4相连的第四电路中，应变片在测量腔2中呈周向均匀对称分布，第一电路和第三电路的应变片所在的测量件感应外壳压应变区的压力，第二电路和第四电路的应变片所在的测量件感应外壳拉应变区的拉力；所述与基准信号SIG_0相连的基准电路中，应变片所在的测量件安装于所述测量腔2的非应变区。

在一些示例中，如图5所示，所述PCB板3包括数据处理单元33、数据采集单元31、存储单元32和输出单元34。

所述数据采集单元31，采集第一信号SIG_1和基准信号SIG_0之间的第一差分电压信号V1，采集第二信号SIG_2和基准信号SIG_0之间的第二差分电压信号V2，采集第三信号SIG_3和基准信号SIG_0之间的第三差分电压信号V3，采集第四信号SIG_4和基准信号SIG_0之间的第四差分电压信号V4，将所述第一差分电压信号V1、第二差分电压信号V2、第三差分电压信号V3和第四差分电压信号V4均发送给数据处理单元33；

所述存储单元32，用于存储所述第一电路的第一角差系数a、所述第二电路的第二角差系数b、第三电路的第三角差系数c和第四电路的第四角差系数d；

所述数据处理单元33，用于根据存储单元32中的第一角差系数a、第二角差系数b、第三角差系数c和第四角差系数d，结合所述数据采集单元31发送的第一差分电压信号V1、第二差分电压信号V2、第三差分电压信号V3和第四差分电压信号V4，计算得到称重结果信息；

所述输出单元34，用于输出所述数据处理单元33发送的称重结果信息。

进一步的，所述PCB板3还包括输入模块35和预处理模块36。所述输入模块35，用于输入当前加载重量信息和当前加载位置信息；所述预处理模块36，用于根据所述数据采集单元31发送的第一差分电压信号V1、第二差分电压信号V2、第三差分电压信号V3和第四差分电压信号V4，结合所述输入模块35输入的当前加载重量信息和当前加载位置信息，计算得出第一电路的第一角差系数a、所述第二电路的第二角差系数b、第三电路的第三角差系数c和第四电路的第四角差系数d，并发送给所述存储模块32进行存储。

具体的，在实施时，通过预处理模块36计算出各个电路的角差系数。以四个测量电路为例，包括以下步骤：

S1，外壳的承重部4的外力施加为0(F＝0)，分别获取各个差分电压信号的零点输出，第一差分电压信号V1的零点输出V1_0，第二差分电压信号V2的零点输出V2_0，第三差分电压信号V3的零点输出V3_0，第四差分电压信号V4的零点输出为V4_0。

S2，将已知重量的砝码加载于测试台面中心，得到各差分电压信号的第一组输出与零点输出相减，得到V1_1～V4_1，具体为，测试得到的第一差分电压信号V1与零点输出V1_0之间的差值V1_1，测试得到的第二差分电压信号V2与零点输出V2_0之间的差值V2_1，测试得到的第三差分电压信号V3与零点输出V3_0之间的差值V3_1，测试得到的第四差分电压信号V4与零点输出V4_0之间的差值V4_1。

S3，将已知重量的砝码加载于测试台面第一个边角上，得到各差分电压信号第二组输出与零点输出相减，得到V1_2～V4_2，具体为，测试得到的第一差分电压信号V1与零点输出V1_0之间的差值V1_2，测试得到的第二差分电压信号V2与零点输出V2_0之间的差值V2_2，测试得到的第三差分电压信号V3与零点输出V3_0之间的差值V3_2，测试得到的第四差分电压信号V4与零点输出V4_0之间的差值V4_2。

S4，将已知重量的砝码加载于测试台面第二个边角上，得到各差分电压信号第二组输出与零点输出相减，得到V1_3～V4_3，具体为，测试得到的第一差分电压信号V1与零点输出V1_0之间的差值V1_3，测试得到的第二差分电压信号V2与零点输出V2_0之间的差值V2_3，测试得到的第三差分电压信号V3与零点输出V3_0之间的差值V3_3，测试得到的第四差分电压信号V4与零点输出V4_0之间的差值V4_3。

S5，将已知重量的砝码加载于测试台面第三个边角上，得到各差分电压信号第二组输出与零点输出相减，得到V1_4～V4_4，具体为，测试得到的第一差分电压信号V1与零点输出V1_0之间的差值V1_4，测试得到的第二差分电压信号V2与零点输出V2_0之间的差值V2_4，测试得到的第三差分电压信号V3与零点输出V3_0之间的差值V3_4，测试得到的第四差分电压信号V4与零点输出V4_0之间的差值V4_4。

S6，求解如下方程得到各应变计的角差系数a,b,c,d，

S7，将S6中得出的第一电路的第一角差系数a、所述第二电路的第二角差系数b、第三电路的第三角差系数c和第四电路的第四角差系数d，并发送给所述存储模块32进行存储。

并且，数据处理单元33根据存储单元32中的第一角差系数a、第二角差系数b、第三角差系数c和第四角差系数d，结合所述数据采集单元31发送的第一差分电压信号V1、第二差分电压信号V2、第三差分电压信号V3和第四差分电压信号V4，计算得到称重结果信息，即传感器输出值V0；计算过程具体为，V0＝aV1′+bV2′+cV3′+dV4′。其中，V1′～V4′是V1～V4经AD转换后的数值。

本案利用星型电路，在进行工作时，在进行工作时，将星型电路中第一电路、第二电路、第三电路和第四电路的公共端直接或间接地接地，电路优先采用恒流激励替代原先的恒压激励，解决了在传统设计中应变片在不同电场强度下，高电压下的应变片的测量阻值相较于实际阻值偏差更大，导致的称重测传感器不稳定的问题，减小了应变片测量电桥的漂移问题，提高了输入端的EMC抗扰度，从而保证了传感器的精度和稳定性。同时，在没有增加电桥数的情况下实现了偏载误差补偿，成本增加较小；在生产制造环节省去机械磨削等人工环节，节省了人工，不需要增加重心和角差关系的测量和记录工序，提高了生产效率。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (7)

1.一种偏载误差补偿用称重测力传感器，其特征在于，包括外壳和感应电路，所述外壳具有弹性，所述外壳包括具有弹性的基台，所述基台的一侧设有测量腔，基台的另一侧设有PCB板；所述基台顶部靠近测量腔的一侧设有承重部，基台顶部靠近PCB板的一侧设有固定部；所述感应电路包括：第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和基准电路；第一电路、第二电路、第三电路、第四电路和基准电路均设置有测量件；所述测量件为应变片，所述应变片分布于所述测量腔中，所述PCB板包括数据处理单元、数据采集单元、存储单元、输出单元、输入模块和预处理模块；

第一电路的一端连接第一信号，第二电路的一端连接第二信号，第三电路的一端连接第三信号，第四电路的一端连接第四信号，基准电路的一端连接基准信号；第一电路的另一端、第二电路的另一端、第三电路的另一端和第四电路的另一端均连接所述基准电路的另一端，后接地；

第一电路和第三电路感应所述称重测力传感器外壳的同一应变区，第二应变区和第四应变区感应所述称重测力传感器外壳的同一应变区，所述第一电路、第二电路感应所述称重测力传感器外壳的不同应变区，所述基准电路感应所述外壳的非应变区；所述基准信号分别与第一信号、第二信号、第三信号和第四信号均构成差分信号；

所述数据采集单元，采集第一信号和基准信号之间的第一差分电压信号，采集第二信号和基准信号之间的第二差分电压信号，采集第三信号和基准信号之间的第三差分电压信号，采集第四信号和基准信号之间的第四差分电压信号，将所述第一差分电压信号、第二差分电压信号、第三差分电压信号和第四差分电压信号均发送给数据处理单元；

所述存储单元，用于存储所述第一电路的第一角差系数、所述第二电路的第二角差系数、第三电路的第三角差系数和第四电路的第四角差系数；

所述数据处理单元，用于根据存储单元中的第一角差系数、第二角差系数、第三角差系数和第四角差系数，结合所述数据采集单元发送的第一差分电压信号、第二差分电压信号、第三差分电压信号和第四差分电压信号，计算得到称重结果信息；

输出单元，用于输出所述数据处理单元发送的称重结果信息；

所述输入模块，用于输入当前加载重量信息和当前加载位置信息；

所述预处理模块，用于根据所述数据采集单元发送的第一差分电压信号、第二差分电压信号、第三差分电压信号和第四差分电压信号，结合所述输入模块输入的当前加载重量信息和当前加载位置信息，计算得出第一电路的第一角差系数、所述第二电路的第二角差系数、第三电路的第三角差系数和第四电路的第四角差系数，并发送给所述存储单元进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种偏载误差补偿用称重测力传感器，其特征在于：第一电路的接地端、第二电路的接地端、第三电路的接地端和第四电路的接地端连接同一个接地端口，所述接地端口与所述基准电路连接后接地。

3.根据权利要求1所述的一种偏载误差补偿用称重测力传感器，其特征在于：第一电路的接地端和第四电路的接地端连接同一个第一接地端口，第二电路的接地端和第三电路的接地端连接同一个第二接地端口，第一接地端口和第二接地端口分别通过导线与基准电路的基准接地端口连接，基准接地端口接地，第一接地端口与第二接地端口为不同端口。

4.根据权利要求1所述的一种偏载误差补偿用称重测力传感器，其特征在于：第一电路和第三电路感应所述称重测力传感器的外壳的压应变区的压力，第二电路和第四电路感应所述称重测力传感器的外壳的拉应变区的拉力。

5.根据权利要求1所述的一种偏载误差补偿用称重测力传感器，其特征在于：所述第一信号、第二信号、第三信号、第四信号和基准信号均为恒流激励。

6.根据权利要求1所述的一种偏载误差补偿用称重测力传感器，其特征在于：第一电路、第二电路、第三电路和第四电路中的测量件包括至少一个应变片，所述基准电路中的测量件包括至少一个应变片或电阻。

7.根据权利要求1所述的一种偏载误差补偿用称重测力传感器，其特征在于：所述第一电路、第二电路、第三电路和第四电路中的应变片在测量腔中呈周向均匀对称分布，所述基准电路中的应变片安装于所述测量腔的非应变区。