一种基于宽频超声测距的测重方法与装置与流程

本发明属于测重工具，具体涉及一种基于宽频超声测距的测重方法与装置。

背景技术：

对于物体质量的估计和测量在生活中随处可见，应用广泛，也成为生活中不可或缺的一部分。小到测量轻巧物体的弹簧测力计，日常生活中的案秤，杆秤，电子秤，大到检测超限超载的测重仪，秤的实用性相当之大。比如超重货物的运输，超重货物运输是指实际装载的货物质量超过核定装载质量的运输车辆在公路上行驶的情况，核定装载质量主要针对车辆而言，特别是车辆结构的承载能力。作为车辆运行过程中装载货物质量的限制，从汽车性能和行车安全角度出发具有重大的意义。超载货物的运输不仅危及公路上其他车辆的行车安全，还严重损坏了公路，桥梁等基础设施，并且导致了道路运输市场的恶性竞争。因此，检测货车是否货物超载是非常有必要的。除此之外，日常生活中人们对健康以及外形美感的要求越来越高，体重控制也是健康管理的基础，现代家庭基本上都备有体重秤，以把握全家人的体重情况。对于减肥人士，体重秤也是不可或缺的。

秤又分为机械秤和电子秤，机械秤主要是弹簧秤，也就是指针秤。机械秤的主要部件有弹簧，枢轴，齿轮齿条，重物放在台面上导致弹簧向下压缩，弹簧的上下运动通过一根枢轴转换成侧向的水平运动，水平运动传递到齿轮齿条装置，齿轮齿条转换装置将传递过来的水平运动转换成圆周运动，从而使指针表盘旋转。这种指针体重秤寿命长，实用性强，但是由于机械传动，部件的摩擦配合间隙等问题，精度不会太高。电子秤的主要部件有称重传感器，放大滤波电路，AD转换模块。当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号，信号输入模数转换器进行后续读数处理。电子秤体积小，重量轻，准确度高，读数连续快速，目前广泛使用，但同时也存在一些问题，比如电路板很容易因为承受压力过大坏掉，防水效果差，使用寿命短。如果可以减少机械秤里机械传动等影响精度的流程，直接利用弹簧的压缩量得到物体的重量，这样可以避免电子秤存在的一系列问题也解决了机械秤存在的精度问题。

弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件，弹簧在受到压力时能产生较大的形变，把机械能转变为变形能，制作弹簧的主要材料有不锈钢弹簧丝，优质碳素弹簧钢丝，耐疲劳合金弹簧钢丝等，常用的测重弹簧一般为螺旋弹簧中的压缩弹簧。如果采用防锈的弹性形变能力好的弹簧，当有重物间接作用于弹簧上时，通过超声测距模块测得弹簧的形变量，再通过信号处理模块得到物体的重量，简单直接的反映了物体的重量，不用担心压力传感器失灵，也不存在因为各种机械传动导致的精度不足问题，而且可以通过显示屏直接快速读数。除此之外，这种超声测重的方式同时也适用于超载货车的检测，此时可以用刚性比较强可以承受强压力的弹簧，效率高稳定性强。

技术实现要素：

为克服现有的电子秤易损坏，精度低，读数不准等问题，本发明提供了一种基于宽频超声测距的测重方法与装置。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种基于宽频超声测距的测重装置，包括承重托盘、弹簧、发送超声换能器、接收超声换能器、超声耦合液和密闭容器，所述密闭容器位于承重托盘下方，弹簧垂直设置于所述托盘下端，且弹簧位于密闭容器中，密闭容器中装有所述超声耦合液，弹簧浸泡中超声耦合液中；由于超声在空气中传播衰减非常厉害，所以在密闭容器与托盘间内置绝缘的超声耦合液，该耦合液最好可以使浸泡在其中的弹簧不易生锈，那么超声传播中能量不会有太大衰减，对弹簧也会有一定的保护；密闭容器底部设有发送超声换能器和接收超声换能器；当有货物放置于承重托盘上，弹簧发生形变并能带动承重托盘向下容器下方的方向运动，平衡之后发送超声换能器发出的信号经过承重托盘下端反射回来，接收超声换能器把接收到的信号经过数据处理模块处理后，根据收发信号之间的延时计算出弹簧的形变量，由形变量转换可得到货物的重量。所述发送超声换能器、接收超声换能器的工作频带根据具体情况来选择，可以是带宽比较宽的压电超声换能器，也可以是电容微加工超声换能器。

进一步地，所述弹簧有一根或者多。所述弹簧根据货物重量来选择，弹簧的载荷与变形之比称为弹簧刚度，刚度越大，则弹簧越硬。对于一般的重量比如人的体重用一般碳素弹簧钢丝，不需要太大的刚度即可，上吨的货物比如用来检测货车货物超载则需使用高应力的弹簧。所述托盘用来放置待测重物，弹簧垂直设置于所述托盘下端。

进一步地，所述数据处理模块包括数据处理后台，AD转换器和DA转换器，功率放大器和低噪声放大器，电源和重量数据显示器；所述数据处理后台用于宽频信号的产生并且根据收发信号的时延算出弹簧的形变量，继而得到货物的重量；数据处理后台包括控制单元、存储单元、显示器和信号处理单元，控制单元控制整个装置的测量过程的进行；所述AD转换器用于将模拟信号转化成数字信号便于数据处理后台处理，所述DA转换器用于将数字信号转化成模拟信号；所述功率放大器用于放大DA转换器转换的模拟信号，所述低噪声放大器用于放大从接收超声换能器传送过来的信号，所述电源用于给整个装置供电。

进一步地，由弹簧的形变量得到货物重量由以下公式得到：，其中 弹簧线材的钢性模数； 弹簧线径； 弹簧外径； 弹簧内径； 弹簧中径； 弹簧总圈数； 弹簧有效圈数； 的单位为。

利用所述基于宽频超声测距的测重装置的测重方法，其包含以下步骤：

步骤1. 待测重物放在承重托盘上，此时打开电源，数据处理后台发送一个宽频信号，信号是线性或非线性的，送到DA转换器，数字信号变成了模拟信号，然后信号通过一个功率放大器进行放大；

步骤2. 通过功率放大器的信号被发送到发送超声换能器，换能器将电信号转变成声信号，弹簧此时处于压缩状态，超声在耦合液中传播，碰到承重托盘底端反射回来，接收超声换能器接收到反射回来的信号；

步骤3. 接收超声换能器接收到返回的信号，通过一个低噪声放大器放大信号便于进行后续处理，这个放大后的信号经过一个AD转换器，把模拟信号转变成数字信号，最后送到数据处理后台；

步骤4. 数据处理后台已存储好弹簧原长，并且会将收发信号之间的延时转化成距离，继而得到弹簧的形变量，数据处理后台会将其转化成重量并且输出到显示器，从而得到重量数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过超声直接测量弹簧的形变量，减少以往因为各种机械传动引起的误差，精度有所提高，而且对于上吨的货物也比较适用，相对于检测货物是否超载的测量仪成本低，效率高。

2、这种超声测重装置抗压，防水，寿命高，相对于一般电子秤更耐用，读数更加稳定。

3、用宽频信号进行超声测距的精度比较高，因此测出的重物的测量精度相对较高。

附图说明

图1是本发明所述的基于宽频超声测距的测重装置的超声压力转换模块示意图；

图2是本发明所述的各种信号处理示意图；

图3是本发明实施例的数据处理后台的框图；

图4是本发明实施例的测重步骤流程图。

具体实施方式

本实施例结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

一种基于宽频超声测距的测重装置，包括超声压力转换模块和数据处理模块。超声压力转换模块与数据处理模块以有线的方式连接。

如图1所示，是所述的超声压力转换模块，包括承重盘101，由于弹簧会压缩，所以托盘两端是可以滑动于下端容器102的两端。超声需要在耦合液中传播才不至于能量衰减太多，所以容器102中放置可供超声传播的耦合液103，图中放置三根弹簧104，所述弹簧防锈，根据货物重量不同选择不同型号弹簧，材料大多选择优质碳素钢，弹簧的数量可以是一根也多以是多根，如果选择图中三根弹簧，则弹簧型号应该保持一致，而且受力均匀。发送换能器105和接收换能器106是整个模块中最核心关键的器件，内置于装置底端，用于发出超声信号，并且接收从承重托盘底端反射回来的信号。

如图2所示，是所述的各种信号处理框图，包括201数据处理后台，DA转换器202和AD转换器205，功率放大器203和低噪声放大器204，电源206。数据处理后台首先会发出一个宽频信号，经过DA转换器由数字信号变成模拟信号，便于换能器处理电信号，所以在DA转换器后加入了一个功率放大器。从换能器接收回来的信号相比原信号必然有能量损失或许还夹杂着无用的噪声信号，所以接入了一个低噪声放大器处理接收回来的信号。信号放大之后经过AD转换器，送往数据处理后台。

所述基于宽频超声测距的测重方法为：货物放置于承重托盘上后，数据处理后台发出一个宽频信号，可以是线性调频信号也可以是非线性调频信号，经过所述的DA转换模块，再经过一个功率放大器发送到发送超声换能器，当接收超声换能器收到反射回来的超声信号，换能器将其转变成电信号，通过所述的低噪声放大器和AD转化器送到数据处理后台，利用宽频信号的时延计算方法计算延时，数据处理后台已经存储弹簧原长，综合原长可得到弹簧形变量，继而得到货物重量。所述的时延计算方法有自相关法，MPOC方法等等。

如图3所示，是本发明实施例数据处理后台的框图，数据处理后台用于对系统进行整体的控制，发出信号并且处理返回的信号，数据处理后台可以采用现有的控制器或控制芯片等实现，可包括控制单元、信号处理单元、存储单元、显示器。存储单元事先会存储好弹簧的各种参数，以及收发信号的时间。通过显示器直接读出货物重量。宽频信号的时延计算方法以MPOC方法为例（以为仅为举例，各变量的含义可参考现有信号处理技术的常规表达，不再赘述）。

下面结合图4，对超声测重步骤进行描述：

步骤1. 待测重物放在承重托盘上，此时打开电源，数据处理后台发送一个宽频信号 ，可以是线性的也可以是非线性的，送到DA转换器，数字信号变成了模拟信号，然后信号通过一个功率放大器进行放大。

步骤2. 通过功率放大器的信号被发送到发送超声换能器，换能器将电信号转变成声信号，弹簧此时处于压缩状态，超声在耦合液中传播，碰到承重托盘底端反射回来，接收超声换能器接收到反射回来的信号 。

步骤3. 接收超声换能器接收到返回的信号，通过一个低噪声放大器放大信号便于进行后续处理，这个放大后的信号经过一个AD转换器，把模拟信号转变成数字信号，最后送到数据处理后台。

步骤4. 数据处理后台已存储好弹簧原长，并且会将收发信号之间的延时转化成距离，继而可以得到弹簧的形变量，数据处理后台会将其转化成重量并且输出到显示器，这样就可以得到我们需要的结果。