传感天线、张力测量装置及负载计量系统的制作方法

传感天线、张力测量装置及负载计量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种传感天线，包括具有密封通道的弹性材料体和位于所述密封通道内的常温液态金属；所述弹性材料体用于设置在被测物体上，当受到张力作用时，所述弹性材料体中的密封通道能够随被测物体的变形而产生对应的变形量，所述液态金属能够在所述密封通道内流动，使得所述传感天线的谐振频率与所述密封通道的变形量对应。此外，本发明还公开了一种包含上述天线的张力测量装置和负载计量系统。本发明公开的技术方案，能够应用于活动物体或旋转物体上。
【专利说明】传感天线、张力测量装置及负载计量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及张力测量领域，特别是一种传感天线、张力测量装置及传送系统的负载计量系统。
【背景技术】
[0002]张力测量装置是一种用于测量物体张力的设备，具体可用于进行压力测量、负载测量、生物学测量及结构性能监控等。通常情况下，张力测量仪包括一个传感元件和一个测量元件，且传感元件与计算元件之间通过金属导线连接。该传感元件可以是一个位于绝缘弹性材料上的金属箔，使用时将该带有金属箔的弹性材料粘贴到物体表面，当物体变形时，带动该金属箔变形，从而引起金属箔的电阻变化，测量元件通过测量该金属箔的电阻变化计算出物体的变形情况。
[0003]但上述这种张力测量装置无法应用于活动的物体或旋转的物体上。以物料传送系统为例，为了对物料进行计量，需要在负载传输装置，如物料传送带上间隔布置多个传感元件，每个传感元件设置在一个设定的单位区域内，而由于传感元件和测量元件之间通过导线连接，这样随着负载传输装置的移动，各传感元件与测量元件之间的导线连接就会发生缠绕。这不仅影响信号传输，还有可能使张力测量装置损坏。
[0004]为了解决这个问题，目前张力测量装置中的传感元件通常为压阻薄膜式的传感元件，例如，为位于塑料或不锈钢支撑体上的娃制元件或陶瓷制元件，且该传感元件通过导线与外部的测量元件，如惠斯通电桥(Wheatstone bridge)相连。由于传感元件和测量元件之间连接有导线，因此通常将传感元件布置在负载传送装置的外侧，且与负载传送装置保持分离状态。同时需要设置一个额外的机械支撑结构，用于将负载传送装置上的负载压力传导到传感元件上。可见，这种测量方式会增加安装复杂度，且由于负载压力经过了中间的传递环节，使得测量结果不够准确。

【发明内容】

[0005]有鉴于此，本发明一方面提出了一种传感天线，另一方面提出了一种张力测量装置及应用于传送系统的负载计量系统，以便使张力测量装置不仅可以应用于静止物体上，也可直接应用于活动物体或旋转物体上。
[0006]本发明提出的传感天线，包括:具有密封通道的弹性材料体和位于所述密封通道内的常温液态金属；
[0007]所述弹性材料体用于设置在能够变形的被测物体上，当受到张力作用时，所述弹性材料体中的密封通道能够随被测物体的变形而产生对应的变形量，所述液态金属能够在所述密封通道内流动，使得所述传感天线的谐振频率与所述密封通道的变形量对应。
[0008]本发明的一个实施方式中，所述张力传感天线为双极天线，所述弹性材料体上的密封通道为两个，构成所述天线的双极。
[0009]优选，所述天线为无源天线。[0010]本发明的一个实施方式中，所述常温液态金属为共晶铟镓合金EGaIn。
[0011]本发明的一个实施方式中，所述弹性材料体由硅胶、橡胶材料或塑胶材料制成。
[0012]本发明的一个实施方式中，所述弹性材料体为聚二甲基硅氧烷。
[0013]本发明所提出的张力测量装置，包括收发机和上述任一具体实现形式的传感天线，
[0014]所述收发机用于发射电磁波信号，并接收所述张力传感天线反射的电磁波信号，其中能量损失最小的反射电磁波信号的频率即为所述天线的谐振频率。
[0015]一种负载计量系统，包括:测速器、负载计量器和上述张力测量装置；其中，
[0016]所述张力测量装置具有复数个张力测量天线，且所述天线有间隔地设置在负载传送装置的每个单位区域上；
[0017]所述天线上的密封通道能够随着负载传送装置的变形而产生相应的变形量，并且密封通道的变形量与负载传送装置承载负载时的变形量对应；
[0018]所述测速器用于测量负载传送装置的运动速度；
[0019]所述负载计量器用于根据负载传送装置每个单位区域上的负载量和所述运动速度，确定负载传送装置上的负载流量；所述负载传送装置每个单位区域上的负载量是根据张力测量装置测量的每个天线的谐振频率的大小确定的。
[0020]其中，所述张力传感天线粘贴在所述负载传送装置上，或者集成在所述负载传送装置上。
[0021]从上述方案中可以看出，由于本发明实施例中的张力测量装置具有能够随待测物体的变形而产生相应变形的天线，并且利用无线通信领域内的射频识别(RFID，RadioFrequency Identification)技术,通过收发机发送无线电讯号识别天线并读写与待测物体变形量相关的谐振频率数据，而无需使收发机与天线机械接触或光学接触。这样就可以实现张力测量装置的传感元件(即天线)与测量元件(即收发机)之间的无线连接，使得该张力测量装置不仅可应用于静止物体上，还可应用于活动物体或旋转物体上，且避免了现有技术中需要将活动物体或旋转物体上的受力转换到负载测量元件上的机械支撑结构。此夕卜，由于少了中间的受力传递环节，因此提高了测量的准确性。
[0022]此外，由于本发明的实施例中采用弹性材料形成的常温液态金属密封通道，这样使得可以根据待测量的张力范围来选择适当弹性的弹性材料，因而本发明的张力测量装置可以测量多种范围的张力。另外，由于弹性材料的弹性相当大，即利用弹性材料制作本发明的天线可以测量较大的张力。并且使用弹性材料使得天线具有变形可逆性和耐用性。此外，通过选择合适弹性的弹性材料还可以调整该天线的灵敏度。
[0023]另外，可以利用简单的软光刻(soft lithograhpy)工艺来制造传感天线，并且利用一个复制模具即可生产多个天线，这使得本发明的产品制造成本低。
[0024]此外，由于共晶铟镓合金是一种低粘度的液态金属合金，在常温下具有相对高的导电性，且共晶铟镓合金具有较低的毒性，因此本发明实施例中的张力传感天线采用共晶铟镓合金时具有较高的导电性、较强的机械稳定性和较高的安全性。
[0025]另外，由于本发明实施例中的传感天线和收发机之间为无线连接，因此在将该张力测量装置应用于物流计量时，可将该张力测量装置中的测量张力的传感天线集成在负载传送装置上，这样就减少了独立传感天线的安装环节，并且也不必再设置天线的位置保持部件。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中:
[0027]图1为本发明实施例中张力传感天线的结构示意图。
[0028]图2为图1所示张力传感天线的一种加工方法中的弹性材料体的局部侧视图。
[0029]图3为本发明实施例中在不同张力下收发机测量的天线的谐振频率的示意图。
[0030]图4为本发明实施例中负载计量系统的结构示意图。
[0031]其中，【专利附图】

【附图说明】如下:
[0032]110-弹性材料体111、112-微流动密封通道120-常温液态金属210-弹性材料体的第一层220-弹性材料体的第二层230-粘合剂211-微流动密封通道
[0033]410-张力测量装置411-张力传感天线412-收发机420-测速器430-负载计量器440-负载传送装置
【具体实施方式】
[0034]本发明实施例中，为了减少现有技术中需要将活动物体或旋转物体上的受力转换到负载测量单元上的机械支撑结构，使得张力测量装置能够直接应用于活动物体或旋转物体上，考虑在张力测量装置的传感单元和计算单元之间采用无线连接。为此，本申请发明人在经过创造性的劳动后，克服惯性思维，考虑借鉴无线通信领域内的射频识别(RFID，RadioFrequency Identification)技术来测量负载。射频识别又称电子标签、无线射频识别，其可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。常用的射频识别技术有低频(125k?134.2K)、高频(13.56Mhz)、超高频，无源等技术。
[0035]为了能够进行张力测量，需要张力传感天线能够实现较明显的变形，为此，本申请的发明人通过大量创造性的劳动之后，考虑采用常温液态金属来制作张力传感天线。而为了使常温液态金属制作的天线尺寸能够变形，本申请进而考虑使容纳该常温液态金属的载体能够变形，为此考虑使用绝缘的弹性材料作为常温液态金属的载体。这样，本发明实施例中的张力传感天线可包括:一个具有密封通道的弹性材料体和位于所述微流动密封通道内的常温液态金属。其中，所述弹性材料体用于设置在被测物体上，并且当受到张力作用时，所述弹性材料体中的密封通道能够随被测物体的变形而产生对应的变形量，所述常温液态金属能够随所述密封通道的变形而在所述密封通道内流动，并产生与所述密封通道的变形量对应的谐振频率。即所述传感天线用于设置在能够产生变形的被测物体上，并且能够随被测物体的变形而产生对应的变形量，产生与所述变形的量对应的谐振频率。
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。
[0037]图1为本发明实施例中张力传感天线的结构示意图。如图1所示，本实施例中的张力传感天线为双极天线，其包括:一个具有两个微流动密封通道111、112的弹性材料体110和位于所述两个密封通道111、112内的常温液态金属120。优选，两个密封通道111、112长度相同，且设置在同一直线上，中间具有绝缘间隙。位于两个密封通道111、112内的常温液态金属120构成两个无线导线，且构成整个天线长轴。该双极天线随着波长λ产生谐振。波长λ大约为整个天线长度L的两倍，即X=2L。波长λ和天线长度L与谐振频率成反比。
[0038]其中，所述弹性材料体110用于设置在被测物体上，并且所述弹性材料体110中的密封通道111、112能够随被测物体的变形而产生相应的变形量，可以通过实验标定的方法确定所述微流动密封通道111、112的变形量和被测物体变形量之间的关系。所述常温液态金属120能够随所述密封通道111、112的变形而在所述密封通道111、112内流动，并产生与所述微流动密封通道111、112的变形量成函数关系的谐振频率，使得所述张力传感天线的谐振频率与所述密封通道的变形量对应。
[0039]具体实现时，常温液态金属可以为共晶铟镓合金EGaln，或者汞等。其中，由于EGaIn是一种低粘度的液态金属合金，在常温下具有相对高的导电性，且EGaIn具有较低的毒性，因此张力传感天线采用EGaIn时具有较高的导电性、较强的机械稳定性和较高的安全性。
[0040]此外，弹性材料体可以由硅胶、橡胶材料或塑胶材料等制成。例如,该弹性材料体可以为聚二甲基硅氧烷(PDMS)等。
[0041]具体加工时，图1所示张力传感天线可有多种具体加工方法。图2示出了其一种加工方法中的弹性材料体的局部侧视图。如图2所示，在加工时，可以首先加工出弹性材料体110的上下两层，即第一层210和第二层220。其中，微流动密封通道可以位于第一层210上，也可以位于第二层220上,或者,也可以一部分位于第一层210上,另一部分位于第二层220上。本实施例中，以微流动密封通道位于第一层210上的情况为例，加工时，可首先制作一个带有两条直线突起的模具，这两条直线突起可位于同一轴线上，且中间间隔若干毫米。之后在该模具内注入液态弹性材料，并对其进行固化(例如可用软光刻工艺)后得到弹性材料体110的第一层210，其中，对应模型的两条直线突起的位置为位于第一层210上的两个密封通道211。之后将具有密封通道的第一层210与具有平台接触面的第二层220通过粘合剂230粘在一起。然后，将常温液体金`属，如EGaln，注入两个微流动密封通道211内，之后将两个微流动密封通道211的入口和出口密封。
[0042]上述仅为张力传感天线的一种加工方法，此外，还可以有其它加工方法，此处不再
--赘述。
[0043]本发明实施例中的张力测量装置除了包括上述天线以外，还包括收发机。所述收发机用于发射电磁波信号，并接收经天线反射的电磁波信号，收发机能够扫描一个较宽的频率范围，天线反射的能量损失最小的电磁波信号的频率即为所述天线的谐振频率。
[0044]进一步地，该收发机还可根据传感天线的谐振频率确定出被测物体上的张力大小。
[0045]图3示出了本发明实施例中在4个不同大小的张力下收发机测量的传感天线的谐振频率的示意图。其中，每条曲线的波谷峰值对应的位置为相应张力下天线的4个谐振频率的值。
[0046]具体实现时，本发明实施例中的张力测量装置由于传感元件(即张力传感天线)与测量元件(即收发机)之间为无线连接，因此其不仅可应用于静止物体上，也可应用于活动物体或旋转物体上。当应用于活动物体或旋转物体上时，可直接将传感元件，即张力传感天线，直接设置在被测物体上，从而避免了现有技术中需要将活动物体或旋转物体上的受力转换到负载测量元件上的机械支撑结构，且由于少了中间的受力转换环节，从而提高了测量的准确性。
[0047]以物流传送系统为例，本发明实施例中的张力测量装置可用于对物流传送带上的负载进行计量。图4为本发明实施例中负载计量系统的结构示意图。如图4所示，该负载计量系统可包括:本发明实施例中的张力测量装置410、以及一个测速器420和一个负载计量器430。
[0048]其中，所述张力测量装置410具有复数个如图1所示的张力传感天线411，且所述复数个张力传感天线411间隔设置在负载传送装置(例如传送带440)的设定的每个单位区域上。每个张力传感天线411的弹性材料体中的密封通道能够在所述负载传送装置上承载负载时随负载传送装置440的变形而产生相应的变形量；且所述密封通道中的常温液态金属能够随所述密封通道的变形而在所述密封通道内流动，并产生与所述密封通道的变形量对应的谐振频率。
[0049]所述张力测量装置410的收发机412用于测量每个张力传感天线411的谐振频率的大小，并输出负载传送装置440每个单位区域内的负载量。例如，单位为kg/m。
[0050]所述测速器420可以为一个编码器，用于记录负载传送装置的运动速度。例如，单位为m/s。
[0051]所述负载计量器430用于根据负载传送装置440每个单位区域内的负载量和所述负载传送装置440的运动速度，确定负载传送装置440上当前的负载流量。例如，单位为kg/s。
[0052]该负载计量器430还可以进一步计算出一段时间内负载传送装置440上的累计负载量。
[0053]具体实现时，张力测量装置410的收发机412也可在测量每个张力传感天线411的谐振频率的大小后，将谐振频率的大小或与谐振频率的大小相对应的张力大小输出给负载计量器430，由负载计量器430计算出负载传送装置440在每个单位区域上的负载量。
[0054]实际应用中，由于本发明实施例中的张力传感天线411和收发机412之间为无线连接，因此在将该张力测量装置410应用于上述物流计量时，可将该张力测量装置410中的张力传感天线411集成在负载传送装置440上,这样就减少了独立传感天线的安装环节,并且也不再需要设置天线的位置保持部件。
[0055]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种传感天线，包括:具有密封通道的弹性材料体和位于所述密封通道内的常温液态金属； 所述弹性材料体用于设置在能够产生变形的被测物体上，当受到张力作用时，所述弹性材料体中的密封通道能够随被测物体的变形而产生对应的变形量，所述液态金属能够在所述密封通道内流动，使得所述天线的谐振频率与所述密封通道的变形量对应。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述传感天线为双极天线，所述弹性材料体上的密封通道为两个，构成所述天线的双极。
3.根据权利要求1或2所述的天线，所述天线为无源天线。
4.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述常温液态金属为共晶铟镓合金EGaIn0
5.根据权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述弹性材料体由硅胶、橡胶材料或塑胶材料制成。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述弹性材料体为聚二甲基硅氧烷。
7.一种张力测量装置，包括收发机和如权利要求1至6中任一项所述的天线， 所述收发机用于发射电磁波信号，并接收所述天线反射的电磁波信号，其中能量损失最少的反射电磁波信号的频率为所述天线的谐振频率。
8.一种负载计量系统，包括:测速器、负载计量器和如权利要求7所述的张力测量装置；其中， 所述张力测量装置具有多个张力测量天线，且所述天线有间隔地设置在负载传送装置的每个单位区域上； 所述天线上的密封通道能够随着负载传送装置的变形而产生相应的变形量，并且密封通道的变形量与负载传送装置承载负载时的变形量对应； 所述测速器用于测量负载传送装置的运动速度； 所述负载计量器用于根据负载传送装置每个单位区域上的负载量和所述运动速度来确定负载传送装置上的负载流量；所述负载传送装置每个单位区域上的负载量是根据张力测量装置测量的每个天线的谐振频率的大小确定的。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述天线粘贴或者集成在在所述负载传送装置上。
【文档编号】G01L1/02GK103698059SQ201210365756
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2012年9月27日 优先权日:2012年9月27日
【发明者】张奇然, 杜昭辉 申请人:西门子公司