[发明专利]一种快速动态称重传感器

说明书

为了实现物体在移动过程中对其质量的准确、快速的测量，本发明提供了一种基于石英晶体谐振器(QCR)的动态称重传感器，属于电子技术领域。其中方案一采用QCR和控制金属板，将重量变化通过电场的临近效应转换为QCR谐振频率的变化，等效于QCR串联了一个负载电容。方案二采用两块金属板构成电容器与QCR串联，将物体重量变化转化为金属板之间距离的变化，这导致负载电容变化从而引起QCR串联谐振频率变化。方案三采用压敏传感器、变容二极管和QCR，重量的变化通过压敏传感器通过电网络改变变容二极管的偏压，从而改变二极管的电容，此电容与QCR串联，这导致QCR串联谐振频率变化。三种方案均具有适应宽速度范围，精确度高，装置简单和成本低廉的优点。

技术领域

本发明是基于石英晶体谐振器(Quartz Crystal Resonator，QCR)的一种实现物体在静止和移动过程中对其质量进行快速测量的装置，属于电子技术领域。

背景技术

随着社会的发展，对信息化，自动化的需求越来越多，要求也越来越高。其中在工业自动化过程中，对物体质量准确测量尤为重要，特别是在物体移动过程中。这一方面的典型代表便是工厂流水线上的产品动态称重和收费站车辆超载检测，产品动态称重有利于工厂的自动化、智能化，大大增加生产效率；而从上个世纪九十年代开始，车辆超载越来越严重，对道路造成了严重的损坏，大大增加了道路维护费用，同时超载运输不仅会严重缩短车辆寿命，更重要的是会大大增加车辆事故发生概率，另外车辆重量计量对于道路以及桥梁设计也有着重要意义。

但是目前实现如车辆和流水线上产品等物体在移动过程中其质量的准确快速的测量依然存在困难，在车辆称重上现在世界各国主要以传统的静止称重法为主，该方法准确度很高但要求车辆完全静止或以很低的速度通过，效率很低，很容易造成交通堵塞，并且此类传感器一般都造价高昂。迫切的需要一种准确的，快速的，价格低廉的动态称重传感器。目前常用的传感器主要有弯板式，石英谐振式，电荷式等。其中目前国内主要采用的是弯板式，采用特殊合金材料，内部嵌入应变片群，通过压力导致应变片形变来将重量转化为电信号，该方法适用于中低速，在高速情况下精度得不到保证。石英谐振式采用的是石英晶片的力频效应将力对晶片造成的形变转化成了谐振频率的变化，但该方法称重极限有限，并且有着抗偏载能力弱的致命缺陷，严重影响实际应用。电荷式采用的是如石英晶体等的压电材料的压电效应，该方法精确度高，速度快，且装置简单成本低，但适用速度的最佳范围为中高速(李宝敏.高速公路常用动态称重传感器比较[J].中国交通信息化，2017，2017(2)：131-132)。急需一种能够实现宽速度范围，精确度高，装置简单成本低廉的动态称重传感器。

本发明基于QCR，其结构简单造价低廉，且性能稳定，另外频率检测精度高，速度快，1秒内可以测量上百次，可为后续处理提供大量的数据。

QCR的等效电路如图1所示。此时QCR的串并联谐振频率分别为：

其中f_s和f_p分别为QCR的串联谐振频率和并联谐振频率，L和C分别为等效电路中的动态电感和动态电容，C₀为等效电路中的静态电容。从该式可以看出，QCR的谐振频率与等效电路的动态电感和动态电容相关。将QCR与负载电容串联，通过改变负载电容来改变QCR等效电路参数，其等效电路如图2所示。此时QCR串并联谐振频率由式(2)计算，以12.8MHzAT切石英晶体谐振器为例，其串联谐振频率随负载电容的变化曲线如图3所示，从图中可以看出频率变化与负载电容变化在实际常用范围内之间可以近似为线性关系。

发明内容

为了能够实现宽速度范围，快速准确的称重，我们根据QCR的物理机理和等效电路，得出了可由质量变化来调整QCR等效电路参数，使得谐振频率发生变化以此得到物体的质量信息。这样通过检测谐振频率的变化来检测质量变化，实现了宽速度范围快速准确的称重。主要的技术方案如下：

方案一：