能快速称重的动态电子吊秤

能快速称重的动态电子吊秤

一般的电子吊秤只能在货物吊起稳定后,在接近静止的状态下进行称重。在重物上下振动或作各种摆动的情况下,吊秤不能准确地称重。已有动态电子吊秤方案或是在数学模型基础上利用称重数据的变化规律推算实际重量[1][2],或是在传统电子吊秤的基础上利用一个加速度计测量吊秤秤体的轴向加速度以进行动态称重补偿,以实现动态测量[3][4][5][6]。前一种方法局限性较大,应用后一种方法时,由于吊秤秤体处的加速度与被称重物处的加速度并不一致,故补偿的计算比较复杂,需要采集相当一段时间的称重和加速度的数据才能进行,且在特定的运动状态下,如重物作圆锥摆运动或吊秤处于悬挂点和重物的连线中心点时役有有效解。另外,以往方案役有选择好合适的加速度测量方法,有的采用称重传感器加质量块,有的采用半导体加速度计等,这些方案的缺点是加速度计的零点漂移大,精度不高,影响补偿的效果,甚至无法进行有效的补偿。

本文提出了一种新的动态电子吊秤方案。在电子吊秤的纵轴线上,上下安装两只伺服式加速度计,在己知吊索长度的情况下,利用两只加速度计的一次测量值即可推算出重物处沿吊索方向的加速度值,从而在瞬间即可完成动态称重的补偿计算。在吊索长度未知的情况下,则可通过}司隔一段时间的两组测量值完成补偿计算。本方案克服了以前方案理论上的缺陷,补偿运算的方法简洁直观,非常实用。伺服式加速度计的工作原理类似电磁力平衡式电子天平,特别是其中采用了石英弹性元件,具有滞后小,温度系数 小,零点稳定,测量精度高,克服了现有方案采用的加速度测量方法的不足。作者己为本方案提出了专利申请。
图1 动态电子吊秤秤体示意图

图1 动态电子吊秤秤体示意图

图1是动态电子吊秤秤体结构示意图。图中1是吊环,2是发射天线,3是上连接件,性、9是伺服式加速度计,5是数据采集电路,参见附图2,由A/D转换器14,  15,  16和微处理器19组成,6是无线发射机,7是秤重传感器,12是秤体电池组,10是秤体外壳,11是下连接件,12是吊钩。

动态电子吊秤原理框图

图2 动态电子吊秤原理框图

图2是动态电子吊秤原理方框图。图中秤体部分7是称重传感器,14、 16、18是A/D转换电路,4、9是伺服式加速度计,19是微处理器,6是无线发射机,2是发射天线,8是秤体电源。仪表部分23是接收天线,24是无线接收机,25是微处理器,26是键盘,27是显示器,28是打印机,29是数据传输接口。

动态电子吊秤受力分析

图3 动态电子吊秤受力分析

图3是动态电子吊秤受力分析简图。L1是下加速度计9到重物的距离,L2是下加速度计9到上加速度计4的距离,由吊秤结构确定。L是重物到悬挂点0的距离。θ 是吊索与铅垂线的夹角, ω是吊索相对0点的瞬间转动角速度。F是吊索张力,m是被称重物的质量,g是重力加速度,an0是重物处的、an1是下加速度计9处的、an2是上加速度计4处的指向悬挂点O的向心加速度,a’是重物指向悬挂点O的加速度,因L1、L2是常量,两加速度计也存在同样的加速度分量。图中忽略了重力加速度引起的重物垂直于吊索方向的加速度,因其对推导过程无影响。为推导简单,我们这里假定悬挂点、吊秤、重物三点在一条直线上,实际上,由于吊钩、吊秤、吊索的质 量不为零,严格讲这三点不是时刻保持在同一直线上,这将会给测量结呆带来一定的高阶误差,这些误差可通过一定的补偿措施进一步消除。

本方案的动态电子吊秤工作原理是,吊秤通过吊环1挂在起重机械的吊钩上,被称重物通过吊索挂在吊秤吊钩12上。称重传感器7可测量出吊索的张力F,以电压模拟量的形式输出。固定在吊秤秤体轴线上相距固定距离L2的下加速度计9、上加速度计4分别测量出两处的沿吊索方向的重力加速度的分量和向心加速度的合成加速度分量a1和a2并以电压模拟量的形式输出,A加转换器14,  16、 18分别将称重传感器7和两只加速度计4, 9的输出的电压模拟量转换为数字量并传输到微处理器19,微处理器19将这些数 字量转换为串行信号通过无线发射机6、天线2向称重显示器传输。称重显示仪表部分通过天线23、接收机25将秤体部分的数据信号传输到微处理器25,微处理器25进行数学处理计算出重物的质量,通过显示器27显示,并可通过打印机28打印出来或通过数据接口29向上位机传输,通过键盘26可控制仪表的工作状态或输入吊索长度等补偿计算所需要的数据。

数学推导参见图3,这里及以下推导过程忽略了吊索、吊秤和吊钩等部件的质量。在静止时,张力F=mg即等于被称重物的重力,在重物作各种摆动和沿吊索方向的加速运动时,张力F为

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下加速度计9的测量值a1为 02

上加速度计4的测量值能为 03

因吊索绕。点以瞬时角速度 ω 旋转,故

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当吊索长度L1己知时,因L2也己知,由(2)、(3)、(的、(5),(  6)式,可以从下加速度计9的测量值a1、上加速度计4的测量值a2推算出

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即可通过式(1)由称重传感器测得的张力F,加速度计测得的加速度a1, a2计算出重物的重力mg来:

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如果吊索长度L1未知,则可用间隔一定时间的两组测量数据Fi, a1i, a2i和Fi+1,a1i+1, a2i+1带入(8)式,即可求出mg和吊索长度L1来。