专利名称：光纤重量分选秤及其称重方法
技术领域：
本发明涉及信息技术中的传感技术，尤其是指将电子秤发展到光子秤的光纤重量分选秤及其称重方法。
背景技术：
重量分选秤是一种重量检测衡器，当被测物品通过秤台时，系统对其重量进行判定，检测其是否满足规定的重量要求。重量分选秤常用于检测包装产品重量是否符合标准， 判定包装箱内放置物品的数量是否符合要求、自动确定小包装食品的重量并进行等级分类、还可用于检测定量包装设备生产线上的包装产品重量误差以及时了解加工生产线上的前级加工工序的异常状态。对不合格品剔除或实行报警，控制前端设备的工作状态，达到及时调整设备，控制产品质量的目的。重量分选秤是一种生产流水线上常用的检测设备。重量分选秤由秤台、入口传送带，出口传送带、分拣(剔除)机构、控制系统等组成。重量分选秤秤台上安装有一个轻型传送带，当被检物品通过传送带时，其下方的分选秤将重量检测出来，如果重量满足要求，就放行通过；如果重量不符合要求，在物品经过出口传送带时，将被分拣机构推出传送带。分选秤控制系统具有标准重量设定，计数，报警等功能。重量分选秤可具有分级分选的功能。当一条传送带上传送不同重量规格的物品时，分选秤仍能够对其进行重量鉴别。如果以节省劳动力计算，则由于采用了自动分选秤，无须人工上下搬动与静态检测，减小了劳动强度、提高了生产效率。此价值更无法统计。电子重量分选秤经过几十年的应用与发展，已发挥了重要作用.它可保证做到出厂产品的重量不低于产品指标，保证了生产单位的信誉；另一方面它还能做到产品重量超过产品指标的数值不超过额定值，提高了经济效益；由于自动化的上线、下线、称量大大节省了时间与劳动力；对于生产线前级的运转状态具有很好的监视与报警作用。现有的电子重量分选秤主要结构及原理参见图1到图2所示，图1主体部为中空弹性体，一般为铝或钢的合金材料，其上下表而各粘贴二个电阻式应变传感器(以金属丝绕成的电阻，图中以R表示)，四个电阻R连接到一个电桥上(具体连接如图2所示)，弹性体左端固定，右端上方为秤台(用于加载称重物)。未加载时电桥中间的电表示数为零；当秤台加载后电表示数是不等于零的某读数，秤台上不同重量的物体读数不同，即可从对应的读数经标定后得到加载物的重量(严格地说是加载物的质量)。但是，至今已得到广泛应用的电子秤电子重量分选秤还存在以下缺点一是抗干扰的问题、二是测量范围太窄的问题，不利于自动化生产线、邮件分选的灵活要求与计算机、自动化等的柔性控制，用指令自由改变量程等。在潮湿、有电磁干扰、雷击等环境中不能正常工作，甚至控制与计算电路都可能被击坏；或必须增加严格的密封包装以及电气接地措施，增加了施工的麻烦与成本。另一缺点是这种电子重量分选秤的称量范围受限，例如10克/50公斤的电子秤在低端要分辨10 克则最大称重不能超过50公斤，对于自动化生产线要改变称重产品不太方便；对于邮政系统自动分选邮件就会感到无能为力(即不能在同一台电子秤上分辨一张纸与一个重的包裹)，必须采用几台不同称量的电子秤组合成一台秤。综上所述，为了在衡器领域中将灵敏度与称量范围有新突破，特别是将两者同时结合在同一台衡器上，有必要设计一种新的重量分选秤以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供光纤重量分选秤兼顾高灵敏度与大称量的统
O为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案；光纤重量分选秤，其包括弹性体金属板，所述光纤重量分选秤还包括作为光源的半导体激光器、与半导体激光器连接用于接收其发出的光束的光纤传感模块、与光纤传感模块连接的光电变换模块、与光电变换模块连接的信号处理模块、与信号处理模块连接的数据计算模块以及重量显示模块；所述光纤传感模块包括光纤干涉仪，该光纤干涉仪设有一根利用光纤的形变测量重量的光纤检测臂以及另一根等长的利用光纤的形变感知温度变化的温度补偿臂；所述弹性体金属板与光纤检测臂固定在一起并与温度补偿臂隔离。本发明还包括一种光纤重量分选秤的称重方法，其包括以下步骤1)光纤干涉仪一端接收半导体激光器发出的光束，其波长为λ，经过两等长的光纤检测臂和温度补偿臂后在光纤干涉仪的另一端相遇后发生干涉，连接于光纤干涉仪另一端的光电变换模块将接收到的光信号转换为电信号传输给信号处理模块；2)信号处理模块；将接收到的信号进行放大与滤波，以便计算机进行波长计数；3)数据计算模块通过计量正弦波信号的波长数m，利用公式Ll = λ Xm确定干涉仪的应变值；4)标定，建立光纤干涉仪的应变值与被称重物体重量之间的关系，利用光纤的应
变测量重量；5)最后被称重物体重量在光纤重量分选秤的重量显示模块上显示。本发明将光纤干涉型传感器布设在金属弹性体板上，利用光纤传感部分将被称重物的重量转换为光纤相对长度的变化(即应变光纤长度变化与总长之比)，经光的干涉后再转变为明暗相间的一串正弦波信号，其中含有的正弦波的个数即可用来表示光纤应变的大小，经标定后即可得到加载物的重量。将光纤的应变(重量与应变相对应，应变即长度变化与总长之比)来计量物体的重量这是本发明的核心，它使衡器的性能、结构与工艺发生根本变革，从电子秤发展到光子秤的新阶段。其最大的优势是将衡器的高精度与大称量结合在同一光子秤上，即达到了一台光子秤可抵上几台电子秤的组合秤的效果，具有高性价比与抗干扰的优点，因而将在自动化生产线与邮件自动分选及有关的称重领域中得到广泛应用。
图1是现有的电子重量分选秤结构示意图。图2是现有的电子重量分选秤原理图。图3是本发明光纤重量分选秤原理方框图。
图4是本发明光纤干涉仪结构示意图。图5是本发明中光敏管产生的波形示意图。图6本发明光纤重量分选秤结构示意图。
具体实施例方式请参阅图3所示，本发明涉及一种光纤重量分选秤，其包括弹性体金属板，所述光纤重量分选秤还包括作为光源的半导体激光器、与半导体激光器连接用于接收其发出的光束的光纤传感模块、与光纤传感模块连接的光电变换模块、与光电变换模块连接的信号处理模块、与信号处理模块连接的数据计算模块以及重量显示模块；所述光纤传感模块包括光纤干涉仪，请参阅图4所示，该光纤干涉仪设有一根利用光纤的形变测量重量的光纤检测臂以及另一根等长的利用光纤的形变感知温度变化的温度补偿臂；所述光纤检测臂与弹性体金属板固定在一起并与温度补偿臂隔离。光源在图4中以LD表示，即半导体激光器； 信号处理模块用于将接收到的信号进行放大与滤波，以便计算机进行波长计数。由于光纤传感器的灵敏度特别高，所以温度的干扰也易受影响，因而必须消除其干扰，温度补偿显得非常重要。光纤干涉仪原理如图4所示即图4中从由LD至PF两点中间部分的两根光纤组成，上面的检测臂光纤的全部长度与弹性体金属板固定在一起，它能感知由于重物加载引起弹性体板弯曲发生的长度变化与温度的变化；而下面的补偿臂光纤要求感知与检测臂相同的温度的变化，而不受弹性体加载弯曲引起的长度变化的影响，所以温度补偿臂要与光纤检测臂完全隔离。比如采用棉花等将其隔离。当光纤秤只有温度升高时这两根光纤产生相同的伸长，便能从两者读数的差得到扣除温度的影响而保持光纤秤读数不变。而电子秤中的电阻应变式传感器与源自国外的光纤光栅传感器本身都没有温度补偿功能，而这正是光纤秤最重要的基础。当然温度补偿有多种方法。由于选择了光纤传感器中灵敏度最高的光干涉的原理，图4中激光束从LD处发出经过两等长的光纤后在PF处相遇后发生干涉，用该点右边的光敏管就可接收到明暗的交替变化，如图5的正弦波所示(相邻两波峰或波谷间代表检测臂比补偿臂伸长一个光源波长的长度，这是在弹性体板上加载重物后弹性体板弯曲而伸长的结果)。因此我们可以很方便地通过计量干涉条纹的波长数，确定检测臂光纤的总伸长(我们用的光源的波长为1.3 微米，1微米为1/1000毫米，可见光纤干涉法灵敏度之高，如加上计算机对一个波长的细分技术，还可达到更高的灵敏度)。光纤检测臂和温度补偿臂一端分别接收半导体激光器发出的光源，经过两等长的光纤检测臂和温度补偿臂后在PF处相遇后发生干涉，从用PF点传输的信号传输给光电变换模块，再传到信号处理模块，最后经过数据计算模块得出读数显示在光纤重量分选秤的显示装置上。电子秤与我们的光子秤在称重原理上有一共同点，都是在弹性体上加载重物后带动金属丝或光纤(石英玻璃丝)长度的变化来称重的(两者固定在某一弹性体上，重物加载后弹性体产生形变)；同样一米长且直径均为0. 1毫米的铜丝与光纤，开始时都有10克的精度，光纤可伸长到2厘米过程中还能正常工作，而铜丝伸长不到1厘米时即已断裂。据此说明光纤秤具有在同一秤上兼顾低端的高灵敏度与高端的大称量的优势；或1台光纤秤具有可抵几台电子秤组合起来的优势。(以我们的一台光纤重量分选秤为例，即可从低端 10克到到高端的400至500公斤，这是电子秤所不可能的)具体的实施例如图6所示，一种光纤重量分选秤，采用光纤干涉型传感技术将灵敏度与称量范围同时结合在同一台衡器上。所述光纤重量分选秤包括一个如图6所示的三角形弹性体金属薄板1 (板厚度与大小根据光纤秤指标进行设计)，所述金属薄板的顶端设有三个向下的固定支点11，(其支撑在下面平整且有一定硬度的平面上)，所述金属薄板中间设有中心孔12，其为重物重量承载点；正对三支点的秤台平面上的三个椭圆形是缠绕光纤的位置，本实施例中，所述弹性体金属薄板背面设有三个轨道13，所述光纤干涉仪分别缠绕在轨道上并串联在一起。所述轨道为椭圆形或其他形状，其曲率半径应大于3cm。在其周边绕上光纤传感装置。图6所示三个椭圆均勻分布在等边三角形内，椭圆的长轴延长线的夹角为120度。所述光纤干涉仪分别缠绕在轨道上并串联在一起。沿长轴方向缠绕在轨道周边的光纤传感装置串联在一起，比如，在第一个椭圆周边缠绕完成后直接再缠绕第二个椭圆，接着缠绕第三个椭圆。所述光纤传感装置(实际为光纤干涉仪)包括两条光纤，一条是光纤检测臂，其与金属薄板1固定在一起，用于利用光纤的形变测量重量；另一条为温度补偿臂，用于感知与检测臂相同的温度的变化，而不受弹性体加载弯曲引起的长度变化的影响。加载的方式有两种第一种是在三角形弹性体中心园孔处向上支一秤盘；第二种方式是在弹性体三顶角支点与中心支点上方几毫米高度处搁一金属平板，其侧面翻边紧扣住弹性体，保证加载过程中金属板不致滑动；未加载重物时中心支点高度使金属板保持水平。弹性体板的设计可采用多种形式图6为三角形类型，其特点是平台调整较简单。弹性体板也可设计成矩形或正方形，即由四个光纤传感器相串联，这时四个顶角上的支点要调整到一个支撑平面上，否则读数不正确。四边形弹性体结构的光纤秤特别要注意如问题，下方的四个支点要与弹性体板同时接触，以保证同一物体在弹性体上的不同位置得到同一重量读数。本发明还包括一种光纤重量分选秤的称重方法，其包括以下步骤1)光纤干涉仪一端接收半导体激光器发出的光束，其波长为λ，经过两等长的光纤检测臂和温度补偿臂后在光纤干涉仪的另一端相遇后发生干涉，连接于光纤干涉仪另一端的光电变换模块将接收到的光信号转换为电信号传输给信号处理模块；2)信号处理模块根据称重前后该光信号的变化引起的电信号产生明暗的交替变化输出一串正弦波信号；因为加载后才出现明暗交替光信号，光学上已经给我们把温度引起补偿光纤的长度扣除了，如果不加载就看不到明暗条纹，两个光纤臂的长度差为零。3)数据计算模块通过计量正弦波信号的波长数m，利用公式L1 = λ Xm确定光纤传感器的应变值；L = πιλ确定光纤检测臂与温度补偿臂长度差。4)标定，建立光纤传感器的应变值与被称重物体重量之间的关系，利用光纤的应
变测量重量；5)最后被称重物体重量在光纤重量分选秤的重量显示模块上显示。本发明由以下几个部分说明1.传感器的基本材料从电子类的金属电阻丝变为光纤，以解决抗干扰问题；
利用光纤干涉仪原理解决温度补偿问题(这是光纤传感器的重要基础)，用光纤干涉仪中的温度补偿臂来扣除温度对检测光纤臂中受到的温度的影响，在适当的补偿方式下，简单而有效，是本光纤传感器的优点之一；2.利用光纤干涉仪提高光纤秤的灵敏度当(图4)中的激光束从LD端入射，在 PF端出射时，该处就可得到明暗相间的一串正弦波形的光强信号，在检测臂由于重物加载伸长一个光波长时，就可看一次明暗变化，经过光敏管的光电转换后就可交计算机进行计算与物重对应的光波长数，最后用重量读数表示出来。这样光纤干涉仪直接把灵敏度提高到光波长的微米量级(百万分之一米)，再利用计算机的细分技术，即可把一个光波长分到 10纳米或更高的水平，达到极高的检测灵敏度。使我们的传感器在光纤传感器中达到了灵敏度领先的地位；3.利用光纤的弹性应变可达2%的特点，即1米长的光纤可伸长2公分，还能正常工作；而电阻应变式传感器的金属丝早就断裂或失去弹性。所以我们一台光子秤可抵上4 至5台电子秤组成的组合秤。4.为了进一步提灵敏度，我们采用了图6所示的三个光纤组串联的办法以增加光纤检测臂的长度的办法达到这一目的。当然我们还可从提高光纤传感系统最后计算机的细分精度的办法，或两者同时提高的办法，这时总的提高倍数为上述两部分的乘积。因此，我们用了上面简单的光纤干涉仪结构，达到了温度补偿、高灵敏度、大称量在同一台秤上的统一。本发明要解决的技术问题在于提供光纤重量分选秤兼顾高灵敏度与大称量的统一。整个光纤重量分选秤的系统见(图)，总的可分为光纤传感器与数据处理两部分。本专利着重在前者。本光纤传感器中的金属弹性体板，本专利首选为三角形结构除了进一上提高检测灵敏度达三倍(即三组光纤串联成一个光纤传感器)外，主要还在于使整个被称重物的重量始终由三组光纤分担，达到在秤台的任何位置上都得到相同的重量值的要求，免除了电子秤的调四角的工艺。根据这一要求，三角形弹性体板称重时要注意板面水平、下方的三支点要支在有一定硬度的平面上。弹性体板为适应秤体设计与工作的方便，其结构也可是四边形或圆形，这时要板上的串接的光纤组数应相应调整，并要求该板下方的支点(四个或多个)要全部受到重物重量的作用，才能保证在秤台上任一点得到相同的重量读数。检测臂光纤与弹性体板要求两者牢固结合也是本专利的重点与难点之一。从上述原理与结构设计表明，光纤重量分选秤具有的优势除了抗潮湿、电磁干扰、 雷击等干扰外还有1.提高检测灵敏度(由三个传感器的光纤相串联可提高到三倍)；2.加载在秤台板的任何位置，其重量均等于三个传感器读数之和，不需要附加的调整，免除了电子重量分选秤必不可少而且繁复的调整工艺(达到不加重物时读数为零； 加同样重量时读数总是相等的要求，具体要通过手工的办法用锉刀来修正图一中的空腔部分的形状来达到)。3.同一秤兼顾高灵敏度与大称量的统一，即低端的10克到高端的400到500公斤，即一台光纤秤相当于四至五台电子重量分选秤。如果我们高端降低到50公斤，则这时低端我们可将灵敏度从10克提高到将近1克。4.结构上我们从电子秤的立体式，改进到平板式(500公斤光子秤厚度仅12毫米)；5.工艺上得到简化，免除了电子秤繁复的手工调整工序。因此，本发明光纤重量分选秤有广泛的应用；而且其主要原理还可应用于公路超重秤、特大称量的轨道衡、集装箱秤；还有在桥梁、水坝、建筑、规模化农业方面都有重要应用。上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。
权利要求
1.光纤重量分选秤，其包括放置被称重物体的弹性体金属板，其特征在于所述光纤重量分选秤还包括作为光源的半导体激光器、与半导体激光器连接用于接收其发出的光束的光纤传感模块、与光纤传感模块连接的光电变换模块、与光电变换模块连接的信号处理模块、与信号处理模块连接的数据计算模块以及重量显示模块；所述光纤传感模块包括光纤干涉仪，该光纤干涉仪设有一根利用光纤的形变测量重量的光纤检测臂以及另一根等长的利用光纤的形变感知温度变化的温度补偿臂；所述弹性体金属板与光纤检测臂固定在一起并与温度补偿臂隔离。
2.如权利要求1所述的光纤重量分选秤，其特征在于所述弹性体金属薄板上设有至少一个轨道，用于缠绕所述光纤干涉仪。
3.如权利要求1所述的光纤重量分选秤，其特征在于所述弹性体金属薄板上设有若干轨道，所述光纤干涉仪分成若干部分分别缠绕在各自的轨道上并串联在一起。
4.如权利要求3所述的光纤重量分选秤，其特征在于所述弹性体金属薄板横截面为等边三角形，其背面设有三个椭圆形轨道，所述椭圆形轨道的长轴延长线的夹角为120度， 所述光纤干涉仪分别缠绕在各自的轨道上并串联在一起。
5.如权利要求1所述的光纤重量分选秤，其特征在于所述弹性体金属薄板横截面为矩形或正方形，该薄板上均勻设有若干轨道，所述光纤干涉仪分别缠绕在轨道上并串联在一起。
6.如权利要求1-5任意一项所述的光纤重量分选秤，其特征在于所述光电变换模块包括光敏管，用于将接收到的光信号转换为电信号后输出。
7.—种如权利要求1-5任意一项所述的光纤重量分选秤的称重方法，其包括以下步骤1)光纤干涉仪一端接收半导体激光器发出的光束，其波长为λ，经过两等长的光纤检测臂和温度补偿臂后在光纤干涉仪的另一端相遇后发生干涉，连接于光纤干涉仪另一端的光电变换模块将接收到的光信号转换为电信号传输给信号处理模块；2)信号处理模块将接收到的信号进行放大、滤波处理，便于计算机的波长计数；3)数据计算模块通过计量正弦波信号的波长数m，利用公SL1= λ Xm确定光纤检测臂与补偿臂的长度差与两臂长度的比值、即应变值；4)标定，建立光纤干涉仪测得应变值与加载重量的对应关系；5)最后将被测物体的重量在光纤重量分选秤的重量显示模块上显示。
全文摘要
本发明涉及一种光纤重量分选秤，其包括放置被称重物体的弹性体金属板，所述光纤重量分选秤还包括作为光源的半导体激光器、与半导体激光器连接用于接收其发出的光束的光纤传感模块、与光纤传感模块连接的光电变换模块、与光电变换模块连接的信号处理模块、与信号处理模块连接的数据计算模块以及与数据计算模块连接的重量显示模块；所述光纤传感模块包括光纤干涉仪，该光纤干涉仪设有一根利用光纤的应变测量重量的光纤检测臂以及另一根等长的用于感知温度变化的温度补偿臂；所述弹性体金属板与光纤检测臂固定在一起并与温度补偿臂隔离。该光纤重量分选秤除了抗潮湿、电磁干扰、雷击等干扰外还在同一台秤上达到了高灵敏度与大称量的统一，对于衡器在自动化生产线与邮件分选等领域的应用发挥重要的作用。
文档编号G01G3/00GK102243093SQ201010172880
公开日2011年11月16日 申请日期2010年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者张继昌 申请人:张继昌