称重传感器、称重网络及监测方法与流程

本申请是2014年10月09日申请的，发明名称为“称重传感器、称重网络及监测方法”，申请号为201410529715.6的中国发明专利申请的分案申请

本发明涉及监测诊断技术领域，尤其涉及基于数字传感器的称重网络及其监测方法。

背景技术：

在现代化的工业生产流程中，重量信息经常成为关键的信息来源和控制目标。例如在车辆衡系统中，重量信息就是所需要的最终输出数据。在灌装生产线上，重量信息就成为灌装生产流程的控制目标。因此，称重的可靠性和精确性具有重大意义。

随着数字化和信息化技术的发展，传统的称重系统已经开始进入数字称重系统时代，在传感器中内置具备高精度模数转换功能和数字处理能力的电路，将传感器的受载力信息转化成数字信号。一只或多只数字称重传感器通过有线或者无线等通讯方式，与仪表、工控机等终端设备进行数据和指令的交互，共同构成称重通讯拓扑网络，将格式化后的称重数据发往仪表、工控机等终端设备，进行最终处理和显示。

在现有的数字称重系统中，仪表、工控机等终端设备是数据处理的核心，将从数字称重传感器接收到的数据，处理为称重系统的称重数据。同时，对数字传感器节点的过载信息、温度数据和标定信息进行记录。但对于数字称重系统复杂的使用过程、网络健康状况、使用寿命、称重元件状态等重要信息，无法进行侦测、分析和诊断。随着数字称重系统的使用时间的延长，称重传感器难免会出现一些故障和问题，使得传感器的状态不稳定，可靠性和精确性下降。因为数字称重系统是由各个数字传感器组成，单个的称重传感器的问题会导致整个数字称重系统的可靠性和精确性的下降。

在现有技术中还不能对于数字称重系统自身运行状况进行有效的监测和诊断。

技术实现要素：

本发明旨在提出一种能够对由数字称重传感器组成的称重网络进行监测的方法，以及相应的称重网络及其称重传感器。

根据本发明的一实施例，提出一种称重传感器，包括：四个应变片、数模转换电路和信号处理器。

四个应变片包括第一应变片sg1、第二应变片sg2、第三应变片sg3、第四应变片sg4，四个应变片贴装在传感器弹性体的表面，位于传感器弹性体的测力区域，四个应变片连接构成惠斯通电桥，再与感温元件组成应变桥。

数模转换电路，包含基准电压端(vref)、接地端(gnd)、多个输入通道和数字输出端(dout)，数模转换电路通过基准电压端(vref)和接地端(gnd)向应变桥进行激励，并通过多个输入通道分别接收应变桥的反馈信号，所述反馈信号通过数字输出端(dout)输出。

信号处理器从数模转换电路的输出端dout接收反馈信号，信号处理器包括受载力计算单元和状态信息矩阵计算单元，受载力计算单元根据反馈信号计算得到受载力值；状态信息矩阵计算单元根据反馈信号计算得到状态信息矩阵。

在一个实施例中，多个输入通道包括第一输入通道(ch1)、第二输入通道(ch2)、第三输入通道(ch3)。基准电压端vref输出高电压ve+，接地端gnd输出低电压ve-，激励电压(ve+，ve-)被施加至应变桥的两端。感温元件和惠斯通电桥之间引出第一反馈信号vbg，第一反馈信号vbg输入至第一输入通道ch1。第一应变片sg1和第二应变片sg2之间引出第二反馈信号vsp，第二反馈信号vsp输入至第二输入通道ch2。第三应变片sg3和第四应变片sg4之间引出第三反馈信号vsn，第三反馈信号vsn输入至第三输入通道ch3。

在一个实施例中，受载力计算单元根据第二反馈信号vsp和第三反馈信号vsn计算差分电压vs＝vsp-vsn，根据第一反馈信号vbg、第二反馈信号vsp和第三反馈信号vsn计算补偿函数f(vbg,vsp,vsn)，根据差分电压和补偿函数计算得到受载力值fn＝(vsp-vsn)*k+f(vbg,vsp,vsn)，其中k为传感器的应变力系数常数。

在一个实施例中，状态信息矩阵计算单元根据第一反馈信号vbg、第二反馈信号vsp和第三反馈信号vsn计算四个应变片的实时电压值，进一步根据实时电压值和受载力值fn计算得到状态信息矩阵st＝matrix(vsp,vsn,vbg,fn)。

在一个实施例中，还具有一状态信息矩阵阈值数据库，该状态信息矩阵阈值数据库中保存对应于不同的传感器应用状态的状态信息矩阵阈值sth，比较状态信息矩阵st和状态信息矩阵阈值sth，得到故障信息。同时根据受载力值fn和状态信息矩阵st检测传感器当前状态，并对因传感器当前状态所产生偏差进行修正。

根据本发明的一实施例，提出一种称重网络，包括：称重传感器阵列、采集设备和控制终端。称重传感器阵列包括数个前述的称重传感器。采集设备采集称重传感器阵列的外部信息。控制终端通过电源电缆和信号电缆与称重传感器阵列中的每一个称重传感器相连，控制终端通过电源电缆向称重传感器阵列中的称重传感器供电，并通过信号电缆接收称重传感器的信号。控制终端包括电缆监测单元，电缆监测单元检测电源电缆上的电流和阻抗，电缆检测单元检测信号电缆上的电压和阻抗，控制终端基于采集设备采集的外部信息和电缆检测单元的检测信号确定电源电缆和信号电缆的状态。

在一个实施例中，控制终端通过信号电缆接收称重传感器的信号包括各个称重传感器的受载力值fn和状态信息矩阵st。

在一个实施例中，外部信息包括称重传感器阵列中各个称重传感器的布置位置、称重对象的类型、时间信息。控制终端结合外部信息、各个称重传感器的受载力值fn和状态信息矩阵st建立一称重过程数据库。

根据本发明的一实施例，提出一种称重网络监测方法，应用前述的称重网络，控制终端实时采集实时外部信息、各个称重传感器的实时受载力值fn和实时状态信息矩阵st；将实时外部信息、各个称重传感器的实时受载力值fn和实时状态信息矩阵st与称重过程数据库中保存的数据相比较，监测称重网络的状态。

本发明的称重传感器、称重网络及监测方法能够对由数字称重传感器组成的称重网络的受载状态、使用过程、健康状况和使用寿命等信息进行侦测分析，对称重系统的网络状态、节点信息、通讯情况等信息进行诊断、分析和记录，从而保证了称重系统的可靠性和精确性。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1揭示了根据本发明的一实施例的称重传感器的示意图。

图2揭示了根据本发明的一实施例的称重网络的示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提升基于数字称重传感器的称重系统的可靠性，并保证其精确性。本发明提出一种数字称重传感器、由该数字称重传感器组件的称重网络以及对该称重网络的监测方法。借助于数字称重传感器和控制终端内部集成的软硬件资源，结合传感器受载力分析技术，综合运用多种智能化的数字诊断技术，对数字称重传感器节点的受载力状态、称重元件状态、使用寿命等信息进行侦测分析，对称重系统的使用过程、网络状态和通讯情况等信息进行侦测、分析、诊断和记录。

本发明的基本设计思路是：在称重传感器的测力区域上牢固地粘贴有电阻式应变片，当传感器受载后在测力区域产生微应变，应变片随之变形，电阻发生有规则的变化；依据惠斯通电桥原理，将应变片进行连接，并利用电压源进行驱动，从而将传感器的受载力转换成差分的电压信号输出；对输出的差分电压信号，进行滤波、放大、模数转换后，转化为称重信息；同时，分别对相关电压信号进行模数转换，得到称重元件状态信息。称重传感器依据一定原则进行设计和制造后，就具备了良好的重复性，保证了传感器受载信息、称重数据信息和称重元件状态信息三者间存在一致性。传感器受载信息和称重数据信息的一致性，保证了数字化后的称重数据能够地真实反映传感器的受载力情况；由于称重数据信息和称重元件状态信息间存在一致性，利用数字算法检测这两者的数据，并与预设阈值进行对比，可以得到称重传感器的实时状态信息，例如由应变片组成的电桥是否存在短路、断路等故障，用作感温元件的镍铂电阻是否存在短路、断路等故障，传感器是否存在由于机械损伤、过载疲劳等多种因素造成的应变片输出的不对称性。

同时利用称重传感器的实时状态信息，可以对因当前状态造成的称重数据的偏差进行修正，如传感器倾斜修正，角差修正等。

称重系统使用过程中，数字称重传感器将所受载荷转换为称重数据，以格式化数据的方式发给仪表、工控机等控制终端。在此过程中，本发明结合仪表、工控机等终端设备所提供的时间、称重对象类型等多维态信息，对称重系统的使用过程进行侦测和分析，例如传感器的过载时刻记录，传感器的有效称重次数记录，称重对象类型的时间、频次和总量等信息。利用传感器的过载时刻信息，能够在传感器因过载而造成故障时提供记录结果；利用传感器的有效称重次数记录，结合以疲劳极限理论和试验数据基础的称重元件状态和寿命算法，提供传感器节点的使用寿命状态信息，在临近疲劳寿命结束前发出预警信息；利用称重对象类型的时间、频次和总量信息，对不同的称重对象类型的称重时刻、频次、重量等级、过载次数和称重总量等信息的汇总分析，从而获取系统用户使用过程的重要信息。

数字称重传感器需要通过有线或无线等媒介，组建成一定的通讯拓扑网络，将称重数据发送给仪表、工控机等控制终端，通讯拓扑网络成为称重系统的重要组成部分。本发明在仪表、工控机工控机等控制终端和数字称重传感器上，对物理层通讯的电压信号进行监控。在仪表、工控机等控制终端上，对通讯数据传输的实时性、重发次数、误码数等重要信息进行侦测分析，将获取的电压信息和数据特性信息，通过以网络通讯原理和具体应用为基础的数字算法分析，从而获取通讯系统的状态信息，进行状态诊断和预警提示。

本发明的基础单元是数字称重传感器。图1揭示了根据本发明的一实施例的称重传感器的示意图。该称重传感器100包括：

四个电阻式应变片，包括第一应变片sg1、第二应变片sg2、第三应变片sg3、第四应变片sg4，四个电阻式应变片贴装在传感器弹性体的表面，位于传感器弹性体的测力区域。电阻式应变片的电阻值随弹性体受载后的形变而变化，且阻值呈对称变化。四个电阻式应变片连接构成惠斯通电桥，惠斯通电桥再与感温元件串联组成应变桥。在图示的实施例中，感温元件是镍铂电阻ni/pt。

数模转换adc电路，包括基准电压端vref、接地端gnd、第一输入通道ch1、第二输入通道ch2、第三输入通道ch3和输出端dout。数模转换adc电路通过基准电压端vref和接地端gnd向应变桥进行激励，并通过第一输入通道ch1、第二输入通道ch2、第三输入通道ch3接收应变桥的反馈信号，反馈信号通过输出端dout输出。在图1所示的实施例中，基准电压端vref输出高电压ve+，接地端gnd输出低电压ve-，激励电压(ve+，ve-)被施加至应变桥的两端，即惠斯通电桥再与感温电阻ni/pt的串联电路的两端。感温电阻ni/pt和惠斯通电桥之间引出第一反馈信号vbg，第一反馈信号vbg输入至第一输入通道ch1。第一应变片sg1和第二应变片sg2之间引出第二反馈信号vsp，第二反馈信号vsp输入至第二输入通道ch2。第三应变片sg3和第四应变片sg4之间引出第三反馈信号vsn，第三反馈信号vsn输入至第三输入通道ch3。

信号处理器mp从数模转换adc电路的输出端dout接收反馈信号，信号处理器mp包括受载力计算单元fu和状态信息矩阵计算单元su。受载力计算单元fu根据反馈信号计算得到差分电压和补偿函数，进一步根据差分电压和补偿函数计算得到受载力值。状态信息矩阵计算单元su根据反馈信号计算得到四个电阻式应变片的实时电压值，进一步根据实时电压值和受载力值计算得到状态信息矩阵。在一个实施例中，受载力计算单元fu根据第二反馈信号vsp和第三反馈信号vsn计算差分电压vs＝vsp-vsn，根据第一反馈信号vbg、第二反馈信号vsp和第三反馈信号vsn计算补偿函数f(vbg,vsp,vsn)，根据差分电压和补偿函数计算得到受载力值fn＝(vsp-vsn)*k+f(vbg,vsp,vsn)，其中k为传感器的应变力系数常数。状态信息矩阵计算单元su根据第一反馈信号vbg、第二反馈信号vsp和第三反馈信号vsn计算四个电阻式应变片的实时电压值，进一步根据实时电压值和受载力值fn计算得到状态信息矩阵st＝matrix(vsp,vsn,vbg,fn)。

信号处理器mp处理反馈信号的理论依据如下：

差分电压vs反映的是应变片的形变，即传感器弹性体的受载力的情况。

第二反馈信号vbg反映的是由应变片组成的惠斯通电桥的电压。同时由于应变桥是由稳压源进行激励，所以vbg也能够反映ni/pt电阻的电压，进而反映了传感器的温度信息。

对于第一反馈信号vbg、第二反馈信号vsp和第三反馈信号vsn，由于惠斯通电桥的其中一个节点连接到零电位，所以这三个电压的算术组合可以反映出四个应变片的电压，进而反映出称重元件的状态信息。

差分电压vs能够反映传感器受载力的情况，同时可以通过数字算法对vsp，vsn,vbg进行运算，得到传感器在受载时的温度，并对传感器的非线性误差、滞后误差、温度稳定性误差等因素进行补偿，进而最终得到真实的传感器受载力值：fn＝(vsp-vsn)*k+f(vbg,vsp,vsn)。其中k为传感器的应变力系数常数；f(vbg,vsp,vsn)是数字补偿运算函数。

通过对vsp，vsn和vbg进行算术组合运算，得到四个应变片的实时电压值，并结合传感器的受载力值fn、温度信息等多维信息，可以得到称重元件的状态信息矩阵st＝matrix(vsp,vsn,vbg,fn)。由于传感器的结构及其特性所决定，状态信息矩阵与传感器实际受载的力、温度、电桥状态等综合信息有一致性。在传感器生产过程中，对不同温度和不同载荷情况下的状态信息矩阵，进行记录。根据传感器应用特定分析，得到状态信息矩阵的阈值sth。在传感器实际应用过程中，将状态信息矩阵st与其阈值sth进行对比，即可判别出由应变片组成的电桥是否存在短路、断路现象。用作感温元件的镍铂电阻是否存在短路、断路现象。传感器是否存在由于机械损伤、过载疲劳等多种因素造成的应变片输出的不对称性等多种故障现象，从而实现对称重元件状态信息的智能诊断。

于是，在一个实施例中，该称重传感器还可以包括或者连接到一状态信息矩阵阈值数据库，该状态信息矩阵阈值数据库中保存对应于不同的传感器应用状态的状态信息矩阵阈值sth，比较状态信息矩阵st和状态信息矩阵阈值sth，得到故障信息。

同时根据状态信息矩阵st检测传感器当前状态，并对因传感器当前状态所产生的受载力值fn与实际受载力值之间的偏差进行修正。

在本实例中，感温元件采用镍铂电阻，事实上，采用其他类型的温度传感器也可以实现类似功能。

在本实例中，感温元件与由应变片组成的惠斯通桥路串联，构成了完整的应变桥，事实上，感温元件与由应变片组成的惠斯通桥路可以分别激励，也可以实现类似的智能诊断功能。

以前述的数字称重传感器为基础，本发明提出一种称重网络，图2揭示了根据本发明的一实施例的称重网络的示意图。该称重网络200包括：称重传感器阵列202、采集设备204和控制终端206。

称重传感器阵列202包括数个前述的称重传感器100。采集设备204采集称重传感器阵列的外部信息。在一个实施例中，采集设备采集的外部信息包括称重传感器阵列中各个称重传感器的布置位置、称重对象的类型、时间信息。采集设备204主要包括监视设备和内置电路。控制终端206通过电源电缆261和信号电缆262与称重传感器阵列中的每一个称重传感器100相连，控制终端206通过信号电缆接收称重传感器的信号包括各个称重传感器的受载力值fn和状态信息矩阵st。在一个实施例中，控制终端206主要包括仪表和工控机。在实际应用中，当称重传感器通过有线方式进行拓扑连接时，通常采用各类型的电缆进行连接，实践中发现很多故障均源自电缆本身故障和电缆连接故障。称重网络所采用的电缆，依据用途可将其内部芯线分别定义为电源电缆和数据信号电缆。为了排出由于电缆故障或者电缆连接故障所引起的信号错误，本发明在控制终端中设计了以实时电流、阻抗、幅值等特征电信号检测为目的的电路，通过对电源电缆中的电流进行实时检测，并与电流阈值和传感器数量等关键信息进行对比，对电源电缆是否存在破损、短路等故障进行判别和预警。通常数据信号电缆接口均是高组态，因而直接通过测量信号电缆中的电流便无实际意义，本发明通过对数据信号电缆上的阻抗和幅值等特征电信号进行测试，结合通讯网络拓扑结构和传感器数量等信息，实现对数据信号电缆的状态进行诊断分析和预警提示。

在一个实施例中，控制终端206通过电源电缆261向称重传感器阵列202中的称重传感器100供电，并通过信号电缆262接收称重传感器的信号。控制终端206包括电缆监测单元，电缆监测单元检测电源电缆261上的电流和阻抗，电缆检测单元还检测信号电缆262上的电压和阻抗。控制终端206基于采集设备采集的外部信息和电缆检测单元的检测信号确定电源电缆261和信号电缆262的状态。控制终端206结合外部信息、各个称重传感器的受载力值fn和状态信息矩阵st建立一称重过程数据库。基于该称重过程数据库，控制终端206能够达成如下的监测功能：

a)依据预设的过载荷阈值，在称重传感器出现过载的情况下，对过载载荷和时刻进行记录，此记录值将保存在称重传感器中，并发送到控制终端进行保存，用以监测称重网络的使用情况，并能在称重传感器故障时提供分析依据。

b)依据预设的有效载荷阈值，称重传感器对有效称重次数进行记录，结合以疲劳极限理论和试验数据为基础的寿命预测算法，并考虑到过载次数和频次，提供称重传感器节点的使用寿命状态信息，在临近疲劳寿命前发出预警信息。

c)控制终端对称重对象类型的称重时间、频次和总量等信息进行分析、记录，对不同的称重对象类型进行称重时刻、频次、重量等级、过载次数和称重总量等信息的汇总分析，从而获取系统用户使用过程的重要信息。

d)称重传感器在称重网络中的安装位置不同，根据基本的物理学原理分析，各称重传感器的称重数据与其安装位置有关系，所获得的称重数据也会有所不同。在称重传感器安装位置存在对称性的前提下，其称重数据也具有由位置对称性所决定的数值对称性。控制终端通过对称重传感器的称重数据和位置参数进行分析记录，进而可以侦测、诊断得出称重网络的使用状态情况。

e)控制终端的电缆监测单元对通讯电缆中的信号电缆所传输的信号电压进行侦测，进而对通讯信号进行物理层角度的侦测和分析，对信号电缆网络可能存在的破损、短路、误接地等问题进行监测。

f)控制终端在与数字传感器通讯的过程中，对通讯数据传输的实时性、重发次数、误码数等重要信息进行侦测分析，将获取的电压信息和数据特性信息，通过以网络通讯原理和具体应用为基础的数字算法分析，从而获取通讯系统的状态信息，进行状态诊断和预警提示。

g)控制终端内部集成了电缆监测单元，以进行实时电流、阻抗、幅值等特征电信号检测，通过对电源电缆中的电流进行实时检测，并与电流阈值和传感器数量等关键信息进行对比，对电源电缆是否存在破损、短路等故障进行判别和预警；通过对信号电缆上的阻抗、电平幅值等特征电信号进行测试，结合通讯网络拓扑结构和传感器数量等信息，实现对数据信号电缆的状态进行诊断分析和预警提示。

本发明还提出一种称重网络监测方法，应用于前述的称重网络，控制终端实时采集实时外部信息、各个称重传感器的实时受载力值fn和实时状态信息矩阵st。将实时外部信息、各个称重传感器的实时受载力值fn和实时状态信息矩阵st与称重过程数据库中保存的数据相比较，监测称重网络的状态。

该称重网络监测方法能够实现的功能包括前述的功能a)～g)。

本发明的称重传感器、称重网络及监测方法能够对由数字称重传感器组成的称重网络的受载状态、使用过程、健康状况和使用寿命等信息进行侦测分析，对称重系统的网络状态、节点信息、通讯情况等信息进行诊断、分析和记录，从而保证了称重系统的可靠性和精确性。