一种快速动态称重传感器的制作方法

本发明是基于石英晶体谐振器(quartzcrystalresonator，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fs和fp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。

技术实现要素：

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：

该方案使用的qcr，由石英晶片和镀在两面的电极构成，其中一面电极的直径可以根据需要等于或小于另外一面电极的直径，这面电极我们称之为上电极。靠近上电极增加一个检测用的控制金属板，控制金属板平行于上电极，当重物如车辆经过时控制金属板与上电极之间距离发生细微变化，这将会引起qcr谐振频率的变化。其结构简要示意图如图4所示。这种变化称之为临近效应，其简要原理示意图如图5所示。因为金属板的靠近，极大的加剧了电极部分电场的散射，此时的qcr等效电路如图2所示，相当于在传统的等效电路上串联了一个负载电容cl，此时qcr的谐振频率为(y.yao，h.zhang，x.h.huang.enhancedsensitivityofquartzcrystalproximitysensorsusinganasymmetricalelectrodesconfiguration[j].sensorsandactuatorsaphysical，2017，258：95-100)：

其中

由式(2)可知，临近效应所带来的等效负载电容变化改变了qcr的谐振频率，并且负载电容的大小和控制金属板与qcr之间的距离是相关的，而且，进一步的实验也证明当控制金属板接地时频率变化更为明显，同时并联谐振频率fp的频率变化要远远大于串联谐振频率fs的频率变化。由此我们便可以通过检测qcr谐振频率的变化来检测金属板与qcr之间的距离变化，从而便可以对物体进行称重。

方案二：

该方案使用的qcr，也由石英晶片和镀在两面的电极构成，并采用一个专门设计的可变电容与qcr串联，该电容由两块金属片构成，两块金属片之间的距离可由质量或压力的变化精确控制，金属片之间可以是空气或添加合适的电介质，该电容器的电容可由下式计算：

εr为相对介电常数，ε0为真空介电常数，s为两块金属片之间重合部分面积，d为两块金属片之间的距离。电路连接上该电容器是与qcr串联，其结构简要示意图如图6所示。串联后的电路等效模型如图2所示。串联后qcr的串联谐振频率由式(2)计算。质量或压力的变化精确控制金属片之间的距离变化从而精确的控制电容器的电容变化，qcr的谐振频率随电容的变化而发生变化，通过检测谐振频率的变化实现对物体的称重。

方案三：

该方案示意图如图7所示，采用了压敏传感器和变容二极管，其中压敏传感器用于感受由于重力所带来的压力，受压后敏感物理量将发生变化，带来变容二极管所承载的电压发生变化，这一电压用来控制变容二极管，电压变化时该变容二极管的等效电容也将发生变化，该电容器与qcr串联，由前两个方案分析可知此时qcr谐振频率将发生变化，其等效电路模型如图2所示，谐振频率由式(2)计算。由此便可以实现对物体准确快速的动态称重。

附图说明

图1为qcr等效电路模型，r为动态电阻，c为动态电容，l为动态电感，c0为静态电容。

图2为qcr串联负载电容时的等效电路模型，cl为负载电容，c′0，l′，c′，r′分别为加入负载电容后等效的静态电容，动态电感，动态电容，动态电阻。

图3为以12.8mhzat切石英晶体谐振器(qcr)为例的串联谐振频率随负载电容的变化曲线，由此图可以看出负载电容变化和频率变化在实际常用范围内之间可以近似为线性关系。

图4为方案一简要示意图，11为上电极，12为下电极，13为石英晶片，14为金属板。金属板14靠近或远离上电极11都将会导致qcr串并联谐振频率变化。

图5为简要临近效应原理示意图。其中31为上电极，32为下电极，33为石英晶片，34为金属板，虚线为电极电场散射简要示意。

图6为方案二简要示意图，21、22为同一种且大小相同的金属片，该两个金属片大小也可以不同。金属片的等效电容与qcr串联，金属片21靠近或远离金属片22将会导致qcr串联谐振频率发生变化。

图7为方案三简要示意图，r1、r3为普通电阻器，r2为压敏传感器，这里以压敏电阻为例，c1为变容二极管，c2为隔直电容，a为振荡电路中的放大器。压敏电阻r2感受压力导致电阻值发生变化，控制变容二极管c1两端电压变化，从而控制了其电容变化，qcr串联谐振频率将随着变容二极管c1电容的变化而变化。

具体实施方式

方案一：

将qcr置于与金属板平行的位置固定，将qcr接入频率计或网络分析仪，由于物体的重力作用精确的移动金属板，通过频率计或网络分析仪记录qcr串并联谐振频率的变化，其中并联谐振频率只能通过网络分析仪检测。由此得出qcr对于金属板距离变化的频率响应并画出频率响应曲线，通过相应的数据处理后作为计算物体质量的依据。

因为物体在移动过程中存在加速，减速，颠簸等严重附加压力干扰，会对检测造成非常大的影响，因此在实际检测过程中需要对检测数据进行适当的处理以提取出物体的准确的质量。得益于频率检测速度快、精度高，我们可以得到一系列密集的频率变化点，形成一条曲线。因为移动过程中存在的某些干扰，如物体的上台冲击和下台冲击等，因此我们对这条曲线运用合适的神经网络算法去除这些不合适的数据，然后通过机器学习以及大量的实测数据优化物体质量计算算法，提高检测精度。

方案二：

方案二的具体操作与方案一不同，它通过固定一块金属板同时将另一块金属板固定在位移平台，通过物体的重力作用精确的控制位移平台的位移来控制两块金属板之间的距离变化，从而带来与qcr串联的这个等效电容器的电容值变化，进而带来串联谐振频率的变化。用频率计或网络分析仪记录qcr串联谐振频率的变化。最后通过方案一类似的数据处理得到频率响应的数据，从中得到准确的物体质量信息。

方案三

方案三的示意图如图7所示，此时压敏传感器使用简单的压敏电阻，其中压敏电阻用于感受物体压力，压力的改变带来电阻的变化，从而带来电压的变化→变容二极管电容变化→qcr的串联谐振频率变化，使用频率计或网络分析仪记录qcr串联谐振频率变化。因为物体在移动过程中存在加速，减速，颠簸等严重附加压力干扰的情况，最后通过方案一类似的数据处理得到频率响应数据，从中得到准确的物体质量信息。