基于单一平面电容传感器的称重系统

技术领域

本发明涉及微量称重测试技术领域，具体涉及基于单一平面电容传感器的称重系统。

背景技术

药品质量的准确与否不仅影响制药企业的信誉与经济效益，更是直接影响到药品的安全性和有效性，实现药品在生产过程中高精度的微量称重，是保证药品质量的准确和提高生产效率的关键环节。

药品按形态可分为液态、颗粒状和粉末状等几种，这些药品的包装大多采用灌装生产线。根据调查，市场上常见的灌装机有称重式和体积式。称重式由于适用范围广泛、稳定可靠及准确度高等优点，被越来越多的药品生产企业采用。称重式灌装机是根据称得的重量进行灌装，先用高精度的电子秤称得灌装液体的重量，再进行灌装，这样可以直接根据称得的重量进行控制。

药品的称重灌装过程如下：置于传送带上的药品会随传送带一起传输；当传送带上的药品接近光电开关时，会触发相应的光电开关；光电开关被触发后，称重系统将会按照预先设置好的程序对药品进行称重；然后称重传感器会输出相应的称重数据，并将称重数据发送到控制器；控制器对接收到的数据进行分析、处理，并控制后续处理装置进行相应操作，保留质量达标的药品，将质量不合格的药品剔除。

药品称重目前常用的称重传感器是基于力—电转换的测力系统，根据受力平衡将重量的变化转换成电信号量的变化。药品生产线上的称重传感器按照称重原理可以分为电阻应变式、电容式、电感式、压电式、压磁式等。其中，电阻应变式称重传感器和电容式称重传感器应用最广泛。

电阻应变式称重传感器是药品生产质量检测中使用的主流的称重传感器，有较好的稳定性，但存在蠕变、滞后等不足，需要进行相应的补偿来提高传感器的性能。

现有市场上的电容式称重传感器多指平行极板式电容传感器，根据检测原理可分为变面积式、变电极间距式和变介质式电容传感器，但是因电容本身易受寄生电容、分布电容等杂散电容的影响，而且容易损坏，不易维修。

发明内容

为解决药品灌装生产线上微量称重要求，本发明提出一种单一平面电容传感器作为称重传感器，单一平面电容传感器性能高，配合屏蔽电极的设计使得输出电容值稳定可靠，在称重过程中，不会受到运动状态等的影响，可实现动态、微量准确地称重。

为实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

基于单一平面电容传感器的称重系统，在结构上主要由：平面电容传感器单元、下位机单元以及上位机单元组成；

所述的平面电容传感器单元感知被测药品质量的变化，并将其转变成电容值的变化；

所述的下位机单元主要由微小电容检测电路、微处理器电路、蓝牙无线通讯电路以及电源管理电路组成，所述的微小电容检测电路主要包括Pcap01的电容数字转换芯片，内部带有DSP处理单元，可测量所述的平面电容传感器单元电容值的变化量，通过SPI通讯方式将测得数据发送给所述的微处理器电路；所述的微处理器电路主要包括型号为STM32F103的处理器芯片，将接受的数据转换成可处理的数字信号，并对其进行分析、处理和计算，与待测药品的质量建立对应的函数关系；所述的蓝牙无线通讯电路主要包括型号为HM19的蓝牙模块，负责将微处理器电路的处理结果发送到上位机单元；所述的电源管理电路负责所述的平面电容传感器单元、微小电容检测电路、微处理器电路、蓝牙无线通讯电路供电。

上述平面电容传感器单元主要由激励电极、感应电极、屏蔽电极和基底组成，

所述的激励电极和感应电极安装在所述的基底顶部同一平面，主要尺寸为：电极长度：35mm、电极宽度：35mm、电极间距：5mm、以及电极厚度：0.018mm；

所述的基底材料为FR-4环氧树脂材料的介质，厚度为1.6mm；

所述的屏蔽电极分为底部屏蔽电极和极间屏蔽电极，通过在所述的基底上进行覆铜完成；

进一步的，所述的底部屏电极基于基底底部覆铜制成，所述的覆铜厚度为0.018mm，形成底部屏蔽，覆铜信号为GND，减少电场扰动；

所述的极间屏蔽电极基于基座顶部的四周以及所述的激励电极、感应电极极间覆铜，覆铜厚度为0.018mm，覆铜信号为GND，形成极间屏蔽，提高抗干扰能力。

上述平面电容传感器单元的对外接口采用的是BNC屏蔽线，BNC屏蔽线可以最大程度的减小导线电容带来的影响。

上述上位机单元包括计算机和上位机软件，所述的上位机软件基于计算机运行，提供了人机交互的操作界面，可设置初始化参数，主要功能是对数据实时显示和存储历史数据。

与现有称重技术相比，本发明的有益效果是：本发明不同于平行极板电容传感器，平面电容传感器的两个极板处于同一平面内，利用边缘电场进行检测，具有单边穿透、信号强度可调及无损检测等特点，可应用于样本物理特性的介电测量。其测量原理是依据待测物的变化会引起极板间介电常数的变化，影响电场的分布，导致输出的电容值发生变化，通过相关算法，推导出电容值变化与待测药品变化之间的函数关系从而实现药品的微量称重。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的平面电容传感器单元的结构示意图。

图3为本发明的案列微量称重测试实验数据。

图4为本发明的案列微量称重测试曲线图。

图5为本发明的案列微量称重拟合曲线图。

图1中：1、平面电容传感器单元；2、下位机单元；3、上位机单元；4、微小电容检测电路；5、微处理器电路；6、蓝牙无线通讯电路；7、电源管理电路。

图2中：8、激励电极；9、感应电极；10、基底；11、底部屏蔽电极；12、极间屏蔽电极。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为解决药品生产线上动态、微量称重问题，本发明实施例提供了一种基于单一平面电容传感器的称重系统。平面电容传感器单元1输出的电容值会与其极板间的介电常数有关，待测药物质量的变化会引起极板间介电常数的变化，影响电场的分布，导致输出的电容值发生变化，通过相关算法，推导出电容值变化与待测药品变化之间的函数关系，本发明就是根据该原理实现称重。

如图1所示：本发明在结构上主要由：平面电容传感器单元1、下位机单元2以及上位机3单元机组成；所述的平面电容传感器单元1感知被测药品质量的变化，并将其转变成电容值的变化；所述的下位机单元2主要由微小电容检测电路4、微处理器电路5、蓝牙无线通讯电路6以及电源管理电路7组成，所述的微小电容检测电路4主要包括Pcap01的电容数字转换芯片，内部带有DSP处理单元，可测量所述的平面电容传感器单元1电容值的变化量，通过SPI通讯方式将测得数据发送给所述的微处理器电路5；所述的微处理器电路5主要包括型号为STM32F103的处理器芯片，将接受的数据转换成可处理的数字信号，并对其进行分析、处理和计算，与待测药品的质量建立对应的函数关系；所述的蓝牙无线通讯电路6主要包括型号为HM19的蓝牙模块，负责将微处理器电路5的处理结果发送到上位机单元3；所述的电源管理电路7负责所述的平面电容传感器单元1、微小电容检测电路4、微处理器电路5、蓝牙无线通讯电路6供电。

如图2所示：平面电容传感器单元1主要由激励电极8、感应电极9、屏蔽电极和基底10组成，所述的激励电极8和感应电极9安装在所述的基底10顶部同一平面，主要尺寸为：电极长度：35mm、电极宽度：35mm、电极间距：5mm、以及电极厚度：0.018mm；所述的基底10材料为FR-4环氧树脂材料的介质，厚度为1.6mm；所述的屏蔽电极分为底部屏蔽电极11和极间屏蔽电极12，通过在所述的基底10上进行覆铜完成；

进一步的，所述的底部屏电极11基于基底10底部覆铜制成，所述的覆铜厚度为0.018mm，形成底部屏蔽电极，覆铜信号为GND，减少电场扰动；

所述的极间屏蔽电极12基于基座10顶部的四周以及所述的激励电极8、感应电极9极间覆铜，覆铜厚度为0.018mm，覆铜信号为GND，形成极间屏蔽，提高抗干扰能力。

给出案列，针对纯净水进行本发明的称重测试，容器是医用西林瓶，其中，纯净水的介电常数是78.5。

本发明涉及的称重系统工作过程如下：

S1：将平面电容传感器单元1通过BNC屏蔽线接下位机单元2，连接线缆尽可能短、直；

S2：将空的医用西林瓶置于平面电容传感器单元1上方，待数据稳定后，连续20次测量取平均值，得到的电容值约为9.964pF，因此设置Pcap01芯片内的参考电容C

S3：用微量滴定管想西林瓶中逐滴加入纯净水，待数据稳定后，连续测20次电容并取平均值，记为C

ΔC

注：微量滴定管是标准的酸式滴定管，一滴纯净水的体积约为0.05mL，根据国际温标(ITS-90)纯净水密度表，在26.0℃时，纯净水的密度为ρ＝996.782kg/m

S4：纯净水称重测量的实验数据如图3所示，纯净水质量Δm

S5：对0.3mg～1.0mg的数据进行拟合，得到的拟合方程为式(2)，拟合曲线如图5所示，拟合的相关系数为R2＝0.989790，由此可得，在一定质量范围内，纯净水的质量与电容值成线性关系，证明了本发明所提方案的可行性，为药物生产称重灌装提出了一种微量称重系统，具有一定的新颖性、创新性和实用性。

C＝2.6489×m-0.5337 (式2)。