一种平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器

技术领域

本发明涉及称重压力传感器技术领域，更具体地，涉及一种平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器。

背景技术

目前国内外现有的称重压力传感器，主要有悬臂梁称重传感器、轮辐式压力传感器、S型拉压传感器、张力传感器、微型传感器、膜盒式传感器、柱式传感器、挂式传感器、多维力传感器、静态扭矩传感器、动态扭矩传感器等等，以上传感器用于各行业工程领域，各种应用的被测量数据和精度都不同，需根据要求选用某种产品。

但是有一种特定的工程应用，因其安装空间狭小、振动冲击频繁、预紧力较大等因素，导致以上所列常规称重压力传感器产品无法适用于这个特定的工程应用（大量程传感器尺寸过大无法安装；尺寸较小的传感器，测量量程太小，不满足这个特定应用所需承载力的要求）。

这个特定应用要求一种量程在25T左右、尺寸（长*宽*高）小于100*100*20mm的称重压力传感器，但目前还没有这种产品。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，具有使用尺寸小、量程大、精度高，适应广泛、易于维护、稳定性好等特点。

作为本发明的第一个方面，提供一种平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，包括弹性壳体，所述弹性壳体内部腔体的顶端固定有电阻应变片，所述弹性壳体内部腔体的中间固定有可变电阻，所述电阻应变片和可变电阻电学连接组成桥式电路。

进一步地，所述桥式电路连接进线缆的一端，所述进线缆的另一端穿出所述弹性壳体后与数字变送器连接，在所述弹性壳体上供所述进线缆插入的端口处设有防水线套，所述弹性壳体的底部设有用于密封所述弹性壳体内部腔体的后盖板。

进一步地，所述弹性壳体中对应于安装所述电阻应变片的承重部位向上凸起，形成凹凸式的弹性壳体。

进一步地，所述数字变送器上设置有两个接线柱，其中一个接线柱连接所述进线缆，另外一个接线柱连接信号线。

进一步地，所述信号线包括5-24V直流电源电缆和RS485通讯电缆。

进一步地，所述电阻应变片使用粘合剂固定在所述弹性壳体内部腔体的顶端。

进一步地，所述桥式电路包括可变电阻Ra、可变电阻Rb、第一应变片、第二应变片、第三应变片以及第四应变片，所述第一应变片、第二应变片、第三应变片以及第四应变片之间首尾连接，所述可变电阻Ra和可变电阻Rb串联后的一端连接到第一应变片、第二应变片之间，另一端连接到第三应变片、第四应变片之间，所述第一应变片和第二应变片之间的连接点为电源正极，所述第三应变片和第四应变片之间的连接点为电源负极，所述第二应变片和第四应变片之间的连接点为输出电压正极，所述第三应变片和第一应变片之间的连接点为输出电压负极，屏蔽线连接在所述弹性壳体上。

进一步地，所述数字变送器包括处理器、转换模块、通讯模块以及电源模块，所述转换模块和通信模块均与所述处理器连接，所述电源模块分别与所述处理器、转换模块以及通讯模块连接，所述转换模块包括AD采集电路、基准电压电路以及AD晶振电路。

进一步地，所述处理器包括主控芯片U1；所述AD采集电路包括转换芯片IC2、AD接线端子、电容C10、C11、C15、C17；所述基准电压电路包括电阻R6、电容C16以及二极管K，所述电阻R6的一端连接所述电源模块的VCC端，所述电阻R6的另一端分别连接电容C16和二极管K，所述基准电压电路的REF+端输出基准电压；所述AD晶振电路包括晶振X2、电容C18以及电容C19；所述通讯模块包括通讯芯片IC1、红色二极管RX、红色二极管TX、二极管D4、D5、电阻R7、R8、R9、R10、R11以及电容C12；所述电源模块包括电源芯片U2、自恢复保险丝F1、二极管D1、D2、D3、电容C13、C14以及电感L1；

所述主控芯片U1的PD0引脚分别连接所述转换芯片IC2的第2引脚和晶振X2的正极，所述主控芯片U1的PD1引脚分别连接所述转换芯片IC2的第3引脚和晶振X2的负极；

所述转换芯片IC2的第1引脚连接所述主控芯片U1的第PB13引脚，所述转换芯片IC2的第2引脚连接所述主控芯片U1的PD0引脚，所述转换芯片IC2的第3引脚连接所述主控芯片U1的PD1引脚，所述转换芯片IC2的第4引脚连接所述主控芯片U1的PB12引脚，所述转换芯片IC2的第5引脚连接所述主控芯片U1的PB11引脚，所述转换芯片IC2的第6引脚分别连接电容C17的一端和所述AD接线端子的第2位置，所述转换芯片IC2的第7引脚分别连接电容C15的一端和所述AD接线端子的第3位置，所述转换芯片IC2的第8引脚分别连接电容C15的另一端和所述AD接线端子的第4位置，所述转换芯片IC2的第11引脚分别连接电容C17的另一端和所述AD接线端子的第1位置，所述转换芯片IC2的第9引脚连接所述基准电压电路的REF+端，所述转换芯片IC2的第10引脚连接电源模块的GND端，所述转换芯片IC2的第12引脚连接所述主控芯片U1的PA8引脚，所述转换芯片IC2的第13引脚连接所述主控芯片U1的PB14引脚，所述转换芯片IC2的第14引脚连接所述主控芯片U1的PB15引脚，所述转换芯片IC2的第15引脚分别连接电容C10的一端、电容C11的一端和电源模块的VCC端，所述转换芯片IC2的第16引脚分别连接电容C10的另一端、电容C11的另一端和电源模块的GND端；

所述通讯芯片IC1的第1引脚分别连接所述红色二极管RX的负极和所述主控芯片U1的PA10引脚，所述红色二极管RX的正极连接所述电阻R7，所述通讯芯片IC1的第4引脚分别连接所述红色二极管TX的负极和所述主控芯片U1的PA9引脚，所述红色二极管TX的正极连接电阻R8，所述通讯芯片IC1的第2引脚和第3引脚均连接所述主控芯片U1的PA11引脚，所述通讯芯片IC1的第5引脚连接所述电源模块的GND端，所述通讯芯片IC1的第6引脚分别连接电阻R10、电阻R11的一端和二极管D5，所述通讯芯片IC1的第7引脚分别连接电阻R9的一端、电阻R11的另一端和二极管D4，所述通讯芯片IC1的第8引脚分别连接所述电源模块的VCC端和电容C12的一端，所述电容C12的另一端连接电阻R9的另一端；

所述电源芯片U2的第1引脚分别连接所述二极管D2的负极和电容C13的正极，所述二极管D2的正极分别连接所述自恢复保险丝F1和二极管D1的一端，所述电源芯片U2的第3引脚和第5引脚均分别连接所述二极管D1的另一端、二极管D3的正极、电容C13的负极以及电容C14的负极，所述电源芯片U2的第2引脚分别连接所述二极管D3的负极和电感L1的一端，所述电源芯片U2的第4引脚分别连接所述电感L1的另一端和电容C14的正极。

进一步地，所述通讯芯片IC1的型号为MAX485；所述转换芯片IC2的型号为AD7707；所述主控芯片U1的型号为STM32F103C8T6；所述电源芯片U2的型号为LM2596R-5。

从以上描述可以看出，本发明的技术效果在于：

（1）根据特定工程应用需求（安装空间狭小、振动冲击频繁、预紧力较大），从材料、结构及工艺方面进行了艰苦攻关，开发成功了尺寸（L*W*H）在100*100*20mm以下、量程25T左右（此量程既考虑了预紧力因素，也考虑了瞬间冲击力因素）、精度±0.3%-±0.5%的小尺寸大量程称重压力传感器；

（2）按照预设实际使用场景要求，要求传感器基本材料应具有高强度、高弹性、高耐磨等特性；通过对大量材料的抗拉/压强度、塑性指标、疲劳特性、耐磨性能、热处理工艺等各类参数综合考虑后，优选几种材料型号并进行了艰苦的实验，最后确定使用综合机械性能好、强度高、冲击韧性好、过热敏感性较低、高温性能稳定的高强度合金锰钢，作为传感器的基本材料；

（3）结构设计方面，目前小尺寸压力传感器通常采用的是“轮辐式”结构（柱式、S型等均不适合小尺寸），但“轮辐式”结构的不足是随尺寸由大趋小，其量程也呈递减（符合尺寸的量程不大于5T），为此，利用先进的CAE(Computer Aided Engineering)技术，对传感器进行各种工况（如预紧力、瞬间冲击力等）的数值模拟与仿真，经过反复优化设计后，确定采用平板凹凸式结构，使之既符合实际使用场景尺寸需求又满足较大量程的性能要求；

（4）工艺方面，与专业传感器生产厂商联合，通过应力分析、仿真计算，设计优化并确定传感器的加工、组装工艺标准；

（5）平板凹凸式小尺寸大量程称重传感器本身具有尺寸小、量程大、精度高，适应广泛、易于维护、稳定性好等特点，极大地降低特定应用领域的设计工程困难，提高了方案设计能力和开发能力，加快了特定应用开发和大规模生产，填补了特定领域使用称重压力传感器的空白，进一步推动物联网的发展和应用范围。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的数字变送器的结构示意图。

图3为本发明的桥式电路的结构示意图。

图4为本发明的数字变送器的原理图。

图5为本发明的处理器的电路图。

图6为本发明的转换模块的电路图。

图7为本发明的通讯模块的电路图。

图8为本发明的电源模块的电路图。

附图标记说明：1-进线缆；2-电阻应变片；3-可变电阻；4-弹性壳体；5-防水线套；6-后盖板；7-接线柱；8-数字变送器；9-信号线；10-桥式电路。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

在本实施例中提供了一种平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，如图1所示，所述平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器包括弹性壳体4，所述弹性壳体4内部腔体的顶端固定有电阻应变片2，所述弹性壳体4内部腔体的中间固定有可变电阻3，所述电阻应变片2和可变电阻3电学连接组成桥式电路10。

优选地，如图1-2所示，所述桥式电路10连接进线缆1的一端，所述进线缆1的另一端穿出所述弹性壳体4后与数字变送器8连接，在所述弹性壳体4上供所述进线缆1插入的端口处设有防水线套5，所述弹性壳体4的底部设有用于密封所述弹性壳体4内部腔体的后盖板6。

优选地，如图1所示，所述弹性壳体4中对应于安装电阻应变片2的承重部位向上凸起，形成凹凸式的弹性壳体，以便在使用时可以确保电阻应变片2能够及时精确地产生变形。

优选地，如图2所示，所述数字变送器8上设置有两个接线柱7，其中一个接线柱7连接所述进线缆1，另外一个接线柱7连接信号线9。

优选地，所述信号线9包括5-24V直流电源电缆和RS485通讯电缆。

优选地，所述电阻应变片2使用粘合剂固定在所述弹性壳体4内部腔体的顶端。

优选地，如图3所示，所述桥式电路10包括可变电阻Ra、可变电阻Rb、第一应变片、第二应变片、第三应变片以及第四应变片，所述第一应变片、第二应变片、第三应变片以及第四应变片之间首尾连接，所述可变电阻Ra和可变电阻Rb串联后的一端连接到第一应变片、第二应变片之间，另一端连接到第三应变片、第四应变片之间，所述第一应变片和第二应变片之间的连接点为电源正极，所述第三应变片和第四应变片之间的连接点为电源负极，所述第二应变片和第四应变片之间的连接点为输出电压正极，所述第三应变片和第一应变片之间的连接点为输出电压负极，屏蔽线连接在所述弹性壳体4上。

具体地，当该平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器表面受力时，应变片1、应变片2、应变片3、应变片4产生形变，导致应变片1、应变片2、应变片3、应变片4的电阻值改变，引起桥式电路10的结构变化，桥式电路10输出的电压值就会改变，通过这个电压值的变化来感应承受的压力。

优选地，如图4所示，所述数字变送器8包括处理器、转换模块、通讯模块以及电源模块，所述转换模块和通信模块均与所述处理器连接，所述电源模块分别与所述处理器、转换模块以及通讯模块连接，所述转换模块包括AD采集电路、基准电压电路以及AD晶振电路。

具体地，电源模块给处理器、转换模块以及通讯模块供电，处理器负责协调整个系统，转换模块负责检测传感器输出的微电压信号，利用基准电压电路提供的基准电压，将桥式电路10输出的电压信号转换为数字电压信号（处理器能够识别到的电压信号），AD晶振电路用于为转换模块提供振荡频率，处理器将该数字电压信号转换为压力值，通讯模块负责将压力值转换为数字信号后以RS485的协议输出。

优选地，如图5-8所示，所述处理器包括主控芯片U1；所述AD采集电路包括转换芯片IC2、AD接线端子、电容C10、C11、C15、C17；所述基准电压电路包括电阻R6、电容C16以及二极管K，所述电阻R6的一端连接所述电源模块的VCC端，所述电阻R6的另一端分别连接电容C16和二极管K，所述基准电压电路的REF+端输出基准电压；所述AD晶振电路包括晶振X2、电容C18以及电容C19；所述通讯模块包括通讯芯片IC1、红色二极管RX、红色二极管TX、二极管D4、D5、电阻R7、R8、R9、R10、R11以及电容C12；所述电源模块包括电源芯片U2、自恢复保险丝F1、二极管D1、D2、D3、电容C13、C14以及电感L1；

所述主控芯片U1的PD0引脚分别连接所述转换芯片IC2的第2引脚和晶振X2的正极，所述主控芯片U1的PD1引脚分别连接所述转换芯片IC2的第3引脚和晶振X2的负极；

所述转换芯片IC2的第1引脚连接所述主控芯片U1的第PB13引脚，所述转换芯片IC2的第2引脚连接所述主控芯片U1的PD0引脚，所述转换芯片IC2的第3引脚连接所述主控芯片U1的PD1引脚，所述转换芯片IC2的第4引脚连接所述主控芯片U1的PB12引脚，所述转换芯片IC2的第5引脚连接所述主控芯片U1的PB11引脚，所述转换芯片IC2的第6引脚分别连接电容C17的一端和所述AD接线端子的第2位置，所述转换芯片IC2的第7引脚分别连接电容C15的一端和所述AD接线端子的第3位置，所述转换芯片IC2的第8引脚分别连接电容C15的另一端和所述AD接线端子的第4位置，所述转换芯片IC2的第11引脚分别连接电容C17的另一端和所述AD接线端子的第1位置，所述转换芯片IC2的第9引脚连接所述基准电压电路的REF+端，所述转换芯片IC2的第10引脚连接电源模块的GND端，所述转换芯片IC2的第12引脚连接所述主控芯片U1的PA8引脚，所述转换芯片IC2的第13引脚连接所述主控芯片U1的PB14引脚，所述转换芯片IC2的第14引脚连接所述主控芯片U1的PB15引脚，所述转换芯片IC2的第15引脚分别连接电容C10的一端、电容C11的一端和电源模块的VCC端，所述转换芯片IC2的第16引脚分别连接电容C10的另一端、电容C11的另一端和电源模块的GND端；

所述通讯芯片IC1的第1引脚分别连接所述红色二极管RX的负极和所述主控芯片U1的PA10引脚，所述红色二极管RX的正极连接所述电阻R7，所述通讯芯片IC1的第4引脚分别连接所述红色二极管TX的负极和所述主控芯片U1的PA9引脚，所述红色二极管TX的正极连接电阻R8，所述通讯芯片IC1的第2引脚和第3引脚均连接所述主控芯片U1的PA11引脚，所述通讯芯片IC1的第5引脚连接所述电源模块的GND端，所述通讯芯片IC1的第6引脚分别连接电阻R10、电阻R11的一端和二极管D5，所述通讯芯片IC1的第7引脚分别连接电阻R9的一端、电阻R11的另一端和二极管D4，所述通讯芯片IC1的第8引脚分别连接所述电源模块的VCC端和电容C12的一端，所述电容C12的另一端连接电阻R9的另一端；

所述电源芯片U2的第1引脚分别连接所述二极管D2的负极和电容C13的正极，所述二极管D2的正极分别连接所述自恢复保险丝F1和二极管D1的一端，所述电源芯片U2的第3引脚和第5引脚均分别连接所述二极管D1的另一端、二极管D3的正极、电容C13的负极以及电容C14的负极，所述电源芯片U2的第2引脚分别连接所述二极管D3的负极和电感L1的一端，所述电源芯片U2的第4引脚分别连接所述电感L1的另一端和电容C14的正极。

优选地，所述通讯芯片IC1的型号为MAX485。

优选地，所述转换芯片IC2的型号为AD7707。

优选地，所述主控芯片U1的型号为STM32F103C8T6，所述电源芯片U2的型号为LM2596R-5。

本发明提供的平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器的工作原理如下：将压力加在弹性壳体4上，电阻应变片2产生形变，导致电阻应变片2的电阻值改变，引起桥式电路的输出电压改变，这个输出的电压值通过数字变送器8可以换算出施加的压力值，具体为，数字变送器8将传感器（桥式电路10）输出的微电压信号，通过电路放大、滤波等处理后，处理器利用电压和压力的关系模型，得出实时的压力值，通过通讯模块将压力值转换为数字信号输出。

需要说明的是，本发明提供的平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，精度±0.3%-±0.5%，最大量程25T，也可以根据用户要求定制量程大小，另外，该平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器主要用于载重车辆和大型物体转运及特制方案上应用等需求。

具体地，（1）该平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器使用材料是优质高强度合金锰钢；（2）对材料用国内最先进新工艺进行热处理（HRC40-45º中硬度）；（3）对材料进行高频率、弹性疲劳和振动、垂直冲击等试验；（4）对该平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器进行电子元器件及贴片和封装后的老化试验检测；（5）对弹性体材料表面处理后进行盐雾试验检测；（6）对整机产品进行高低温试验检测；（7）对整机产品含电子元件封装后进行温度湿度振动，三合一环境试验检测；（8）对整机产品进行防尘防水试验检测（6-7级）；（9）对整机产品和二次仪表进行全性能的计量精度测试。

本发明提供的平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，能够在多种特定应用中使用，极大地降低特定应用领域的设计工程困难，提高了方案设计能力和开发能力，加快了特定应用开发和大规模生产。

本发明提供的平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，适用于各种不同应用的方案上，如：大型运输车辆及各种机械制造、建筑、桥梁、公路、铁路、港口码头等特制的装置装备上使用，并不限定本发明的方案，其他行业可以借用设计，使用本发明的方案。

本发明提供的平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，可固定于所需要的产品上适合的安装位置，或用压板套圈以及其他可以固定小尺寸大量程称重压力传感器的方式；以传感器就力方向为准，按力点位置可以在6个方向安装，只要在力点垂直方向都可以装上，并且各种位置及角度都能装上，如上下左右角度的位置，使传感器紧固定位好；定位传感器压紧附件，由用户根据方案安装位置来确定固定压紧的附件和压紧螺丝等附件，在安装时，一定是要上下平行，固定传感器时压紧螺丝压紧力均布，压紧力用扭力扳手N.M为准（如：M16螺母，为190-260N.M为准）。

最后所应说明的是，本平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器，其灵活多变的应用方式和安装方式可以使其实现多种多样的产品，其平板凹凸式小尺寸大量程称重压力传感器改变了方案单一设计，使用范围大，也进一步拓展方案使用标准件的配套选配；另外，其简单的驱动原理，密封结构都使其制造的成本大幅度降低，容易实现批量化模块化生产，具有大量程、高精度、小尺寸、超薄型、高强弹性材料、计量性能长期稳定、质量可靠的优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。