CN105651425A - 检测粮仓储量的三维压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种检测粮仓储量的三维压力传感器，包括一壳体，至少三个压力传感器单元，以及一电路板。该壳体具有一X方向、一Y方向及一Z方向。该至少三个压力传感器单元的至少其中之一沿X方向设置，至少其中之一沿Y方向设置，至少其中之一沿Z方向设置。电路板设置于壳体内。每一该压力传感器单元包括一弹性膜片以及一基板，基板与弹性膜片保持间隙的固定在弹性膜片上，基板上具有厚膜电极，厚膜电极为印刷在基板上的两个环状导通带，两个环状导通带分别作为内电极和外电极，弹性膜片分别与内电极和外电极构成参考电容和工作电容。电路板包括解调器模块、调整放大电路、单片机以及485输出模块。本发明能同时检测三维空间的三个应力信息。

Description

检测粮仓储量的三维压力传感器

技术领域

本发明涉及粮仓储量自动检测领域，具体地说，是涉及一种用于在线检测粮仓储量的三维压力传感器。

背景技术

中国是一个粮食大国和人口大国，粮食在国民经济中占有显著地位，是关系国计民生、国家安全和社会稳定的特殊产品。而粮食储藏安全是粮食安全的一个重要部分，长期以来，国家粮食储藏数量的监测一直是国家粮食主管部门亟待解决的重要问题。

目前，用于粮食测量的方式主要有三种：一种方法是在粮食进出库时利用地磅称取重量，缺点是无法检测在粮食的存储和保管过程中自然损耗引起的重量变化；一种方法是入仓内人工取样测量粮食密度和粮面高度来估算重量，由于密度分布不均匀无规律，难以实现较高精度的测量；另一种是专用于粮食质量测量的压力传感器，但只能测量一个方向的应力变化。粮食为颗粒体，颗粒体内部应力的分布规律不像液体和气体具备各向同性，密度分布也不均匀，为提高精确性，若采用三个传感器测量不同方向的应力，则体积大、成本高、布线复杂并且影响粮堆应力。

因此，实有必要开发专用于粮食内部压力测量的三维压力传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种检测粮仓储量的三维压力传感器，以能同时检测三维空间的三个应力信息，从而能够准确测量粮仓内的粮食类颗粒体内部应力。

为了解决上述技术问题，本发明提供的一种检测粮仓储量的三维压力传感器，包括一壳体，设置于壳体上的至少三个压力传感器单元，以及一电路板。该壳体具有三维空间内的一X方向、一Y方向及一Z方向。该至少三个压力传感器单元的至少其中一个压力传感器单元沿X方向设置，该至少三个压力传感器单元的至少其中一个压力传感器单元沿Y方向设置，该至少三个压力传感器单元的至少其中一个压力传感器单元沿Z方向设置。该电路板设置于该壳体内。其中，每一该压力传感器单元包括一弹性膜片以及一基板，该基板与该弹性膜片保持间隙的固定在该弹性膜片上，该基板上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容。该电路板包括解调器模块、调整放大电路、单片机以及485输出模块，该解调器模块电性连接每一压力传感器单元的内电极和外电极，该调整放大电路与该解调器模块电性连接，该单片机分别与该调整放大电路及该485输出模块电性连接。

上述的三维压力传感器，其中，每一压力传感器单元还包括一电极防护罩，包围该基板并固定在该弹性膜片上以使每一压力传感器单元呈扁平圆形盒状结构。

上述的三维压力传感器，其中，该壳体与每一该弹性膜片之间采用密封圈密封并通过螺钉固定以使该三维压力传感器整体呈立方体相对密封结构。

上述的三维压力传感器，其中，该电路板设置在每一压力传感器单元的电极防护罩外，并与每一压力传感器单元的电极防护罩保持电绝缘性的固定安装。

上述的三维压力传感器，其中，该弹性膜片外侧设置有防止装配该电极防护罩时产生应力传递的凹槽。

上述的三维压力传感器，其中，该485输出模块连接一通信电缆，该通信电缆穿过该壳体后与粮仓外的一上位机连接。

上述的三维压力传感器，其中，该基板的背面印刷有焊盘，该内电极与该外电极分别通过一金属化过孔与该焊盘相导通，一铜丝的一端焊接在该焊盘上，另一端焊接在该电路板的一检测点上以将该厚膜电极与该电路板电性连接。

上述的三维压力传感器，其中，该弹性膜片与该基板之间的间隙通过一极间垫片保持。

上述的三维压力传感器，其中，该弹性膜片为带有硬中心的周边固支E形圆膜片，该基板固定在该弹性膜片的硬中心上。

上述的三维压力传感器，其中，该基板采用陶瓷基板。

本发明的有益功效在于：至少三个压力传感器单元设置在同一壳体上，不仅能同时检测三维空间的三个应力信息，实现三个方向应力的测量，有利于获取粮堆内应力分布，精确建立数量模型，准确获得粮食质量；而且用一个压力传感器替代了使用三个压力传感器，传感器体积小、结构相对简单、成本低。更，在粮仓实施安装时仅仅需要一条通信电缆，布线简单。还有，借助电路板的单片机及485输出模块的设置，传感器的输出为标准485总线式数字输出，方便上位机通过数据处理和模型计算，得到粮食总质量。

另外，本发明的三维压力传感器整体呈立方体相对密封结构，具有抗熏蒸、抗水汽的优点。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的三维压力传感器的立体图；

图2为本发明的三维压力传感器的剖视图；

图3为本发明的三维压力传感器的俯视图；

图4为本发明的三维压力传感器的基板的结构图(从正面看)；

图5为本发明的三维压力传感器的基板的结构图(从背面看)；

图6为本发明的三维压力传感器的电路板的结构框图。

其中，附图标记

10—壳体

20—压力传感单元

30—电路板

1—弹性膜片

2—紧定螺钉

3—极间垫片

4—厚膜电极

5—基板

6—凹槽

7—底盖

8—间隔柱

9—电极防护罩

11—螺钉

12—铜丝

13—O型密封圈

14—螺钉

15—连接头

16—通信电缆

17—螺钉

18—凹槽

19—凸台

21—螺纹孔

23—金属化过孔

24—外电极

25—内电极

26—焊盘

27—孔

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

参阅图1至图3，如图所示，本发明的三维压力传感器，包括一壳体10，三个压力传感器单元20，以及一电路板30。该壳体10为六面体，具有三维空间内的一X方向、一Y方向及一Z方向。三个压力传感器单元20分别设置于壳体10上，且三个压力传感器单元20分别沿X方向设置，沿Y方向设置及沿Z方向设置。电路板30通过螺钉14固定设置于壳体10内。

再一次参阅图2，三个压力传感器单元20具有相同的结构，以下以其中一个压力传感器单元为例详细介绍其结构。

压力传感器单元20包括弹性膜片1以及基板5，其中，弹性膜片1是压力传感器单元20的敏感元件，为带有硬中心的周边固支圆平膜片，即E形圆膜片。基板5与弹性膜片1间保持间隙的固定在该弹性膜片1的硬中心上，结合参阅图4，该厚膜电极4为利用厚膜技术印刷在基板5上表面的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极25和外电极24，该弹性膜片1分别与该内电极25和外电极24构成参考电容Cr和工作电容Cm。电容间隙由极间垫片3保证。内电极25和外电极24电性连接电路板30。

压力传感器单元20还进一步包括一电极防护罩9，该电极防护罩9包围基板5并通过螺钉11固定在弹性膜片1上，从而压力传感器单元20呈扁平圆形盒状结构。电路板30设置在电极防护罩9外，为保证电路板30与电极防护罩9之间的电绝缘性，在螺钉11与电极防护罩9之间增设有间隔柱8。该防护罩9的作用一方面保护基板5不易被损坏，另一方面使厚膜电极4表面始终保持洁净，避免造成电容误差。

更进一步的，该三维压力传感器还包括一底盖7，壳体20的侧面由螺钉17与弹性膜片1固定，壳体20与弹性膜片1的接触面采用氟橡胶O型密封圈13密封，O型密封圈嵌在弹性膜片1的外侧凹槽6上。底盖7与壳体20采用焊接密封，经加压检漏密封性能。壳体20底部内侧设有凸台19方便焊接定位。壳体与底盖分离设计而非一体成型，是因为在不开模具的情况下，采用管材和棒材分别加工可以节省原材料降低成本。

结合参阅图3，弹性膜片1的材质为17-4PH恒弹合金，加工前后分别经过固溶和时效处理，具有高的硬度、弹性和耐久性。弹性膜片1上表面对称设置有螺纹孔21，其作用是便于传感器装配。弹性膜片1外侧除了安装O型密封圈13的凹槽6外，还具有凹槽18，凹槽18的作用是防止装配电极防护罩9时产生应力传递，导致膜片产生不应有的变形，影响测量精度。为减小粮食类颗粒体本身的体积对于敏感元件造成的误差，弹性膜片1的外径越大越好，优选实施例中取100mm左右。

结合参阅图5，基板5中心有孔27，紧定螺钉2穿过孔27将基板5固定在弹性膜片1的硬中心上。基板5采用陶瓷材料。结合参阅图4，厚膜电极4为采用厚膜工艺在基板5正面印刷的两个环状导通带，分别为内电极25和外电极24。厚膜电极厚度很小，约10～25μm，使得边界效应对电容值的影响以及膜的线胀系数对电容稳定性的影响很小。陶瓷基板5背面印刷有焊盘26，内电极25和外电极24分别通过一金属化过孔23与焊盘26相导通。铜丝12一端焊接在焊盘26上，另一端焊接在电路板30的检测点上，实现电极与电路板的电性连接。

电极防护罩9的材质为PVC，其作用是保护陶瓷电容，使其保持洁净的工作状态，容值稳定，不易受干扰。

再请参阅图2，在壳体20上还设置连接头15，连接头15与壳体6为焊接连接。485输出模块34(后文有介绍)连接一通信电缆16，该通信电缆16穿过壳体6后与粮仓外的一上位机连接，通信电缆16将信号传输至仓外的上位机，同时使传感器内部与仓外大气相通，保证了内部气压始终与大气压相等，避免了内部气体热胀冷缩给测量带来的误差。

本发明中，弹性膜片1、壳体20、底盖7、连接头15均为不锈钢材料，且壳体20与每一弹性膜片1之间采用O型密封圈13密封并通过螺钉17固定，O型密封圈13为防腐橡胶材料，从而三维压力传感器整体呈立方体相对密封结构，这样的结构设置具有良好的防腐蚀性能，从而使得传感器能够经受粮仓内磷化氢等熏蒸气体和水汽的长期侵蚀。

结合参阅图6，电路板30包括解调器模块31、调整放大电路32、单片机33以及485输出模块34，解调器模块31电性连接每一压力传感器单元的内电极和外电极，调整放大电路32与解调器模块31电性连接，单片机33分别与调整放大电路32及485输出模块34电性连接。电路板30的功能是将敏感元件测量部分所得到的电容比的变化进行拾取、处理、计算，最终转换成标准485信号。电路板30的解调器模块31与敏感元件(即，弹性膜片1)通过铜丝12机械连接，其功能是将参考电容Cr和工作电容Cm的差值转换为相应的电信号；电路板30的调整放大电路32与解调器模块31电性连接，以对解调器输出的电信号进行放大、信号平滑、调整，得到差模信号以及参考信号两个信号；电路板30的单片机33分别与调整放大电路32及485输出模块34电性连接，以对调整放大电路32后的信号进行计算处理，调整传感器的零点、满度，根据参考信号进行温度补偿，并控制485输出模块输出标准485信号，本发明中，单片机33可采用ARM-M0516-LBN单片机；电路板30的485输出模块34与单片机33电性连接，以输出标准485信号供上位机进行处理。

本发明的三维压力传感器工作原理为：弹性膜片1与厚膜电极4构成变间隙电容，分别为工作电容Cm和参考电容Cr。弹性膜片1上表面受到均布压力作用产生变形，工作电容Cm极间间隙增大，电容量随之减小。参考电容Cr分布在膜片硬中心范围内，其极间间隙恒定，容值不随被测压力变化，参考电容的作用是用来进行温度补偿。电路板的敏感端通过铜丝与机械电容相连，实时检测电容值Cm的变化以及参考电容Cr，并将其转换为差模电信号，并最终输出485标准数字信号。

以三维压力传感器其中一方向X方向测量为例，具体实施过程为：将三维压力传感器按布置模型放置在粮仓内相应测试点，进粮后，弹性膜片1表面受到均布压力作用而产生变形，从而分别产生工作电容Cm，以及参考电容Cr。电路板30拾取参考电容Cm的变化以及参考电容Cr，并将其转化为两路电信号，信号经放大处理后，交由单片机33进行处理，调整传感器的零点、满量程，并根据参考电容Cr的相关信号，对测量信号进行温度补偿，得到最终的测量结果，单片机控制485输出模块输出相应的485信号。同样过程，得到Y、Z方向的压力信息，经通信电缆16传输后，粮仓外的上位机得到一测试点的三个不同方向的压力值信号，进行数据对比综合，完成测量数据的建模。

本发明提出了一种三维压力传感器，在粮仓内按模型多点布置压力传感器，更准确的由传感器感知粮堆内压力信息并转为电信号传递到上位机，通过数据处理和模型计算，得到粮食总质量。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)用一个压力传感器替代了使用三个压力传感器，传感器体积小、成本低。

(2)用一个压力传感器替代了使用三个压力传感器，在粮仓实施安装时仅仅需设置一条通信电缆，布线简单。

(3)同时实现三个方向应力的测量，更有利于获取粮堆内应力分布，精确建立数量模型，准确获得粮食质量。

(4)传感器为标准485总线式数字输出。

(5)高灵敏度高精度，结构相对简单，可靠性高，适合批量生产；

(6)全部采用防腐蚀材料的整体密封结构，抗熏蒸、抗水汽。

以上仅仅给出了具有三个压力传感器单元的实施例，但在实际使用中，并不局限于此，譬如多维压力传感器，在壳体的五个面上(除底盖7所在的面)可自由组合并分别实现压力测量。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种检测粮仓储量的三维压力传感器，其特征在于，包括：

一壳体，具有三维空间内的一X方向、一Y方向及一Z方向；

设置于该壳体上的至少三个压力传感器单元，且，该至少三个压力传感器单元的至少其中一个压力传感器单元沿X方向设置，该至少三个压力传感器单元的至少其中一个压力传感器单元沿Y方向设置，该至少三个压力传感器单元的至少其中一个压力传感器单元沿Z方向设置；以及

一电路板，设置于该壳体内；

其中，每一该压力传感器单元包括：

一弹性膜片；以及

一基板，与该弹性膜片保持间隙的固定在该弹性膜片上，该基板上具有厚膜电极，该厚膜电极为印刷在该基板上的两个环状导通带，该两个环状导通带分别作为内电极和外电极，该弹性膜片分别与该内电极和外电极构成参考电容和工作电容；

该电路板包括解调器模块、调整放大电路、单片机以及485输出模块，该解调器模块电性连接每一压力传感器单元的内电极和外电极，该调整放大电路与该解调器模块电性连接，该单片机分别与该调整放大电路及该485输出模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的三维压力传感器，其特征在于，每一压力传感器单元还包括一电极防护罩，包围该基板并固定在该弹性膜片上以使每一压力传感器单元呈扁平圆形盒状结构。

3.根据权利要求2所述的三维压力传感器，其特征在于，该壳体与每一该弹性膜片之间采用密封圈密封并通过螺钉固定以使该三维压力传感器整体呈立方体相对密封结构。

4.根据权利要求2所述的三维压力传感器，其特征在于，该电路板设置在每一压力传感器单元的电极防护罩外，并与每一压力传感器单元的电极防护罩保持电绝缘性的固定安装。

5.根据权利要求2所述的三维压力传感器，其特征在于，该弹性膜片外侧设置有防止装配该电极防护罩时产生应力传递的凹槽。

6.根据权利要求1所述的三维压力传感器，其特征在于，该485输出模块连接一通信电缆，该通信电缆穿过该壳体后与粮仓外的一上位机连接。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的三维压力传感器，其特征在于，该基板的背面印刷有焊盘，该内电极与该外电极分别通过一金属化过孔与该焊盘相导通，一铜丝的一端焊接在该焊盘上，另一端焊接在该电路板的一检测点上以将该厚膜电极与该电路板电性连接。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的三维压力传感器，其特征在于，该弹性膜片与该基板之间的间隙通过一极间垫片保持。

9.根据权利要求1-6中任意一项所述的三维压力传感器，其特征在于，该弹性膜片为带有硬中心的周边固支E形圆膜片，该基板固定在该弹性膜片的硬中心上。

10.根据权利要求1-6中任意一项所述的三维压力传感器，其特征在于，该基板采用陶瓷基板。