專利名稱：光纖重量分選秤及其稱重方法
技術領域：
本發(fā)明涉及信息技術中的傳感技術，尤其是指將電子秤發(fā)展到光子秤的光纖重量分選秤及其稱重方法。
背景技術：
重量分選秤是一種重量檢測衡器，當被測物品通過秤臺時，系統對其重量進行判定，檢測其是否滿足規(guī)定的重量要求。重量分選秤常用于檢測包裝產品重量是否符合標準， 判定包裝箱內放置物品的數量是否符合要求、自動確定小包裝食品的重量并進行等級分類、還可用于檢測定量包裝設備生產線上的包裝產品重量誤差以及時了解加工生產線上的前級加工工序的異常狀態(tài)。對不合格品剔除或實行報警，控制前端設備的工作狀態(tài)，達到及時調整設備，控制產品質量的目的。重量分選秤是一種生產流水線上常用的檢測設備。重量分選秤由秤臺、入口傳送帶，出口傳送帶、分揀(剔除)機構、控制系統等組成。重量分選秤秤臺上安裝有一個輕型傳送帶，當被檢物品通過傳送帶時，其下方的分選秤將重量檢測出來，如果重量滿足要求，就放行通過；如果重量不符合要求，在物品經過出口傳送帶時，將被分揀機構推出傳送帶。分選秤控制系統具有標準重量設定，計數，報警等功能。重量分選秤可具有分級分選的功能。當一條傳送帶上傳送不同重量規(guī)格的物品時，分選秤仍能夠對其進行重量鑒別。如果以節(jié)省勞動力計算，則由于采用了自動分選秤，無須人工上下搬動與靜態(tài)檢測，減小了勞動強度、提高了生產效率。此價值更無法統計。電子重量分選秤經過幾十年的應用與發(fā)展，已發(fā)揮了重要作用.它可保證做到出廠產品的重量不低于產品指標，保證了生產單位的信譽；另一方面它還能做到產品重量超過產品指標的數值不超過額定值，提高了經濟效益；由于自動化的上線、下線、稱量大大節(jié)省了時間與勞動力；對于生產線前級的運轉狀態(tài)具有很好的監(jiān)視與報警作用?，F有的電子重量分選秤主要結構及原理參見圖1到圖2所示，圖1主體部為中空彈性體，一般為鋁或鋼的合金材料，其上下表而各粘貼二個電阻式應變傳感器(以金屬絲繞成的電阻，圖中以R表示)，四個電阻R連接到一個電橋上(具體連接如圖2所示)，彈性體左端固定，右端上方為秤臺(用于加載稱重物)。未加載時電橋中間的電表示數為零；當秤臺加載后電表示數是不等于零的某讀數，秤臺上不同重量的物體讀數不同，即可從對應的讀數經標定后得到加載物的重量(嚴格地說是加載物的質量)。但是，至今已得到廣泛應用的電子秤電子重量分選秤還存在以下缺點一是抗干擾的問題、二是測量范圍太窄的問題，不利于自動化生產線、郵件分選的靈活要求與計算機、自動化等的柔性控制，用指令自由改變量程等。在潮濕、有電磁干擾、雷擊等環(huán)境中不能正常工作，甚至控制與計算電路都可能被擊壞；或必須增加嚴格的密封包裝以及電氣接地措施，增加了施工的麻煩與成本。另一缺點是這種電子重量分選秤的稱量范圍受限，例如10克/50公斤的電子秤在低端要分辨10 克則最大稱重不能超過50公斤，對于自動化生產線要改變稱重產品不太方便；對于郵政系統自動分選郵件就會感到無能為力(即不能在同一臺電子秤上分辨一張紙與一個重的包裹)，必須采用幾臺不同稱量的電子秤組合成一臺秤。綜上所述，為了在衡器領域中將靈敏度與稱量范圍有新突破，特別是將兩者同時結合在同一臺衡器上，有必要設計一種新的重量分選秤以解決上述問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題在于提供光纖重量分選秤兼顧高靈敏度與大稱量的統
O為了解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術方案；光纖重量分選秤，其包括彈性體金屬板，所述光纖重量分選秤還包括作為光源的半導體激光器、與半導體激光器連接用于接收其發(fā)出的光束的光纖傳感模塊、與光纖傳感模塊連接的光電變換模塊、與光電變換模塊連接的信號處理模塊、與信號處理模塊連接的數據計算模塊以及重量顯示模塊；所述光纖傳感模塊包括光纖干涉儀，該光纖干涉儀設有一根利用光纖的形變測量重量的光纖檢測臂以及另一根等長的利用光纖的形變感知溫度變化的溫度補償臂；所述彈性體金屬板與光纖檢測臂固定在一起并與溫度補償臂隔離。本發(fā)明還包括一種光纖重量分選秤的稱重方法，其包括以下步驟1)光纖干涉儀一端接收半導體激光器發(fā)出的光束，其波長為λ，經過兩等長的光纖檢測臂和溫度補償臂后在光纖干涉儀的另一端相遇后發(fā)生干涉，連接于光纖干涉儀另一端的光電變換模塊將接收到的光信號轉換為電信號傳輸給信號處理模塊；2)信號處理模塊；將接收到的信號進行放大與濾波，以便計算機進行波長計數；3)數據計算模塊通過計量正弦波信號的波長數m，利用公式Ll = λ Xm確定干涉儀的應變值；4)標定，建立光纖干涉儀的應變值與被稱重物體重量之間的關系，利用光纖的應
變測量重量；5)最后被稱重物體重量在光纖重量分選秤的重量顯示模塊上顯示。本發(fā)明將光纖干涉型傳感器布設在金屬彈性體板上，利用光纖傳感部分將被稱重物的重量轉換為光纖相對長度的變化(即應變光纖長度變化與總長之比)，經光的干涉后再轉變?yōu)槊靼迪嚅g的一串正弦波信號，其中含有的正弦波的個數即可用來表示光纖應變的大小，經標定后即可得到加載物的重量。將光纖的應變(重量與應變相對應，應變即長度變化與總長之比)來計量物體的重量這是本發(fā)明的核心，它使衡器的性能、結構與工藝發(fā)生根本變革，從電子秤發(fā)展到光子秤的新階段。其最大的優(yōu)勢是將衡器的高精度與大稱量結合在同一光子秤上，即達到了一臺光子秤可抵上幾臺電子秤的組合秤的效果，具有高性價比與抗干擾的優(yōu)點，因而將在自動化生產線與郵件自動分選及有關的稱重領域中得到廣泛應用。


圖1是現有的電子重量分選秤結構示意圖。圖2是現有的電子重量分選秤原理圖。圖3是本發(fā)明光纖重量分選秤原理方框圖。
圖4是本發(fā)明光纖干涉儀結構示意圖。圖5是本發(fā)明中光敏管產生的波形示意圖。圖6本發(fā)明光纖重量分選秤結構示意圖。
具體實施例方式請參閱圖3所示，本發(fā)明涉及一種光纖重量分選秤，其包括彈性體金屬板，所述光纖重量分選秤還包括作為光源的半導體激光器、與半導體激光器連接用于接收其發(fā)出的光束的光纖傳感模塊、與光纖傳感模塊連接的光電變換模塊、與光電變換模塊連接的信號處理模塊、與信號處理模塊連接的數據計算模塊以及重量顯示模塊；所述光纖傳感模塊包括光纖干涉儀，請參閱圖4所示，該光纖干涉儀設有一根利用光纖的形變測量重量的光纖檢測臂以及另一根等長的利用光纖的形變感知溫度變化的溫度補償臂；所述光纖檢測臂與彈性體金屬板固定在一起并與溫度補償臂隔離。光源在圖4中以LD表示，即半導體激光器； 信號處理模塊用于將接收到的信號進行放大與濾波，以便計算機進行波長計數。由于光纖傳感器的靈敏度特別高，所以溫度的干擾也易受影響，因而必須消除其干擾，溫度補償顯得非常重要。光纖干涉儀原理如圖4所示即圖4中從由LD至PF兩點中間部分的兩根光纖組成，上面的檢測臂光纖的全部長度與彈性體金屬板固定在一起，它能感知由于重物加載引起彈性體板彎曲發(fā)生的長度變化與溫度的變化；而下面的補償臂光纖要求感知與檢測臂相同的溫度的變化，而不受彈性體加載彎曲引起的長度變化的影響，所以溫度補償臂要與光纖檢測臂完全隔離。比如采用棉花等將其隔離。當光纖秤只有溫度升高時這兩根光纖產生相同的伸長，便能從兩者讀數的差得到扣除溫度的影響而保持光纖秤讀數不變。而電子秤中的電阻應變式傳感器與源自國外的光纖光柵傳感器本身都沒有溫度補償功能，而這正是光纖秤最重要的基礎。當然溫度補償有多種方法。由于選擇了光纖傳感器中靈敏度最高的光干涉的原理，圖4中激光束從LD處發(fā)出經過兩等長的光纖后在PF處相遇后發(fā)生干涉，用該點右邊的光敏管就可接收到明暗的交替變化，如圖5的正弦波所示(相鄰兩波峰或波谷間代表檢測臂比補償臂伸長一個光源波長的長度，這是在彈性體板上加載重物后彈性體板彎曲而伸長的結果)。因此我們可以很方便地通過計量干涉條紋的波長數，確定檢測臂光纖的總伸長(我們用的光源的波長為1.3 微米，1微米為1/1000毫米，可見光纖干涉法靈敏度之高，如加上計算機對一個波長的細分技術，還可達到更高的靈敏度)。光纖檢測臂和溫度補償臂一端分別接收半導體激光器發(fā)出的光源，經過兩等長的光纖檢測臂和溫度補償臂后在PF處相遇后發(fā)生干涉，從用PF點傳輸的信號傳輸給光電變換模塊，再傳到信號處理模塊，最后經過數據計算模塊得出讀數顯示在光纖重量分選秤的顯示裝置上。電子秤與我們的光子秤在稱重原理上有一共同點，都是在彈性體上加載重物后帶動金屬絲或光纖(石英玻璃絲)長度的變化來稱重的(兩者固定在某一彈性體上，重物加載后彈性體產生形變)；同樣一米長且直徑均為0. 1毫米的銅絲與光纖，開始時都有10克的精度，光纖可伸長到2厘米過程中還能正常工作，而銅絲伸長不到1厘米時即已斷裂。據此說明光纖秤具有在同一秤上兼顧低端的高靈敏度與高端的大稱量的優(yōu)勢；或1臺光纖秤具有可抵幾臺電子秤組合起來的優(yōu)勢。(以我們的一臺光纖重量分選秤為例，即可從低端 10克到到高端的400至500公斤，這是電子秤所不可能的)具體的實施例如圖6所示，一種光纖重量分選秤，采用光纖干涉型傳感技術將靈敏度與稱量范圍同時結合在同一臺衡器上。所述光纖重量分選秤包括一個如圖6所示的三角形彈性體金屬薄板1 (板厚度與大小根據光纖秤指標進行設計)，所述金屬薄板的頂端設有三個向下的固定支點11，(其支撐在下面平整且有一定硬度的平面上)，所述金屬薄板中間設有中心孔12，其為重物重量承載點；正對三支點的秤臺平面上的三個橢圓形是纏繞光纖的位置，本實施例中，所述彈性體金屬薄板背面設有三個軌道13，所述光纖干涉儀分別纏繞在軌道上并串聯在一起。所述軌道為橢圓形或其他形狀，其曲率半徑應大于3cm。在其周邊繞上光纖傳感裝置。圖6所示三個橢圓均勻分布在等邊三角形內，橢圓的長軸延長線的夾角為120度。所述光纖干涉儀分別纏繞在軌道上并串聯在一起。沿長軸方向纏繞在軌道周邊的光纖傳感裝置串聯在一起，比如，在第一個橢圓周邊纏繞完成后直接再纏繞第二個橢圓，接著纏繞第三個橢圓。所述光纖傳感裝置(實際為光纖干涉儀)包括兩條光纖，一條是光纖檢測臂，其與金屬薄板1固定在一起，用于利用光纖的形變測量重量；另一條為溫度補償臂，用于感知與檢測臂相同的溫度的變化，而不受彈性體加載彎曲引起的長度變化的影響。加載的方式有兩種第一種是在三角形彈性體中心園孔處向上支一秤盤；第二種方式是在彈性體三頂角支點與中心支點上方幾毫米高度處擱一金屬平板，其側面翻邊緊扣住彈性體，保證加載過程中金屬板不致滑動；未加載重物時中心支點高度使金屬板保持水平。彈性體板的設計可采用多種形式圖6為三角形類型，其特點是平臺調整較簡單。彈性體板也可設計成矩形或正方形，即由四個光纖傳感器相串聯，這時四個頂角上的支點要調整到一個支撐平面上，否則讀數不正確。四邊形彈性體結構的光纖秤特別要注意如問題，下方的四個支點要與彈性體板同時接觸，以保證同一物體在彈性體上的不同位置得到同一重量讀數。本發(fā)明還包括一種光纖重量分選秤的稱重方法，其包括以下步驟1)光纖干涉儀一端接收半導體激光器發(fā)出的光束，其波長為λ，經過兩等長的光纖檢測臂和溫度補償臂后在光纖干涉儀的另一端相遇后發(fā)生干涉，連接于光纖干涉儀另一端的光電變換模塊將接收到的光信號轉換為電信號傳輸給信號處理模塊；2)信號處理模塊根據稱重前后該光信號的變化引起的電信號產生明暗的交替變化輸出一串正弦波信號；因為加載后才出現明暗交替光信號，光學上已經給我們把溫度引起補償光纖的長度扣除了，如果不加載就看不到明暗條紋，兩個光纖臂的長度差為零。3)數據計算模塊通過計量正弦波信號的波長數m，利用公式L1 = λ Xm確定光纖傳感器的應變值；L = πιλ確定光纖檢測臂與溫度補償臂長度差。4)標定，建立光纖傳感器的應變值與被稱重物體重量之間的關系，利用光纖的應
變測量重量；5)最后被稱重物體重量在光纖重量分選秤的重量顯示模塊上顯示。本發(fā)明由以下幾個部分說明1.傳感器的基本材料從電子類的金屬電阻絲變?yōu)楣饫w，以解決抗干擾問題；
利用光纖干涉儀原理解決溫度補償問題(這是光纖傳感器的重要基礎)，用光纖干涉儀中的溫度補償臂來扣除溫度對檢測光纖臂中受到的溫度的影響，在適當的補償方式下，簡單而有效，是本光纖傳感器的優(yōu)點之一；2.利用光纖干涉儀提高光纖秤的靈敏度當(圖4)中的激光束從LD端入射，在 PF端出射時，該處就可得到明暗相間的一串正弦波形的光強信號，在檢測臂由于重物加載伸長一個光波長時，就可看一次明暗變化，經過光敏管的光電轉換后就可交計算機進行計算與物重對應的光波長數，最后用重量讀數表示出來。這樣光纖干涉儀直接把靈敏度提高到光波長的微米量級(百萬分之一米)，再利用計算機的細分技術，即可把一個光波長分到 10納米或更高的水平，達到極高的檢測靈敏度。使我們的傳感器在光纖傳感器中達到了靈敏度領先的地位；3.利用光纖的彈性應變可達2%的特點，即1米長的光纖可伸長2公分，還能正常工作；而電阻應變式傳感器的金屬絲早就斷裂或失去彈性。所以我們一臺光子秤可抵上4 至5臺電子秤組成的組合秤。4.為了進一步提靈敏度，我們采用了圖6所示的三個光纖組串聯的辦法以增加光纖檢測臂的長度的辦法達到這一目的。當然我們還可從提高光纖傳感系統最后計算機的細分精度的辦法，或兩者同時提高的辦法，這時總的提高倍數為上述兩部分的乘積。因此，我們用了上面簡單的光纖干涉儀結構，達到了溫度補償、高靈敏度、大稱量在同一臺秤上的統一。本發(fā)明要解決的技術問題在于提供光纖重量分選秤兼顧高靈敏度與大稱量的統一。整個光纖重量分選秤的系統見(圖)，總的可分為光纖傳感器與數據處理兩部分。本專利著重在前者。本光纖傳感器中的金屬彈性體板，本專利首選為三角形結構除了進一上提高檢測靈敏度達三倍(即三組光纖串聯成一個光纖傳感器)外，主要還在于使整個被稱重物的重量始終由三組光纖分擔，達到在秤臺的任何位置上都得到相同的重量值的要求，免除了電子秤的調四角的工藝。根據這一要求，三角形彈性體板稱重時要注意板面水平、下方的三支點要支在有一定硬度的平面上。彈性體板為適應秤體設計與工作的方便，其結構也可是四邊形或圓形，這時要板上的串接的光纖組數應相應調整，并要求該板下方的支點(四個或多個)要全部受到重物重量的作用，才能保證在秤臺上任一點得到相同的重量讀數。檢測臂光纖與彈性體板要求兩者牢固結合也是本專利的重點與難點之一。從上述原理與結構設計表明，光纖重量分選秤具有的優(yōu)勢除了抗潮濕、電磁干擾、 雷擊等干擾外還有1.提高檢測靈敏度(由三個傳感器的光纖相串聯可提高到三倍)；2.加載在秤臺板的任何位置，其重量均等于三個傳感器讀數之和，不需要附加的調整，免除了電子重量分選秤必不可少而且繁復的調整工藝(達到不加重物時讀數為零； 加同樣重量時讀數總是相等的要求，具體要通過手工的辦法用銼刀來修正圖一中的空腔部分的形狀來達到)。3.同一秤兼顧高靈敏度與大稱量的統一，即低端的10克到高端的400到500公斤，即一臺光纖秤相當于四至五臺電子重量分選秤。如果我們高端降低到50公斤，則這時低端我們可將靈敏度從10克提高到將近1克。4.結構上我們從電子秤的立體式，改進到平板式(500公斤光子秤厚度僅12毫米)；5.工藝上得到簡化，免除了電子秤繁復的手工調整工序。因此，本發(fā)明光纖重量分選秤有廣泛的應用；而且其主要原理還可應用于公路超重秤、特大稱量的軌道衡、集裝箱秤；還有在橋梁、水壩、建筑、規(guī)?；r業(yè)方面都有重要應用。上述實施例僅列示性說明本發(fā)明的原理及功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此項技術的人員均可在不違背本發(fā)明的精神及范圍下，對上述實施例進行修改。因此，本發(fā)明的權利保護范圍，應如權利要求書所列。
權利要求
1.光纖重量分選秤，其包括放置被稱重物體的彈性體金屬板，其特征在于所述光纖重量分選秤還包括作為光源的半導體激光器、與半導體激光器連接用于接收其發(fā)出的光束的光纖傳感模塊、與光纖傳感模塊連接的光電變換模塊、與光電變換模塊連接的信號處理模塊、與信號處理模塊連接的數據計算模塊以及重量顯示模塊；所述光纖傳感模塊包括光纖干涉儀，該光纖干涉儀設有一根利用光纖的形變測量重量的光纖檢測臂以及另一根等長的利用光纖的形變感知溫度變化的溫度補償臂；所述彈性體金屬板與光纖檢測臂固定在一起并與溫度補償臂隔離。
2.如權利要求1所述的光纖重量分選秤，其特征在于所述彈性體金屬薄板上設有至少一個軌道，用于纏繞所述光纖干涉儀。
3.如權利要求1所述的光纖重量分選秤，其特征在于所述彈性體金屬薄板上設有若干軌道，所述光纖干涉儀分成若干部分分別纏繞在各自的軌道上并串聯在一起。
4.如權利要求3所述的光纖重量分選秤，其特征在于所述彈性體金屬薄板橫截面為等邊三角形，其背面設有三個橢圓形軌道，所述橢圓形軌道的長軸延長線的夾角為120度， 所述光纖干涉儀分別纏繞在各自的軌道上并串聯在一起。
5.如權利要求1所述的光纖重量分選秤，其特征在于所述彈性體金屬薄板橫截面為矩形或正方形，該薄板上均勻設有若干軌道，所述光纖干涉儀分別纏繞在軌道上并串聯在一起。
6.如權利要求1-5任意一項所述的光纖重量分選秤，其特征在于所述光電變換模塊包括光敏管，用于將接收到的光信號轉換為電信號后輸出。
7.—種如權利要求1-5任意一項所述的光纖重量分選秤的稱重方法，其包括以下步驟1)光纖干涉儀一端接收半導體激光器發(fā)出的光束，其波長為λ，經過兩等長的光纖檢測臂和溫度補償臂后在光纖干涉儀的另一端相遇后發(fā)生干涉，連接于光纖干涉儀另一端的光電變換模塊將接收到的光信號轉換為電信號傳輸給信號處理模塊；2)信號處理模塊將接收到的信號進行放大、濾波處理，便于計算機的波長計數；3)數據計算模塊通過計量正弦波信號的波長數m，利用公SL1= λ Xm確定光纖檢測臂與補償臂的長度差與兩臂長度的比值、即應變值；4)標定，建立光纖干涉儀測得應變值與加載重量的對應關系；5)最后將被測物體的重量在光纖重量分選秤的重量顯示模塊上顯示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖重量分選秤，其包括放置被稱重物體的彈性體金屬板，所述光纖重量分選秤還包括作為光源的半導體激光器、與半導體激光器連接用于接收其發(fā)出的光束的光纖傳感模塊、與光纖傳感模塊連接的光電變換模塊、與光電變換模塊連接的信號處理模塊、與信號處理模塊連接的數據計算模塊以及與數據計算模塊連接的重量顯示模塊；所述光纖傳感模塊包括光纖干涉儀，該光纖干涉儀設有一根利用光纖的應變測量重量的光纖檢測臂以及另一根等長的用于感知溫度變化的溫度補償臂；所述彈性體金屬板與光纖檢測臂固定在一起并與溫度補償臂隔離。該光纖重量分選秤除了抗潮濕、電磁干擾、雷擊等干擾外還在同一臺秤上達到了高靈敏度與大稱量的統一，對于衡器在自動化生產線與郵件分選等領域的應用發(fā)揮重要的作用。
文檔編號G01G3/00GK102243093SQ201010172880
公開日2011年11月16日 申請日期2010年5月13日 優(yōu)先權日2010年5月13日
發(fā)明者張繼昌 申請人:張繼昌