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称重传感器的应用发展浅析

1前言

    目前,称重传感器制作的电子均衡器已广泛应用于所有行业,能迅速准确地对材料进行了称重。 随着微处理器的出现,工业生产过程的自动化程度有所提高,称重传感器成为过程控制的主要装置,测量大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制是以前无法称重的,多种原料混合分配的配料系统,生产过程中的自动检测和粉粒体进料量控制等. 称重传感器已应用于几乎所有称重领域。 称重传感器和电子均衡器数字化是90年代电子均衡器发展中最重要的热点,电子技术的飞跃、单片机的普及和推广,有助于提高电子均衡器的性能、自动称重和智能;微电子、信息和智能卡等先进技术加快了电子均衡器的数字化、智能、小型化和微观消费过程。 由于单片机集成软件技术本身和大规模集成电路等特点,将产生具有电气集成(机电、电子、微电子)高技术的同等产品,简化制造工艺,产品成本降低和利润空间的扩大将引发一场新的革命和均衡器制造技术的竞争。

2.称重传感器工作原理

2. 1称重传感器结构类型

    称重传感器的工作原理是力-电转换和非电量-电量转换。根据工作原理,可分为电阻应变、电容、电感、压磁、电压、振弦等几种类型. 其中最常见的是电阻称重传感器。 电阻应变式称重传感器根据其结构分为几种类型:柱形、箱形、悬臂梁形、剪切梁形、圆环形和轮辐形等多种类型。

2. 2称重传感器工作原理

    下面是一个柱形电阻应变式称重传感器的示例,以说明其工作原理。 柱形称重传感器的工作原理是将电阻应变计粘贴到弹性敏感元件上,然后适当地形成电桥,将物体的质量转换为电信号。  柱形称重传感器主要由两部分组成,第一部分是一个敏感的弹性元件,它将被测物体的质量转换为弹性体的变形值;第二部分是电阻计数器作为检测项,它将弹性体变形的同步转换为电阻值的变化。

    柱形称重传感器的实例说明了工作原理,该传感器在合金圆柱上由成对的四个R1至R4应变片组成,垂直和水平形成一个应变计。 当某个对象位于弹片上方时,其纵向压缩和横向拉伸是粘贴到其曲面上的面强度的同时变形。 由于变零件形成的应变计是以平衡电桥的形式连接的,因此变零件应变电阻的变化对起始电桥的不平衡作出反应,因此信号与物体的质量成正比,即使弹性域中的相对弹性体变化与质量成正比。柱形称重传感器的灵敏度常为2mV/V或3mV/V。

2. 3线性补偿原则

     为了达到称重传感器内部,提高线性度的目的是增加电桥电路的实际供电电压,调整输出进行线性补偿。 在圆柱弹性元件变形区域中-在工作电阻变形计数器上方,沿轴对称粘贴两个线性补偿变形计数器r。 如果线性补偿应变计的r灵敏度系数为负,则粘贴-垂直于轴。 线性补偿应变计的粘贴位置应对称连接电桥电路的拱桥端具有r / 2强度的两个线性补偿应变计。

3.称重传感器的应用

3. 1高速定量分配系统

     本系统由微机控制对称重传感器的称重和比较,输出控制信号,实现定额称重,控制外部给料系统运行,实现自动称重和快速分装。  系统采用51单片机和v / f电压变频器等电子元件,其框图见图1,采用中央处理器8031、BCD编码盘作为输入器,物料装在料斗里,其重量扭曲传感器弹性体,输出重量成正比的电信号。 一方面,微机将材料重量的瞬时数字量传递到显示电路,以显示瞬时材料重量;另一方面,计算机进行重量比较,以打开和关闭一系列称重定值控制。    

图1.png

               图1 

    图2显示了称重自动称重和装料装置。 每一个装料袋沿传送带移动,直至处于装有材料的电子秤下方,传送带停止移动,电磁线圈2接通电源,电子秤料斗翻转,材料倒入袋子,当材料掉下来时,传送带的发动机又开始通电了,装满材料的袋被移动,传送带受到保护以继续运行,直到下一个空袋切断了光电传感器的光源同时复位电子秤称料箱,电磁线圈1接通,漏斗自动加料到电子秤,重量由微机控制。 装料系统开始下一个装料周期。 这一过程可以持续下去,当漏斗和传送带上箱子够多。 如有必要,操作员可以随时停止传送带,通过拔码盘输入不同的给定值,然后再启动,即可改变箱或袋中的重量。

图2.png

       图2自动称重充电装置 

    自动称重和装料装置系统可使用不同的传感器来改变称重范围,并可应用于水泥、糖和面粉等行业的自动包装。

3. 2在贸易电子平衡中的应用  

    目前,电子贸易计价秤的使用非常普遍,将逐渐取代传统的和机械的案秤。 电子平衡表的结构有一个重要特征:一个较大的称台只能有一个专用的传感器承受全部材料重量,如图3所示。

             

图3.png

图3价格范围内部结构图  

     常用的电子计价秤传感器结构如图4所示,图4 ( a )由两个双连接椭圆孔弹性组成,平衡由梁端头顶部平面上的两个螺纹孔确定;图4 ( b )为梅花型四孔弹性体,秤盘上有三个螺纹孔控制台梁端侧面,补偿板粘贴到中间支撑杆上。 这两种传感器在计价秤中使用最广泛。 图4 ( c )是一个三梁弯曲弹性体,它对弯曲应力进行采样并对重量反应敏感. 应该用它来做小称量计价秤。 图4 ( d )是一个三梁剪切弹性体,对中间敏感梁的剪切应力进行采样,可用于制作数百公斤的计价秤    。  

 

图4.png      

   图4价格范围弹性结构  

     使用这些复杂梁式高精度传感器支撑大型称重平台,被称重物可以放置在任何标称平台上的任何位置,必然产生四角示值误差. 对于图4 ( a )和图4 ( b )中的两种结构传感器,均可通过磨削校正角度差。 在图4 ( c )、( d )中,它有两个局部减弱的柔性副梁,使传感器具有较强的横向、横向和扭转力矩抵抗能力,并可通过转动副梁的柔性部分来调节传感器的灵敏度系数和四角误差。

 图5显示了商用电子计价秤的电路框图。 传感器采用图4 ( b )所示的梅花型四孔结构,平衡具有零位、单价自动去除、零位自动跟踪、自动去皮、数字量累计和金额累计、打印输出等功能.,并且显示了七个绿色荧光管,使用起来非常方便。

       图5.png 

图5 

3. 3在国内电子平衡中的应用

     图6是采用chbl3s型双连接器弹性体称重传感器制作手提式电子秤的原理图. 它由重量传感器、放大电路、a/d转换和液晶显示四部分组成。 在图中,e是9v叠层电池,R1 - R4是称重传感器4个电阻应变片,r5、R6和w1组成零调节电路。 当负载为零时,将rw 1设置为零。  a1、a2为双lm 358运输集成电路中的两个单元电路,构成对称相位放大器,a / d转换器采用双集成ICL 7106转换器a / d,液晶显示器采用液晶显示板3 1 / 2。 电子天平精度高,简单实用,便于携带.。

     称重传感器是一种高精度传感器,应按照规定的规格使用。 如果未按规定使用,则不能对其进行称重并造成损害,特别是在绝对禁止使用高于负荷的安全值的情况下。

图6.png

          图6

4.称重传感器的研制

     自1940年代初采用粘贴式电阻应变计的模拟式称重传感器以来,在结构设计、制造工艺、综合性能指标、稳定性和可靠性等方面取得了进展和改进,并在各种电子均衡器和系统中得到广泛应用。 随着科学和技术的进步,工业过程自动化水平,特别是数字技术和信息技术的自动化水平有所提高,计量和反计量系统对数字技术和数字系统应用的需求也有所增加。 均衡器行业受到了电子均衡器数字化、情报和使用数字称重系统等要求,以超越模拟称重系统的界限。 众所周知,数字称重系统要求以数字形式出口称重传感器和称重仪表系统。 当前使用的模拟称重传感器,由于电阻应变变换原理决定了制造中使用的任何电阻应变计,因此不能产生具有数字特性的输出信号,并且存在固有缺陷,如输出仿真信号小,通常是短。 不能适应电子均衡器的数字化和智能要求。   例如,重点放在模拟称重传感器与数字称重系统和智能数字称重传感器之间的接口上,这些传感器是许多研究的主题,提供了创新的科学和技术成果,并开发了范围广泛的知识产权产品。

     数字智能称重传感器输出信号大,数字信号是一组高低电平信号,具有均匀组成,通常为5v,干扰能力强,如抗射频电磁场辐射;信号传输距离长,一般可达150米,接通电源后可超过600米,安装调试方便;很容易实现一些特性,完全克服模拟称重传感器的缺陷,是数字电子均衡器、测控系统的首选产品。

     从电子均衡器的种类、结构和用途来看,数字智能称重传感器不能完全代替模拟称重传感器,在相当长的一段时间内,模拟称重传感器将继续成为称重传感器开发和应用中的主流。 但是,我们要注意数字智能称重传感器及其在数字称重系统中的应用,认真研究。 

     数字智能称重传感器有两种结构形式,一种是整体的,另一种是独立的。

     ( a )整体性数字型智能称重传感器

     如前所述, 在称重传感器内部安装有放大、滤波、A/D转换、微处理器芯片和温度敏感元件等组成的数字处理电路,利用微处理器芯片已存入的软件,实施各项数字补偿工艺,进行综合性能测试和检定,最后采用电子束焊或激光焊进行密封,因数字变换与补偿电路和称重传感器为一整体,故称为整体型数字式智能称重传感器。数字式智能称重传感器的制造工艺完全不同于模拟式称重传感器,主要是两个环节,其一是在弹性元件组成惠斯登电桥电路后,通过试验、测试、建立数字补偿技术与工艺要求的各补偿项目的数学模型,形成便于程序化计算的公式,便于编制成补偿计算软件,主要是线性补偿、蠕变补偿、零点和灵敏度温度补偿等数学模型, 因为,数字补偿技术与工艺是建立在合理的物理模型和数学模型基础上,给出准确可靠的数学模型是保证数字补偿精度的前提。其二是根据数学模型编制出简单、实用、有效的补偿计算软件。存储在微处理器芯片中进行各项误差修正与补偿, 软件技术主要有数字滤波技术:称重传感器的模拟输出信号,经 A/D变换后进入微处理器时,常混进尖脉冲之类的随机噪声干扰,必须予以削弱和滤除;标度变换技术:称重传感器的模拟信号,经A/D变换后得到一系列的数码,必须将其换算成带有量钢的数据后才能运算、显示。数字调零技术:采用各种程序来实现零点漂移、增益漂移等偏差校准。温度补偿技术:建立表达温度的数学模型,如多项式等,用差值等数学处理方法,便可有效的实现温度补偿;非线性补偿技术,根据测得的特性曲线,进行分段插值,只要插值点数取得合理和足够多,就可获得优良的线形。

    B) 分离型模块化数字称重传感器系统

    在分析了整体型数字式智能称重传感器的存在问题、应用经验和市场要求的基础上,美国 STS公司于 4BB7 年推出分离型 7788 系列数字式称重传感器模块,它是将原先放置在称重传感器内部的A/D转换数字处理电路,移至一个外部接线盒内, 将具有A/D转换模块的接线盒称为数字接线盒,将普通的模拟式称重传感器接入数字接线盒后,其后的输出便以数字信号传输给与其配套的称重显示控制仪表,常将模拟式称重传感器加数字接线盒的模式,称为模块化数字称重传感器系统,即保留了模拟式称重传感器的综合性能指标,又具备整体型数字式智能化称重传感器的所有特点和功能。 同时最大限度的改善了A/D路的工作环境,模块化数字称重传感器系统的特点是:

   (1)在模拟式称重传感器无任何改变的条件下,经数字接线盒,变模拟信号输出为数字信号输出,使其具有整体型数字式智能称重传感器的特点和功能。

    (2) 用模块化数字称重传感器系统,可在不改变原有电子衡器结构的基础上,实现电子衡器数字化。

    (3) 模拟式称重传感器可在-40~70℃环境条件下正常工作,配以数字接线盒可以使模块化数字称重传感器系统在较宽的温度范围内工作。

(4)与整体型相比,分离型模块化数字称重传感器系统的稳定性和可靠性都有较大提高。

(5)安装布线非常简单,从数字接线盒到数字式称重仪表只有一根电缆线。

    (6)因接配普通模拟式称重传感器,便于维护、修理,维护成本也比整体型低。

5. 结论性意见   

      对电子均衡器和称重系统的需要是称重传感器研究和开发的一个长期课题。 随着数字信息时代的到来,电子均衡器和数字称重系统在测控系统中的应用日益增多工业过程需要迅速发展数字智能称重传感器及相关技术和仪器。

     早在1980年代,美国、德国和其他工业化国家就开始了对数字称重传感器和数字称重系统的初步研究和开发。经过十年的努力,引进了几个数字智能称重传感器及其称重系统,引起了电子称重领域的注意。 美国STS 2200系列模块化数字称重传感器、美国托莱多、曲柄摇杆、全密封智能数字称重传感器和德国hbm c16ic 3圆柱形激光焊接全密封智能数字称重传感器极大地促进了数字和数字称重系统的发展。

     我们数字智能称重传感器的研发始于九十年代末,在短短几年内,在模拟称重传感器内开发并安装了小型数字装置,完成了模拟信号到数字信号的转换,模拟称重传感器被转换为数字称重传感器,并应用于大型电子车辆衡算和电子车辆衡算等小型称重系统。 近年来,在数字称重传感器、数字智能电路的研究实践、数字补偿技术和数字补偿技术的基础上,综合智能数字称重传感器和独立模块化数字称重传感器系统的开发取得了阶段性成果。 


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