稱(chēng)重傳感器制作的地磅已被廣泛地應用到各行各業(yè)，敘述國內外稱(chēng)重傳感器的發(fā)展情況，介紹了稱(chēng)重傳感 器在高速定量分裝系統的應用。

1.緒論

稱(chēng)重傳感器是電子稱(chēng)重系統的核心部件，是電子稱(chēng)重技術(shù) 的重要基礎。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，由稱(chēng)重傳感器制作的地磅已被廣泛地應用到各行各業(yè)，實(shí)現了對物料的快速、準確的稱(chēng) 量，特別是隨著(zhù)微處理機的出現，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度化 的不斷提高，稱(chēng)重傳感器已成為過(guò)程控制中的一種必需的裝 置，從以前不能稱(chēng)重的大型罐、料斗等重量計量以及吊車(chē)秤、汽 車(chē)秤等計量控制，到混合分配多種原料的配料系統、生產(chǎn)工藝 中的自動(dòng)檢測和粉粒體進(jìn)料量控制等，都應用了稱(chēng)重傳感器。 目前，稱(chēng)重傳感器幾乎被運用到了所有的稱(chēng)重領(lǐng)域。

2.稱(chēng)重傳感器的發(fā)展

自從20世紀40年代初利用粘貼式電阻應變計的模擬式 稱(chēng)重傳感器問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的種種改進(jìn)與發(fā)展，其從結構 設計、制造工藝到綜合性能指標穩定性和可靠性都達到較高的 水平，在各種地磅和稱(chēng)重計量與控制系統中得到了廣泛的 應用。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化水平的提高，特別 是數字技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，在稱(chēng)重計量與控制系統中，數 字技術(shù)與數字系統的需求愈來(lái)愈多，對衡器行業(yè)提出了地磅數字化、智能化，用數字稱(chēng)重系統突破模擬稱(chēng)重系統的局限 性等要求。眾所周知，數字稱(chēng)重系統要求稱(chēng)重傳感器和稱(chēng)重儀 表系統以數字形式輸出。目前在用的模擬式稱(chēng)重傳感器，由于 電阻應變轉換原理決定了無(wú)論采用何種電阻應變計進(jìn)行制造， 其本身都不能產(chǎn)生具有數字特征的輸出信號，而且存在著(zhù)輸出 的模擬信號小，一般為20?40mV，傳輸距離短，抗干擾能力 差，稱(chēng)重顯示控制儀表復雜，安裝調試不方便等先天缺陷，根本 適應不了地磅數字化，智能化的要求。因此，這引起了人 們對模擬式稱(chēng)重傳感器與數字稱(chēng)重系統接口和數字式智能稱(chēng) 重傳感器的重視，國外一些著(zhù)名稱(chēng)重傳感器生產(chǎn)廠(chǎng)，對此開(kāi)展 了許多研宄工作，并取得了突破性的科技成果，開(kāi)發(fā)出多種具 有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。

數字式智能稱(chēng)重傳感器具有輸出信號大，數字信號是由一 組組高低電平信號，有格式、有規律的組成，一般為5V抗射頻 電磁場(chǎng)輻射等干擾能力強，信號傳輸距離遠，一般可達150m， 附加電源后可超過(guò)600m，安裝、調試方便；易實(shí)現智能化控制 等特點(diǎn)，數字稱(chēng)重系統能保障生產(chǎn)的連續性，實(shí)現不間斷工 作，儀表不但時(shí)刻監測著(zhù)各個(gè)數字稱(chēng)重傳感器的工作狀況，而 且在發(fā)現某個(gè)傳感器故障時(shí)，儀表可以自動(dòng)啟動(dòng)不間斷工作方 式，仍然能保障一定時(shí)間一定精度下的稱(chēng)重，不至于造成生產(chǎn) 停機。同時(shí)儀表會(huì )發(fā)出信號給用戶(hù)，定位故障傳感器要求更換， 模擬稱(chēng)重傳感器系統一旦傳感器有故障就無(wú)法稱(chēng)重，從而造成 停工停產(chǎn)的重大事件。數字稱(chēng)重傳感器完全克服了模擬式稱(chēng)重 傳感器的缺點(diǎn)，是數字化電子衡器、自動(dòng)稱(chēng)重計量與控制系統、 需要自動(dòng)校準的稱(chēng)重系統、復雜結構的各類(lèi)配料秤、容積秤和 超大型電子衡器的首選產(chǎn)品。因此，數字式智能稱(chēng)重傳感器是 今后研究和發(fā)展的方向。

數字式智能稱(chēng)重傳感器有兩種實(shí)現方法或者說(shuō)有兩種結 構形式:整體型和分離型。

2.1整體型數字式智能稱(chēng)重傳感器

如前所述，在稱(chēng)重傳感器內部安裝有放大、濾波、A/D轉 換，微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數字處理電路，利 用微處理器芯片已存入的軟件，實(shí)施各項數字補償工藝，進(jìn)行 綜合性能測試和檢定。最后采用電子束焊或激光焊進(jìn)行密封， 因數字變換與補償電路和稱(chēng)重傳感器為一整體，故稱(chēng)為整體型 數字式智能稱(chēng)重傳感器，數字式智能稱(chēng)重傳感器的制造工藝完 全不同于模擬式稱(chēng)重傳感器，主要是兩個(gè)環(huán)節，其一是在彈性 元件組成惠斯登電橋電路后，通過(guò)試驗、測試、建立數字補償技 術(shù)與工藝要求的各補償項目的數學(xué)模型，形成便于程序化計算 的公式，便于編制成補償計算軟件，主要是線(xiàn)性補償、蠕變補 償、零點(diǎn)和靈敏度溫度補償等數學(xué)模型。因此，數字補償技術(shù) 與工藝是建立在合理的物理模型和數學(xué)模型基礎上，給出準確 可靠的數學(xué)模型是保證數字補償精度的前提，其二是根據數學(xué) 模型編制出簡(jiǎn)單、實(shí)用、有效的補償計算軟件，存儲在微處理器 芯片中進(jìn)行各項誤差修正與補償。軟件技術(shù)主要有數字濾波 技術(shù)，使傳感器的模擬輸出信號，經(jīng)A/D變換后進(jìn)入微處理器 時(shí)，?；爝M(jìn)尖脈沖之類(lèi)的隨機噪聲干擾，必須予以削弱和濾除。 標度變換技術(shù)稱(chēng)重傳感器的模擬信號，經(jīng)A/D變換后得到一系 列的數碼，必須將其換算成帶有量鋼的數據后才能運算。顯示數字調零技術(shù)采用各種程序來(lái)實(shí)現零點(diǎn)漂移、增益漂移等偏差 校準，溫度補償技術(shù)建立表達溫度的數學(xué)模型，如多項式等。用 差值等數學(xué)處理方法，便可有效的實(shí)現溫度補償；非線(xiàn)性補償 技術(shù)，根據測得的特性曲線(xiàn)，進(jìn)行分段插值，只要插值點(diǎn)數取得 合理和足夠多，就可獲得優(yōu)良的線(xiàn)形。

2.2分離型模塊化數字稱(chēng)重傳感器系統

在分析了整體型數字式智能稱(chēng)重傳感器的存在問(wèn)題，應用 經(jīng)驗和市場(chǎng)要求的基礎上，美國STS公司于1988年推出分離 型系列數字式稱(chēng)重傳感器模塊，它是將原先放置在稱(chēng)重傳感器 內部的A/D轉換數字處理電路，移至一個(gè)外部接線(xiàn)盒內，將具 有A/D轉換模塊的接線(xiàn)盒稱(chēng)為數字接線(xiàn)盒，將普通的模擬式 稱(chēng)重傳感器接入數字接線(xiàn)盒后的輸出便以數字信號傳輸給與 其配套的稱(chēng)重顯示控制儀表。常將模擬式稱(chēng)重傳感器加數字接 線(xiàn)盒的模式，稱(chēng)為模塊化數字稱(chēng)重傳感器系統。這種系統既保 留了模擬式稱(chēng)重傳感器的綜合性能指標，又具備整體型數字式 智能化稱(chēng)重傳感器的所有特點(diǎn)和功能，同時(shí)最大限度的改善 了 A/D路的工作環(huán)境。模塊化數字稱(chēng)重傳感器系統的特點(diǎn)是：

（1）在模擬式稱(chēng)重傳感器無(wú)任何改變的條件下，經(jīng)數字接 線(xiàn)盒，將模擬信號輸出為數字信號輸出，使其具有整體型數字 式智能稱(chēng)重傳感器的特點(diǎn)和功能。

（2）用模塊化數字稱(chēng)重傳感器系統，可在不改變原有電子 衡器結構的基礎上，實(shí)現地磅數字化。

（3）模擬式稱(chēng)重傳感器可在-40?70°C環(huán)境條件下正常工 作，配以數字接線(xiàn)盒可以使模塊化數字稱(chēng)重傳感器系統在較寬 的溫度范圍內工作。

（4）與整體型相比，分離型模塊化數字稱(chēng)重傳感器系統的 穩定性和可靠性都有較大提高。

（5）安裝布線(xiàn)非常簡(jiǎn)單，從數字接線(xiàn)盒到數字式稱(chēng)重儀表 只有一根電纜線(xiàn)。

（6）因接配普通模擬式稱(chēng)重傳感器，便于維護、修理，維護 成本也比整體型低。

地磅和稱(chēng)重系統的需要就是稱(chēng)重傳感器研宄，開(kāi)發(fā)的 永久性課題。隨著(zhù)數字信息時(shí)代的到來(lái)，在工業(yè)過(guò)程檢測和稱(chēng) 重計量與控制系統中，數字化地磅和數字稱(chēng)重系統的應用 愈來(lái)愈多，這就要求數字式智能稱(chēng)重傳感器及其相關(guān)技術(shù)，配 套儀表盡快發(fā)展。

早在20世紀80年代，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家，就開(kāi)始 了數字式稱(chēng)重傳感器和數字稱(chēng)重系統的預先研宄和初期開(kāi)發(fā) 工作，經(jīng)過(guò)十余年的努力，推出了多種數字式智能稱(chēng)重傳感器 及其稱(chēng)重系統，在電子稱(chēng)重領(lǐng)域備受矚目。美國STS公司2200 系列模塊化數字稱(chēng)重傳感器，美國TOLEDO，CARDINAL公 司搖柱型全密封數字式智能稱(chēng)重傳感器，德國HBM公司 C16ic3圓柱型全不銹鋼激光焊接密封的數字式智能稱(chēng)重傳感 器，有力的推動(dòng)了電子衡器數字化和數字稱(chēng)重系統的發(fā)展。

我國數字式智能稱(chēng)重傳感器的研宄開(kāi)發(fā)始于20世紀90 年代中后期，在短短幾年時(shí)間里，研制出安裝在模擬式稱(chēng)重傳 感器內部的小型數字化單元，完成了模擬信號與數字信號之間 的轉換，變模擬式稱(chēng)重傳感器為數字化稱(chēng)重傳感器，并應用于 大型電子汽車(chē)衡和電子配料秤等小型稱(chēng)重系統中，取得了較好 的測試結果。近年來(lái)，又在數字化稱(chēng)重傳感器的基礎上，研宄與 實(shí)踐數字式智能化電路，數字補償技術(shù)與數字補償工藝，開(kāi)發(fā) 整體型數字式智能稱(chēng)重傳感器和分離型模塊化數字稱(chēng)重傳感 器系統，并且已經(jīng)取得了階段性成果?？梢灶A計，很快就會(huì )在電 子衡器數字化和數字稱(chēng)重系統中，見(jiàn)到國產(chǎn)的數字式智能稱(chēng)重 傳感器和模塊化數字稱(chēng)重傳感器系統。

3.稱(chēng)重傳感器的應用

稱(chēng)重傳感器制作的地磅已廣泛地應用到各行各業(yè)，實(shí) 現了對物料的快速、準確的稱(chēng)量，下面就稱(chēng)重傳感器在高速定 量分裝系統的應用做介紹。本系統由微機控制稱(chēng)重傳感器的 稱(chēng)重和比較，并輸出控制信號，執行定值稱(chēng)量，控制外部給料系 統的運轉，實(shí)行自動(dòng)稱(chēng)量和快速分裝的任務(wù)。

系統的工作原理，系統采用MCS- 51單片機和V/F電壓 頻率變換器等電子器件，其硬件電路框圖如圖1所示，用8031 作為中央處理器，BCD拔碼盤(pán)作為定值設定輸入器，物料裝在 料斗里，其重量使傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與重量成正比 的電信號，傳感器輸出信號經(jīng)放大器放大后，輸入V/F轉換器 進(jìn)行A/D轉換，轉換成的頻率信號直接送入8031微處理器 中，其數字量由微機進(jìn)行處理。微機一方面把物重的瞬時(shí)數字 量送入顯示電路，顯示出瞬時(shí)物重，另一方面則進(jìn)行稱(chēng)重比較， 開(kāi)啟和關(guān)閉加料口、放料于箱中等一系列的稱(chēng)重定值控制。

在整個(gè)定值分裝控制系統中，稱(chēng)重傳感器是影響電子秤測 量精度的關(guān)鍵部件，選用GYL- 3應變式稱(chēng)重測力傳感器。四片 電阻應變片構成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感 器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而 且，供橋橋壓U的變化直接影響電子秤的測量精度，所以要求 橋壓很穩定。毫伏級的傳感器輸出經(jīng)放大后，變成了 0- 10V的 電壓信號輸出，送入V/F變換器進(jìn)行A/D轉換，其輸出端輸出 的頻率信號加到單片機8031定時(shí)器1的計數、輸入端T1上。 在微機內部由定時(shí)器0作計數定時(shí)，定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間由要 求的A/D轉換分辯率設定。

定時(shí)器1的計數值反映了測量電壓的大小即物料的重量。 在顯示的同時(shí)，計算機還根據設定值與測量值進(jìn)行定值判斷，測 量值與給定值進(jìn)行比較，取差值提供PID運算，當重量不足，則 繼續送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口 輸出控制信號，控制外部給料設備停止送料，顯示測量終值，然 后發(fā)出回答令，表示該袋裝料結束，可進(jìn)行下袋的裝料稱(chēng)重。

圖2所示為自動(dòng)稱(chēng)重和裝料裝置。每個(gè)裝料的箱子或袋子 沿傳送帶運動(dòng)，直到裝有料的電子秤下面，傳送帶停止運動(dòng)，電 磁線(xiàn)圈2通電，電子秤料斗翻轉，使料全部倒入箱子或袋子中， 當料倒完，傳送帶馬達再次通電，將裝滿(mǎn)料的箱子或袋子移出， 并保護傳送帶繼續運行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感 器的光源，與此同時(shí)，電子秤料箱復位，電磁線(xiàn)圈1通電，漏斗給電子秤自動(dòng)加料，重量由微機控制，當電子秤中的料與給定 值相等時(shí)，電磁線(xiàn)圈1斷電，彈簧力使漏斗門(mén)關(guān)上，裝料系統開(kāi) 始下一個(gè)裝料的循環(huán)。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多 時(shí)，這個(gè)過(guò)程可以持續不斷地進(jìn)行下去。必要時(shí)，工作人員可以 隨時(shí)停止傳送帶，通過(guò)拔碼盤(pán)輸入不同的給定值，然后再啟動(dòng)， 即可改變箱或袋中的重量。

圖2自動(dòng)稱(chēng)重和裝料裝置 本系統選用不同型號的傳感器，改變稱(chēng)重范圍，則可以用 到水泥、食糖、面粉加工等行業(yè)的自動(dòng)包裝中。

4.結束語(yǔ)

20世紀90年代以來(lái)，在電子稱(chēng)重技術(shù)和工業(yè)、商業(yè)、家用 電子秤快速發(fā)展的強力牽引下，稱(chēng)重傳感器的設計技術(shù)、制造 技術(shù)和工藝技術(shù)都有很大提高，取得了許多令人矚目的成果。 總結工業(yè)發(fā)達國家特別是美、德、日稱(chēng)重傳感器技術(shù)與產(chǎn)品的 發(fā)展與創(chuàng )新經(jīng)驗，概括起來(lái)就是設計技術(shù)虛擬化，制造技術(shù)柔 性化，生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡(luò )化，企業(yè)管理信息化。稱(chēng)重傳感器與地磅數字化是現代地磅發(fā)展最突出的熱點(diǎn)，電子技術(shù)的飛躍 進(jìn)步，單片機的普及與推廣，為稱(chēng)重傳感器提高性能、稱(chēng)量自動(dòng) 和智能化作出了貢獻;微電子、信息、智能卡等高新技術(shù)更加速 了稱(chēng)重傳感器數字化、智能化、微型化、微功耗的進(jìn)程。由于單 片機本身的嵌入式軟件技術(shù)及大規模集成電路等特點(diǎn)，具有三 電一體化(機電、電子、微電子）高新技術(shù)的地磅產(chǎn)品便會(huì ) 應運而生，制造工藝的簡(jiǎn)化、產(chǎn)品成本的降低、利潤空間的增 大，將會(huì )掀起新一代稱(chēng)重傳感制造技術(shù)的革命與競爭，稱(chēng)重傳 感器制作的地磅也會(huì )更廣泛的應用到稱(chēng)重領(lǐng)域。