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

1.緒論

稱重傳感器是電子稱重系統(tǒng)的核心部件，是電子稱重技術(shù) 的重要基礎(chǔ)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，由稱重傳感器制作的地磅已被廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對物料的快速、準(zhǔn)確的稱 量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度化 的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝 置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計(jì)量以及吊車秤、汽 車秤等計(jì)量控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、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(yīng)用了稱重傳感器。 目前，稱重傳感器幾乎被運(yùn)用到了所有的稱重領(lǐng)域。

2.稱重傳感器的發(fā)展

自從20世紀(jì)40年代初利用粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)的模擬式 稱重傳感器問世以來，經(jīng)過多年的種種改進(jìn)與發(fā)展，其從結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)、制造工藝到綜合性能指標(biāo)穩(wěn)定性和可靠性都達(dá)到較高的 水平，在各種地磅和稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)中得到了廣泛的 應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)過程自動(dòng)化水平的提高，特別 是數(shù)字技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，在稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)中，數(shù) 字技術(shù)與數(shù)字系統(tǒng)的需求愈來愈多，對衡器行業(yè)提出了地磅數(shù)字化、智能化，用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)的局限 性等要求。眾所周知，數(shù)字稱重系統(tǒng)要求稱重傳感器和稱重儀 表系統(tǒng)以數(shù)字形式輸出。目前在用的模擬式稱重傳感器，由于 電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換原理決定了無論采用何種電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行制造， 其本身都不能產(chǎn)生具有數(shù)字特征的輸出信號(hào)，而且存在著輸出 的模擬信號(hào)小，一般為20?40mV，傳輸距離短，抗干擾能力 差，稱重顯示控制儀表復(fù)雜，安裝調(diào)試不方便等先天缺陷，根本 適應(yīng)不了地磅數(shù)字化，智能化的要求。因此，這引起了人 們對模擬式稱重傳感器與數(shù)字稱重系統(tǒng)接口和數(shù)字式智能稱 重傳感器的重視，國外一些著名稱重傳感器生產(chǎn)廠，對此開展 了許多研宄工作，并取得了突破性的科技成果，開發(fā)出多種具 有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

數(shù)字式智能稱重傳感器具有輸出信號(hào)大，數(shù)字信號(hào)是由一 組組高低電平信號(hào)，有格式、有規(guī)律的組成，一般為5V抗射頻 電磁場輻射等干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，一般可達(dá)150m， 附加電源后可超過600m，安裝、調(diào)試方便；易實(shí)現(xiàn)智能化控制 等特點(diǎn)，數(shù)字稱重系統(tǒng)能保障生產(chǎn)的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)不間斷工 作，儀表不但時(shí)刻監(jiān)測著各個(gè)數(shù)字稱重傳感器的工作狀況，而 且在發(fā)現(xiàn)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)間一定精度下的稱重，不至于造成生產(chǎn) 停機(jī)。同時(shí)儀表會(huì)發(fā)出信號(hào)給用戶，定位故障傳感器要求更換， 模擬稱重傳感器系統(tǒng)一旦傳感器有故障就無法稱重，從而造成 停工停產(chǎn)的重大事件。數(shù)字稱重傳感器完全克服了模擬式稱重 傳感器的缺點(diǎn)，是數(shù)字化電子衡器、自動(dòng)稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)、 需要自動(dòng)校準(zhǔn)的稱重系統(tǒng)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各類配料秤、容積秤和 超大型電子衡器的首選產(chǎn)品。因此，數(shù)字式智能稱重傳感器是 今后研究和發(fā)展的方向。

數(shù)字式智能稱重傳感器有兩種實(shí)現(xiàn)方法或者說有兩種結(jié) 構(gòu)形式:整體型和分離型。

2.1整體型數(shù)字式智能稱重傳感器

如前所述，在稱重傳感器內(nèi)部安裝有放大、濾波、A/D轉(zhuǎn) 換，微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數(shù)字處理電路，利 用微處理器芯片已存入的軟件，實(shí)施各項(xiàng)數(shù)字補(bǔ)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(shù)字變換與補(bǔ)償電路和稱重傳感器為一整體，故稱為整體型 數(shù)字式智能稱重傳感器，數(shù)字式智能稱重傳感器的制造工藝完 全不同于模擬式稱重傳感器，主要是兩個(gè)環(huán)節(jié)，其一是在彈性 元件組成惠斯登電橋電路后，通過試驗(yàn)、測試、建立數(shù)字補(bǔ)償技 術(shù)與工藝要求的各補(bǔ)償項(xiàng)目的數(shù)學(xué)模型，形成便于程序化計(jì)算 的公式，便于編制成補(bǔ)償計(jì)算軟件，主要是線性補(bǔ)償、蠕變補(bǔ) 償、零點(diǎn)和靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)葦?shù)學(xué)模型。因此，數(shù)字補(bǔ)償技術(shù) 與工藝是建立在合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，給出準(zhǔn)確 可靠的數(shù)學(xué)模型是保證數(shù)字補(bǔ)償精度的前提，其二是根據(jù)數(shù)學(xué) 模型編制出簡單、實(shí)用、有效的補(bǔ)償計(jì)算軟件，存儲(chǔ)在微處理器 芯片中進(jìn)行各項(xiàng)誤差修正與補(bǔ)償。軟件技術(shù)主要有數(shù)字濾波 技術(shù)，使傳感器的模擬輸出信號(hào)，經(jīng)A/D變換后進(jìn)入微處理器 時(shí)，常混進(jìn)尖脈沖之類的隨機(jī)噪聲干擾，必須予以削弱和濾除。 標(biāo)度變換技術(shù)稱重傳感器的模擬信號(hào)，經(jīng)A/D變換后得到一系 列的數(shù)碼，必須將其換算成帶有量鋼的數(shù)據(jù)后才能運(yùn)算。顯示數(shù)字調(diào)零技術(shù)采用各種程序來實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移、增益漂移等偏差 校準(zhǔn)，溫度補(bǔ)償技術(shù)建立表達(dá)溫度的數(shù)學(xué)模型，如多項(xiàng)式等。用 差值等數(shù)學(xué)處理方法，便可有效的實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；非線性補(bǔ)償 技術(shù)，根據(jù)測得的特性曲線，進(jìn)行分段插值，只要插值點(diǎn)數(shù)取得 合理和足夠多，就可獲得優(yōu)良的線形。

2.2分離型模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)

在分析了整體型數(shù)字式智能稱重傳感器的存在問題，應(yīng)用 經(jīng)驗(yàn)和市場要求的基礎(chǔ)上，美國STS公司于1988年推出分離 型系列數(shù)字式稱重傳感器模塊，它是將原先放置在稱重傳感器 內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字處理電路，移至一個(gè)外部接線盒內(nèi)，將具 有A/D轉(zhuǎn)換模塊的接線盒稱為數(shù)字接線盒，將普通的模擬式 稱重傳感器接入數(shù)字接線盒后的輸出便以數(shù)字信號(hào)傳輸給與 其配套的稱重顯示控制儀表。常將模擬式稱重傳感器加數(shù)字接 線盒的模式，稱為模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既保 留了模擬式稱重傳感器的綜合性能指標(biāo)，又具備整體型數(shù)字式 智能化稱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(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

（1）在模擬式稱重傳感器無任何改變的條件下，經(jīng)數(shù)字接 線盒，將模擬信號(hào)輸出為數(shù)字信號(hào)輸出，使其具有整體型數(shù)字 式智能稱重傳感器的特點(diǎn)和功能。

（2）用模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)，可在不改變原有電子 衡器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)地磅數(shù)字化。

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

（4）與整體型相比，分離型模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和可靠性都有較大提高。

（5）安裝布線非常簡單，從數(shù)字接線盒到數(shù)字式稱重儀表 只有一根電纜線。

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

地磅和稱重系統(tǒng)的需要就是稱重傳感器研宄，開發(fā)的 永久性課題。隨著數(shù)字信息時(shí)代的到來，在工業(yè)過程檢測和稱 重計(jì)量與控制系統(tǒng)中，數(shù)字化地磅和數(shù)字稱重系統(tǒng)的應(yīng)用 愈來愈多，這就要求數(shù)字式智能稱重傳感器及其相關(guān)技術(shù)，配 套儀表盡快發(fā)展。

早在20世紀(jì)80年代，美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，就開始 了數(shù)字式稱重傳感器和數(shù)字稱重系統(tǒng)的預(yù)先研宄和初期開發(fā) 工作，經(jīng)過十余年的努力，推出了多種數(shù)字式智能稱重傳感器 及其稱重系統(tǒng)，在電子稱重領(lǐng)域備受矚目。美國STS公司2200 系列模塊化數(shù)字稱重傳感器，美國TOLEDO，CARDINAL公 司搖柱型全密封數(shù)字式智能稱重傳感器，德國HBM公司 C16ic3圓柱型全不銹鋼激光焊接密封的數(shù)字式智能稱重傳感 器，有力的推動(dòng)了電子衡器數(shù)字化和數(shù)字稱重系統(tǒng)的發(fā)展。

我國數(shù)字式智能稱重傳感器的研宄開發(fā)始于20世紀(jì)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重傳 感器內(nèi)部的小型數(shù)字化單元，完成了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間 的轉(zhuǎn)換，變模擬式稱重傳感器為數(shù)字化稱重傳感器，并應(yīng)用于 大型電子汽車衡和電子配料秤等小型稱重系統(tǒng)中，取得了較好 的測試結(jié)果。近年來，又在數(shù)字化稱重傳感器的基礎(chǔ)上，研宄與 實(shí)踐數(shù)字式智能化電路，數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與數(shù)字補(bǔ)償工藝，開發(fā) 整體型數(shù)字式智能稱重傳感器和分離型模塊化數(shù)字稱重傳感 器系統(tǒng)，并且已經(jīng)取得了階段性成果。可以預(yù)計(jì)，很快就會(huì)在電 子衡器數(shù)字化和數(shù)字稱重系統(tǒng)中，見到國產(chǎn)的數(shù)字式智能稱重 傳感器和模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。

3.稱重傳感器的應(yīng)用

稱重傳感器制作的地磅已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè)，實(shí) 現(xiàn)了對物料的快速、準(zhǔn)確的稱量，下面就稱重傳感器在高速定 量分裝系統(tǒng)的應(yīng)用做介紹。本系統(tǒng)由微機(jī)控制稱重傳感器的 稱重和比較，并輸出控制信號(hào)，執(zhí)行定值稱量，控制外部給料系 統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)行自動(dòng)稱量和快速分裝的任務(wù)。

系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)采用MCS- 51單片機(jī)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拔碼盤作為定值設(shè)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(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后，輸入V/F轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號(hào)直接送入8031微處理器 中，其數(shù)字量由微機(jī)進(jìn)行處理。微機(jī)一方面把物重的瞬時(shí)數(shù)字 量送入顯示電路，顯示出瞬時(shí)物重，另一方面則進(jìn)行稱重比較， 開啟和關(guān)閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。

在整個(gè)定值分裝控制系統(tǒng)中，稱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(yīng)變式稱重測力傳感器。四片 電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感 器輸出信號(hào)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(wěn)定。毫伏級(jí)的傳感器輸出經(jīng)放大后，變成了 0- 10V的 電壓信號(hào)輸出，送入V/F變換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其輸出端輸出 的頻率信號(hào)加到單片機(jī)8031定時(shí)器1的計(jì)數(shù)、輸入端T1上。 在微機(jī)內(nèi)部由定時(shí)器0作計(jì)數(shù)定時(shí)，定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間由要 求的A/D轉(zhuǎn)換分辯率設(shè)定。

定時(shí)器1的計(jì)數(shù)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(jì)算機(jī)還根據(jù)設(shè)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(yùn)算，當(dāng)重量不足，則 繼續(xù)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(hào)，控制外部給料設(shè)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(jié)束，可進(jìn)行下袋的裝料稱重。

圖2所示為自動(dòng)稱重和裝料裝置。每個(gè)裝料的箱子或袋子 沿傳送帶運(yùn)動(dòng)，直到裝有料的電子秤下面，傳送帶停止運(yùn)動(dòng)，電 磁線圈2通電，電子秤料斗翻轉(zhuǎn)，使料全部倒入箱子或袋子中， 當(dāng)料倒完，傳送帶馬達(dá)再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出， 并保護(hù)傳送帶繼續(xù)運(yùn)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(fù)位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動(dòng)加料，重量由微機(jī)控制，當(dāng)電子秤中的料與給定 值相等時(shí)，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關(guān)上，裝料系統(tǒng)開 始下一個(gè)裝料的循環(huán)。當(dāng)漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多 時(shí)，這個(gè)過程可以持續(xù)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，通過拔碼盤輸入不同的給定值，然后再啟動(dòng)， 即可改變箱或袋中的重量。

圖2自動(dòng)稱重和裝料裝置 本系統(tǒng)選用不同型號(hào)的傳感器，改變稱重范圍，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(jié)束語

20世紀(jì)90年代以來，在電子稱重技術(shù)和工業(yè)、商業(yè)、家用 電子秤快速發(fā)展的強(qiáng)力牽引下，稱重傳感器的設(shè)計(jì)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(jié)工業(yè)發(fā)達(dá)國家特別是美、德、日稱重傳感器技術(shù)與產(chǎn)品的 發(fā)展與創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)，概括起來就是設(shè)計(jì)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。稱重傳感器與地磅數(shù)字化是現(xiàn)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(jī)的普及與推廣，為稱重傳感器提高性能、稱量自動(dòng) 和智能化作出了貢獻(xiàn);微電子、信息、智能卡等高新技術(shù)更加速 了稱重傳感器數(shù)字化、智能化、微型化、微功耗的進(jìn)程。由于單 片機(jī)本身的嵌入式軟件技術(shù)及大規(guī)模集成電路等特點(diǎn)，具有三 電一體化(機(jī)電、電子、微電子）高新技術(shù)的地磅產(chǎn)品便會(huì) 應(yīng)運(yùn)而生，制造工藝的簡化、產(chǎn)品成本的降低、利潤空間的增 大，將會(huì)掀起新一代稱重傳感制造技術(shù)的革命與競爭，稱重傳 感器制作的地磅也會(huì)更廣泛的應(yīng)用到稱重領(lǐng)域。