（机械电子工程专业论文）高精度动态皮带计量秤积算器的开发及系统精度分析.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：庶趋 导师签名： 中文摘要 高精度动态皮带计量秤积算器的开发及系统精度分析 研究生：杜永指导老师：张赤斌教授 ( 东南大学机械工程学院，南京) 摘要 皮带计量秤是对散状物料进行连续、自动累计称量的计量器具，在工业生产中发挥着重 要作用。在保证计量速度的前提下，如何提高计量精度成为皮带计量秤动态计量亟待解决的 问题。本文针对传统计量系统在实际应用中存在的不足，对动态计量理论进行了较为系统的 研究，全面分析了多托辊全悬浮式秤架结构，突破了传统的单个称重传感器单点称重的做法， 在秤架上安装了四个称重传感器，建立了四通道多点称重模式，使动态计量精度更高。 皮带计量秤积算器就是为安装了四个称重传感器的皮带计量秤而开发的，主要完成四路 微小称重信号和一路速度信号的高精度采集，实现物料的动态计量。本文土要内容如下： ( 1 ) 分析了积分型皮带计量秤积算器的计量原理，详细说明了称重传感器和速度传感器 的原理和构成。通过引入比率激励测量技术，优化了积算器电路设计。 ( 2 ) 皮带计量秤积算器硬件电路设计，包括四路称重信号输入通道、速度信号输入通道、 r s - 4 8 5 串行通信和电源模块等电路的设计。 ( 3 ) 皮带计量秤积算器软件开发，软件系统采用前后台结构，首先简要分析了前台和后 台要完成的任务，然后对各个程序模块进行了详细的介绍，并给出了相应的程序流程图和部 分程序代码。 ( 4 ) 本文对皮带计量秤系统的精度进行了分析，建立了四通道多点称重力测量模型，重 点分析了称重力误差和信号处理误差对系统精度的影响。 最后对皮带计量秤进行了全面测试，包括积算器硬件性能测试、模拟载荷试验测试、实 物计量测试。通过这三个方面的测试，证明了预定的目标可以实现：皮带计量秤积算器四路 称重信号处理误差小于0 0 1 ，皮带计量秤系统的动态计量误差小于o 2 。 关键字：皮带计量秤积算器，系统精度分析，四路称重信号，动态计量，高精度 英文摘要 t h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cb e l tm e a s u r e m e n ts c a l et o t a l i z e rw i t h h i g h a c c u r a c ya n dt h ea n a l y s i so fs y s t e ma c c u r a c y c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：d uy o n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gc h i - b i n ( s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ) a b s t r a c t b e l tm e a s u r e m e n ts c a l ei so n eo fm e a s u r i n gi n s t r u m e n t st h a tc a na d du pt h ew e i g h to f b u l k m a t e r i a lc o n t i n u o u s l ya n dv o l u n t a r i l y t h eb e l tm e a s u r e m e n ts c a l ep l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n t h ei n d u s t r yp r o d u c t i o n u n d e rt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gt h em e a s u r ev e l o c i t y , h o wt oi m p r o v et h e m e a s u r ea c c u r a t e n e s sh a sb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m i nv i e wo ft h es h o r t c o m i n gi nt h et r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h ed y n a m i cm e a s u r e m e n tt h e o r yi ss m d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h e s t r u c t u r eo ft h ew h o l es u s p e n s i o nw i t hm u l t i i d l e ri sf u l l ya n a l y s i s e d t h et r a d i t i o no fo n l ya w e i g h i n gs e n o ri nt h eb e l tm e a s u r e m e n ts c a l ei sb r o k e n f o u rw e i g h i n gs e n s o r sa r ei n s t a l l e d a w e i g h i n gm o d e lw i mm u l t i - p o i n t o ff o u r - c h a n n e li se s t a b l i s h e d t h ea c c u r a c yo fd y n a m i c m e a s u r e m e n ti sh i g h e r i na l l u s i o nt ot h es y s t e mo fb e l tm e a s u r e m e n ts c a l ew i n lf o u rw e i g h i n gs e n s o r s t h eb e l t m e a s u r e m e n ts c a l et o t a l i z e rh a sb e e nd e v e l o p e d t h et o t a l i z e rc a na c h i e v et h ed a t aa c q u i s i t i o no f f o u rw e i g h i n gt i n ys i g n a l sa n do n es p e e ds i g n a lw i t hh i g h a c c u r a c y t h ed y n a m i cm e a s u r e m e n ti s c o m p l e t e d t h ef o l l o w i n gi st h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e r ： o ) t b ep r i n c i p l eo fi n t e g r a lb e l tm e a s u r e m e n ts c a l et o t a l i z e ri sd i s c u s s e d t h ew e i g h i n g s e n s o ra n dt h es p e e ds e n s o ra r ei l l u s t r a t e di nd e t a i l s t h er a t i o n m e t r i ct e c h n i q u ei sa d o p t e dt o o p t i m i z et h ed e s i g no ft h et o t a l i z e rc i r c u i t ( 2 ) t h eh a r d w a r ed e s i g no fb e l tm e a s u r e m e n ts c a l et o t a l i z e ri sc o m p l e t e d ，i n c l u d i n gt h e c i r c u i t so ff o u rw e i g h i n gs i g n a l si n p u tc h a n n e l s ，t h es p e e ds i g n a li n p u tc h a n n e l ，r s - 4 8 5s e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dp o w e rm o d u l ea n d8 0o n ( 3 ) t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fb e l tm e a s u r e m e n ts c a l et o t a l i z e ri sa l s oc o m p l e t e d t h e f o r e g r o u n da n db a c k g r o u n ds t r u c t u r ea r eu s e di nt h es o f t w a r es y s t e m f i r s t l y , t h et a s k so ft h e f o r e g r o u n da n db a c k g r o u n da r ea n a l y z e db r i e f l y , t h e ne a c ht a s km o d u l ei sd e s c r i b e di nd e t a i l s ， c o r r e s p o n d i n gp r o g r a mf l o wc h a r ta n dp a r t so f c o d e s a r ea l s og i v e n ( 4 ) t h es y s t e ma c c u r a c yo fd y n a m i cb e l tm e a s u r e m e n ts c a l ei sa n a l y s i s e d t h eg r a v i t y m e a s u r e m e n tm o d e l 、) l ，i t hm u l t i - p o i n to ff o u r - c h a n n e li sb u i l d e d t h ee f f e c to ft h eg r a v i t ye r r o ra n d t h es i g n a lp r o c e s s i n ge r r o rt ot h es y s t e ma c c u r a c ya r es t u d i e d m a i n l y f i n a l l y , t h es y s t e mo f t h eb e l tm e a s u r e m e n ts c a l eh a sb e e nf u l l yt e s t e d ，i n c l u d i n gt h et e s to f t h et o t a l i z e rh a r d w a r ep e r f o r m a n c e ，s i m u l a t e dl o a da n dp h y s i c a lm e a s u r e m e n te x p e r i m e n t s t h e s e t h r e et e s t sp r o v et h a tt h ei n t e n d e dt a r g e tc a nb ea c h i e v e d ：f o u rw e i g h i n gs i g n a l sp r o c e s s i n ge r r o r o ft h et o t a l i z e ri sl e s st h a n0 01 a n dt h ed y n a m i cm e a s u r e m e n te r r o ro ft h es ) ，s t e mo fb e l t m e a s u r e m e n ts c a l ei sl e s st h a n0 2 k e y w o r d s ：b e l tm e a s u r e m e n ts c a l et o t a l i z e r , t h ea n a l y s i so fs y s t e ma c c u r a c y , f o u rw e i g h i n gs i g n a l s ，d y n a m i cm e a s u r e m e n t , h i g h - a c c u r a c y h 2 1 皮带计量秤积算器动态计量原理5 2 2 多托辊全悬浮式秤架6 2 3 称重传感器构成7 2 3 1 弹性1 本8 2 3 2 电阻应变片。8 2 3 3 测量电路9 2 4 比率激励测量原理。l o 2 4 1 传统称重测量方法1l 2 4 2 比率激励测量的原理1 2 2 5 测速传感器1 2 2 6 本章小结1 4 第3 章皮带计量秤积算器硬件设计。1 5 3 1 单片机系统15 3 1 1s t c 8 9 c 5 8 r d + 性能特点。1 6 3 2 四路称重信号输入通道设计1 6 3 2 1 信号滤波设计1 6 3 2 2 信号放大电路设计一1 7 3 2 3 信号模数转换电路设计1 9 3 2 4 四路称重信号输入通道设计的特点2 0 3 3 速度信号输入通道设计2 0 3 4r s - 4 8 5 通信电路设计2l 3 5 铁电r a m ( f m 2 5 c 1 6 0 ) 性能分析。2 2 3 6 电源模块2 3 3 7 本章小结2 5 第4 章皮带计量秤积算器软件开发2 6 4 1 编程语言和编程工具2 6 4 2 软件系统流程图2 6 4 3 四路称重信号采集模块2 7 4 4 皮带速度测量模块2 8 4 5 四路物料输送量累加模块3 0 i i i 东南大学硕士学位论义 4 6 定脉冲数校秤模块3l 4 7 四路称重通道状态切换模块3 2 4 8u a r t 通信模块3 3 4 9 温度采集模块3 4 4 1 0 本章小结3 5 第5 章皮带计量秤系统精度分析3 6 5 1 称重力误差分析3 6 5 1 1 有关计算公式的推导3 7 5 1 2 运行皮带的干扰阻力3 8 5 1 3 称重传感器的误差影响3 9 5 2 皮带速度误差分析4 0 5 3 信号处理误差分析4 0 5 3 1 内部噪卢分析4 0 5 3 2 寄生热偶分析4 1 5 3 3 放人器失调电压分析4 2 5 4 环境影响的误差分析4 3 5 5 校准误差分析4 3 5 6 检定- l 作中的误差分析4 3 5 7 本章小结4 4 第6 章试验数据分析4 5 6 1 实验仪器介绍4 5 6 2 硬件电路性能测试4 6 6 2 1 电桥激励源稳定性测试4 6 6 2 2 仪表放大器a d 8 2 3 1 增益稳定性和增益温漂误差测量4 6 6 2 3a d 转换器a d 7 1 9 0 的非线性度试验4 7 6 2 4 传统测量方式和比率测量方法效果对比4 8 6 2 5 称重信号温漂误筹测量4 9 6 2 6 速度误差测量5 0 6 3 计量系统模拟载荷试验5 0 6 3 1 积算器称重信号处理误差测量5 0 6 3 2 零值稳定性测试5 l 6 4 实物计量测试数据分析5 2 6 4 1 零点稳定性5 2 6 4 2 动态计量精度测试5 2 6 4 3 动态计量误差万重复性测试5 4 6 5 测试系统平台5 4 6 6 本章小结5 5 第7 章总结与展望5 6 7 1 总结5 6 7 2 展望5 6 致谢5 7 参考文献5 8 作者在攻读硕士学位期间发表的论文6 0 附录6 l i v 第l 章绪论 第1 章绪论 称量分为静态称量和动态称量两大类，人们在日常生活中经常遇到的是静态称量。如电 子秤利用胡克定律和应变称重原理直接称量物体的重量。静态称量是秤体与物体之间达到静 平衡后进行的称量。静态称量的精度比较高，通常可以达剑万分之一的精度【l 】【2 j 。 但是在现实应用中，如自动生产线中物料的传输、物料配置、产品的称量包装等等，不 仅要求计量的精度还要求一定的计量速度，快速性是和计量精度一样重要的指标，在满足精 度要求的基础上，要尽可能提高计量的速度，静态称量显然不能满足上述要求，只能通过动 态称量来完成3 1 。 1 1 课题研究的背景 近年米，随着电子技术和称重传感器技术的快速发展，现代科学技术的互相渗透，称重 技术的发展取得了惊人的进展。主要表现在称重测量技术由静态测量向动态测量、在线测量 和模型化方向发展，尤其在动态数学模型的建立、系统理论、模糊理论、人工智能、震动理 论、阻尼技术等科学技术在称重领域的广泛应用，使称重计量向智能化、组合化和功能自适 应方向发展。 同时应该清醒的看到，静态电子称重技术基本上已趋成熟，而动态电子称重技术发展相 对缓慢，究其原因，是因为动态测试过程中产生的信号形式、噪卢干扰大小、干扰方式均不 同，因而动态电子称重尤其是高精度的动态称重对于动态测试系统的性能和动态测试数据的 处理都有很高的要求h 。 动态计量仪表一般有三部分组成：量值传感器、数据采集电路、数据输出部分。在本课 题设计的计量系统中，用到的量值传感器包括四组称重传感器和一个速度传感器。四组称重 传感器用来直接把承受的重量转换成相应比例的电量，在计量装置结构中，它既可以直接与 秤台相连，也可以通过杠杆结构与秤台相连。速度传感器直接和皮带接触，皮带转动时，通 过摩擦力带动速度传感器的滚轮转动，输出速度脉冲信号。其中速度传感器是实现物料动态 计量的必要条件。数据采集电路是处理传感器信号的电子线路，如仪表放大器、模数转换器， 电流源或电压源，补偿元件及保护线路等。数据输出部分包括所有能把计量结果显示出来的 部件，如显示器、打印、数据传输网络和数据存储器件。在这三个部分中，称重传感器的精 度对计量精度有很人的影响。称重传感器常用的类型有压磁式、电容式、光纤应力式、陀螺 式、音叉式、辐射吸收式等，而最普遍使用的是电阻应变式。在计量仪表的设计思想上，有 两种模式。美国和西欧等西方发达国家多采片j 终端机模式，即仪表本身主要解决专用功能， 而把累计，编号，打印，统计报表等数据处理功能，通过接口传输到终端计算机中去解决。 日本等国家采用的是小而全的模式，把所有的功能集于一体，这种计量仪表比较适用于规模 较小的企业，但是，不管采用哪种模式，智能仪表都不能缺少对网络的支持功能。本系统设 计模式是终端机模式，通过r s - - 4 8 5 现场总线米完成其网络功能瞪j 。 皮带秤的结构形式、种类较多，分类方法多种多样，如下图1 1 所示的是几种常见的电 子皮带秤。以秤架结构分类有：单托辊式单杠杆式皮带秤、多托辊式单杠杆皮带秤、多托辊 双杠杆皮带秤、悬臂式皮带秤、全悬浮式皮带秤、整机悬浮式皮带秤 3 6 1 1 7 1 s 。 以用途进行分类有：计量型电子皮带秤、控制型电子皮带秤、配料型电子皮带秤、定量 型电子皮带秤 9 】【1 0 1 。 东南人学硕士学位论文 本课题的应用对象按照这两种方式分类属丁- 全悬浮式计量型电子皮带秤。 1 2 课题研究的意义 图1 1几种常见的电子皮带秤 带送物料流的动态计量技术和皮带秤计量系统的研究，是一个潜在着巨人社会效益和经 济效益的课题，已经受到带式输送用户的高度重视。带送物料流的流量测量精度关系剑产品 的成本和生产部门的经济核算。用丁控制目的的流量测量虽然注重瞬时量，但也要对累加量 进行考核。物料流量测量精度关系剑系统控制品质的优劣，而控制晶质的优劣义关系剑产品 的产量和质量、原材料的消耗、能源的利用效率以及生产安全及环境污染等，这些都是事关 社会利益和经济利益的问题。因此，对带式物料流的流量的研究重点就集中在扩人流量测量 的量程范丽和提高流量测量精度两个问题上。但在七、八十年代微电子技术发展还不成熟， 提高流量测量量程和精度的技术手段受到很大限制。进入新世纪以米，微处理器和高性能仪 表放大器、模数转换器的广泛使用为带式物料流的动态计量的发展和完善提供了可靠的技术 手段，具有真止智能化功能的各种流量测量仪器蓬勃的发展起米j 。 皮带计量秤具有动态测量和自动在线测量等优点，被广泛地应用丁t 业配料和定量包装 中，大人提高了生产的自动化程度。皮带计量秤等衡器更是作为一种新兴的高技术产业而受 到世界各国的普遍重视。进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确 度是皮带计量秤的发展方向。伴随着我国经济和对外贸易的快速发展，我国的皮带计量秤产 业已具备相当大的规模，但高档次产品较少，开发有自主知识产权的高精度、大量程的产品 对我国有很重要的意义。中国的大市场为屯子称重的发展开辟了广阔的前景。据调查统计每 年新增和更换的各类工业电子秤5 0 0 0 台，除了冶金和煤炭相关企业需要大量的高精度大量 程的电子皮带计量秤产品外，其它工业交通部门如港口、铁道、化工、建材等商业部门都需 要装备大量自动化程度高的电子称重设备【l 引。 1 3 国内外差距 近年来，我国称重传感器和显示控制器的技术和生产都有较大的进步，目前，国内已有 2 第1 章绪论 4 家企业制造电子皮带秤，通过了国际计量组织的o i m l 认证，性能与质量达到了当前国际 水平。但是，我国称重计量技术在以下几个方面与国外的发达国家相比还存在很大的筹距 【1 3 】： ( 1 ) 基础理论研究方面的差距。 国外在高准确度、高稳定度、动态称重和称重自动化方面均有领先的理论研究1 4 1 【1 5 】【16 1 。 英国w a r r e ns p i n g 实验室由英国国家工业部和儿家公司联合投资2 0 万英镑，建成了设备齐 全的现代化实验装置，占地近5 0 0 m 2 ，实验室主要从事皮带秤计量的理论研究。美国t h a y e r 衡器公司的h y e r 博士和美国著名的衡器专家c o l i j n 分别建立了基于应变能和简支梁理论的 皮带秤称重力数学模型，为皮带秤的发展提供了强大的理论基础。 在我国，关丁基础理论的研究较为薄弱，直接导致了我国带送物料流的动态计量技术落 后于_ 西方技术先进的国家。 ( 2 ) 载荷检测方法和系统的研究方面的著距。 带送物料流的载衙检测系统是指计量系统的承载和称重力检测系统。由于载荷检测方法 和系统是决定带送物料流的动态计量精度一个最重要的冈素，因此，许多生产计量设备的企 业不惜投资大量财力在这方面进行研究，以求得尽快推出自己的高精度大流量的计量设备， 占领市场。 最初的计量系统大多采用单托辊杠杆式秤架，这类秤架易受“皮带效应”、粉尘等冈素 的严重影响，精度和稳定性不高。后来国外的一些人公司如美国的r a m s e y 、荷兰的 p h i l i p s 和瑞典的a s e a 都推出了多托辊秤架，多托辊秤架分为双杠杆式和悬浮式两种结 构。多托辊双杠杆式秤架优点是计量段较长且能减少切向力对称重力的影响，但杠杆转动环 节易受粉尘和锈蚀影响，计量精度的长期稳定性较差。多托辊悬浮式秤架的优点是可以克服 横向力对称重力的影响，但一般需要至少四纽称重传感器，增加了秤架的成本。我国的许多 公司也学习和引进了这项技术。本课题的研究对象是多托辊全悬浮式秤架系统，秤架上安装 了四组称重传感器，这样就可以把载荷检测系统的误差降到最低，从而提高了计量精度。 ( 3 ) 制造1 ：艺技术装备方面的差距。 发达国家十分重视上艺技术的开发，关键工艺必有关键设备，技术装备实用且先进。 先进皮带计量秤产品的开发、制造、调试、修正都是住程序下自动完成。与国外相对应，我 国对上艺技术的开发不够重视，关键j 二艺缺少设备。 ( 4 ) 高精度传感器研发的差距 皮带计量秤中很重要的设备是传感器，我国在传感器的研究和制造技术上要落后国外 很多，所以在传感器的研究和制造技术上需要提高。国外方面，文献 1 7 】和文献 1 8 】中提到 片j 多组称重传感器对物料进行称量，可以减小称重传感器本身误差对称量精度的影响，同时 在数据处理中采用了f m 滤波。 1 4 课题研究的主要内容和目标 本课题研究的主要内容包括： 分析了皮带计量秤积算器的物料动态计量原理、秤架结构以及称重传感器和速度传 感器的工作原理。重点分析了比率激励测量技术，优化了系统的设计。 皮带计量秤积算器软件开发和硬件设计，这部分是本课题要完成的主要任务。 整个皮带计量秤系统的精度分析，对系统中存在的各个误差源进行定性分析。 对研制后的皮带计量秤积算器进行全面测试，并分析数据，给出结论。 本课题要实现的目标：皮带计量秤积算器四路称重信号处理误差小于0 0 l ，皮带计量 秤系统的动态计量误差小于0 2 。 3 东南大学顾十学位论文 1 5 本章小结 本章阐述了皮带计量秤的研究背景和意义，同时讲述了皮带计量秤技术国内与国外的 差距，找到相关行业可以借鉴的技术，为皮带计量秤积算器的设计提供指导。最后阐述了课 题研究的主要内容和系统设计要达到的目标。 4 第2 章皮带计量秤积算器原理概述 第2 章皮带计量秤积算器原理概述 本课题研究对象是皮带计量秤系统，该系统分为秤架、称重传感器、速度传感器、积算 器、用户界面五部分，其中秤架是多托辊全悬浮式秤架，在秤架上安装了四组称重传感器和 一个速度传感器，积算器采集处理这些传感器信号，实现物料的动态计量，并在用户界面上 实时显示计量数据。 2 1 皮带计量秤积算器动态计量原理 皮带计量秤积算器对物料的动态计量是在物料输送过科中连续、自动完成的。积算器采 集称重传感器和速度传感器的信号，完成物料输送量的积算，并把积算的结果不断更新，实 现物料的动态计量。常用的物料动态计量方法是积分法【1 2 1 。 图2 1皮带秤计量原理示意图 积分法计量原理：图2 1 所示的计量段l 内，物料通过某个截面，测得t 时刻该处截面 的物料重量分布q ( t ) 和该时刻输送带速度v ( t ) ，二者乘积就是物料输送瞬时流量q ( t ) 。 由于皮带计量段上物料量不均匀和皮带速度的变化，所以一段时间t 内，每个称重传感器 累积量g i ( i 代表四组称重传感器的标号，i = 1 - - - 4 ) 是瞬时流量q i ( t ) 的积分值，即： 荟4q = 主i = lrq ：( r 如= 3 6 x v ( r ) 喜r 吼( r 砂 ( 2 1 ) 式中：q j ( f ) 每个称重传感器的有效称量段内的瞬时流量，单位为t h ； v ( 妒一皮带速度，单位为i i l s ； q i ( t ) 单位长度上的物料分布，单位为k g m 。 本系统采用的积分法计量过程如下： 积算器数据采集处理系统每经过t ( 2 0 0 m s ) 左右的时间就对这段时间采集到的四个称重 数据缓冲区里的数据和速度数据缓冲区里的数据进行数字滤波，得到四个q ；( t ) 和一个v ( t ) ， 每个称重通道的q i ( t ) 与速度v ( t ) 的乘积就是这个称重通道的瞬时流量q i ( t ) ，进行积分累加 就是这个称重通道的累加值g ，这样可以得到四个物料累加值，积算器把这四个物料累加 5 东南大学硕一仁学位论文 值上传给上位机，上位机取这四个物料累加值的和作为最终的物料累加值。四个称重通道多 点称重模式相对于单个称重传感器单点称重模式的优势是可以有效提高动态计量精度。 2 2 多托辊全悬浮式秤架 秤架是皮带计量秤承受载荷的部分。由丁物料计量精度受“皮带效应”的影响较大，为 了减轻这种影响，人们研制了形式各样的秤架，如单托辊单扛杆式秤架、多托辊单杠杆式秤 架、多托辊双杠杆式秤架、悬臂式秤架、全悬浮式秤架等。皮带计量秤秤架的发展方向是无 支撑式秤架，这种秤架结构的最大好处是受“皮带效应”的影响最小。无支撑式秤架的典型 代表是多托辊全悬浮式秤架。 多托辊全悬浮式秤架，不同于机械杠杆传递形式，它通过高精度称重传感器的特殊连结 方式，把称重平台悬浮在皮带机空间中，去除了杠杆式传力结构部件，消除了杠杆式传力结 构所引起的误差，增强了皮带秤的环境适应能力，提高了皮带秤的稳定性和精度【l 9 】【2 0 】。 多托辊全悬浮式秤架由称重托辊、运行托辊、支架和称重平台组成。称重平台上有两根 纵梁和两根横梁，四个称重传感器与两根纵梁相连，两根横梁连接在机架上，称重平台由四 个称重传感器支撑，悬浮在机架中，同时为防止前后、左右的移动采用了可调节限位器。全 悬浮式秤架没有支点和转矩，也没有运动部件和磨损部件，可以保持长期可靠稳定1 2 。下 图2 2 是多托辊全悬浮式秤架称重传感器受力曲线示意图。 图2 2多托辊全悬浮式称重传感器受力曲线图 图2 2 所示，把皮带看作简支梁，可把四路称重传感器受力曲线分成a b 、b c 、c d 三 段【3 】： 在a b 段，受力曲线上升。当一个恒定质量的质点从左向右通过a 点时，其质量通过 称重托辊施加到所有称重传感器上，传感器受力从零增加，随着质点向右移动，称重传感器 受到的力变大，曲线早上升状态。当质点运动到l 号称重传感器的b 点时，称重传感器受 力达到最大值，受力曲线上升到最高点。 在b c 段，受力曲线水平。当质点离开b 点继续右移时，直到c 点，称重传感器受到 力是不变的，曲线水平。水平段的含义是：只要物料在水平段b c 之间，那么同一重量的物 料对四个称重传感器的作用合力是相同的。在水平段，皮带主要起着输送物料的作用，物料 重量完全由称重平台来承担。所以当皮带输送机输送大块物料或短时间内皮带上的物料分布 不均时，那么水平段可以看做是一个机械滤波器，可以减少物料瞬时流量显示值的波动，同 时避免称重传感器过载损坏【2 2 j 。 在c d 段，受力曲线下降。当质点离开c 点继续右移时，称重传感器受力逐渐减少， 传感器受力曲线下降，当质点到达d 点时，称重传感器受力减少到零，受力曲线回到零点。 与其它类型的秤架相比，多托辊全悬浮式秤架的称重传感器受力曲线有以下三个特点： ( 1 ) 称重传感器受力曲线存在较长的水平段。 6 第2 章皮带计量秤积算器原理慨述 多托辊全悬浮式秤架的水平段长度s 与称重托辊数n 存在如卜的关系式： s = ( n 一1 ) l( 2 2 ) 式中：l 称重托辊间距，单位m 。 图2 2 可知，秤架的称重托辊数n 为8 ，所以水平段长度为7 l ，而其它类型秤架的水 平段长度一般只有l 。理论上，物料处在水平段的任何位置，四个称重传感器受到的合力是 相同的。水平段越长，物料计量越精确。 ( 2 ) 称重传感器受力曲线的投影面积人。 称重传感器受力曲线的投影面积大表示称重传感器受到的力大，也就意味着检测物料 重量的效率高。 ( 3 ) 没有支点，悬浮式，消除了因为支点而造成的误差。 多托辊全悬浮式秤架的这三个优点使其适合丁计量速度快的场合，广泛应用于港口、码 头、矿山和贸易结算等场合。 有效称重段l 内传感器的受力如图2 3 所示。 f l盥 f 4 一 + x 卉盯书节手丌啉! 掣、掣 图2 3多托辊全悬浮式秤架受力图 称重平台在y 方向的合力为零。 蔷4 巧+ l g ( x 皿= 。j 蔷4e = 一r g ( x ) 出 ( 2 3 ) 4 式中： 巧四个称重传感器施加在称重平台上的合力； i = 1 r g ( z ) 出有效称量段l 内的所有物料总重量施加在称重平台上的合力。 可见多托辊全悬浮式秤架的四路称重传感器受剑的力大小只和q ( x ) 有关，是一个常 数，与物料的位置完全无关。 2 3 称重传感器构成 称重传感器是皮带计量秤物料重量和电信号转换的核心部件。种类繁多的称重传感器， 按其工作原理分类有电阻应变片式、压电式、差动变压器式、电容式等。其中电阻应变片式 称重传感器具有动态响应快、测量精度高、使用便捷、体积小等优点，因此在皮带计量秤称 重测量中，应用最广泛的是电阻应变式称重传感器。目前，国内普遍使用的的称重传感器的 精度可达0 0 5 - 0 0 2 。 多托辊全悬浮式秤架上安装了四个拉式称重传感器，要求这四个传感器的输出灵敏度比 较接近。四个传感器桥路并联，共用一个电桥激励源，简化了测量设备，输出阻抗减少到原 来的1 4 ，增强了抗干扰能力【2 。 7 p 称重传感器满量程，单位k g ； 卜称重传感器承受的重量，单位k g ； 圪称重传感器输出电压，单位m v 。 本课题用到的称重传感器性能参数如下表2 1 所示。 表2 1本课题h j 到的称重传感器性能参数 i 传感器满量程 激励电压灵敏度满量程输出精度 l 2 5 0 k g 5 v1 6 m v v 8 m v0 0 2 l 电阻应变片式称重传感器的原理是：弹性体( 敏感梁) 受到外力作用时发生弹性变形， 使黏贴在弹性体表面的电阻应变片发生变形，由于电阻应变片的变形使其阻值也发生变化， 经过相应的测量电路把这个变化的阻值转化为电压或电流，最终完成力和电信号的转换【2 3 1 。 所以，电阻应变式称重传感器必不可少的部分包括弹性体、电阻应变片和测量电路。 2 3 1 弹性体 弹性体有两个功能：弹性体承受称重传感器受到的外力，并产生一个反作用力，达到静 平衡。弹性体在外力作用下产生理想的应变区，从而使该区的电阻应变片高效完成应变片变 形和电信号之间的转换。按弹性体形状划分有柱式弹性体、环式弹性体、梁式弹性体、剪应 力梁式弹性体、s 型弹性体等【2 4 】。 2 3 2 电阻应变片 常用的电阻应变片是金属丝电阻应变片，它的典型结构如下图2 _ 4 所示，把一根高电阻 率的金属丝( 直径为2 5 m 左右的镍铬合金) 贴在绝缘的覆盖层和基片之间，用引线引出 接在测量电路中【5 】【2 3 1 。 图2 _ 4 金属电阻应变片结构 设金属丝的横截面积为s ，长度为l ，电阻率为p ，金属丝电阻为r 。当应变片受到外 力发生变形，引起金属丝的横截面积s 、长度l 、电阻率p 的变化量为d s ，也、助，金属 丝的电阻变化量为d r 。 8 r ：丝 s 积：塑班+ 竺钌+ 塑d p 8 l8 s 8 0 i 金属丝一般是圆形截面，s ：万，2 ，r 是金属丝的半径，所以： d s 、d r 一= 一 m ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) n - - - j 得： 塑：一d l 一一2 d r + 一d p rl ，p 式中：了d l = 占- 金属丝的轴向相对变形，即轴向应变； 尘金属丝径向相对变化，即横向应变； ， ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 塑金属丝电阻率的相对变化。 p 当金属丝沿轴向伸k 时，必沿径向缩小，由材料力学可知，轴向应变和横向应变的关系为： d rd l _ 2 一y 了 ( 2 9 ) ， 三 、- 一7 式中：y 金属丝的泊松系数，负号表示应变方向相反。 金属丝电阻率的相对变化塑与轴向所受正应力盯相关，所以： 等= 允盯= i e g ( 2 1 0 ) p 、 式中：五乐阻系数，与材料相关； d 金属丝材料的弹性模量。 把( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 代入( 2 8 ) ，可得应变片阻值的相对变化量： 百d r = s + 2 v 占+ 旭占= ( 1 + 2 1 ，) s + 腑 ( 2 1 1 ) 上式( 2 1 1 ) 中的i e e 是金属丝电阻率的相对变化( d p p ) ，该项是由电阻率应变的改变 引起的，对于金属丝来说，五e 很小，可忽略。所以上式可简化为 百d r ( 1 + 2 v ) 占 ( 2 1 2 ) 上式( 2 1 2 ) 表明了电阻相对变化率与应变片的轴向相对变化g 成i e r ；，这就是电阻应变 片的“压变效应”。 2 3 3 测量电路 测量电路的功能是把电阻应变片的电阻值变化转换为电压或电流输出，其中应用比较广 9 东南人学硕二l 学位论文 泛的测量电路是惠斯登电桥。惠斯登电桥是把电阻阻值的变化转换为电压输出的一种测量电 路，其输出即可用仪表直接测量，也可以送入放人器进行放人。惠斯登电桥优点很多，如电 路简单，具有较高精度和灵敏度，可以抑制侧向力干扰，对温度变化有很强的抑制作用，易 于进行称重传感器的温度补偿等，冈此广泛应用丁称重传感器的测量电路中瞄j 。 惠斯登电桥电路如下图2 5 所示，电阻r 1 、r 2 、r 3 、r 4 是电桥四个桥臂的阻值，如果 这四个桥臂都是电阻应变片，称为全桥测型玎j 1 3 0 j 。a 和c 是电桥激励输入端，连接电桥激励 电源，输入电压v i ；b 和d 是电桥信号输出端，连接仪表放人器两个输入端，输出电压v o 。 因为电桥输出端b 和d 连接仪表放大器输入端，所以电桥视为输出开路，输出电流为零。 a 图2 - 5 惠斯登电桥 由图2 5 可得电桥输出电压： 圪= 一= ( 志一熹) k2 瓦r 十2 r 刚4 - 饷r 1 r + 3 心j v i ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 3 ) - 1 知，当r 2 心= r l 恐时，电桥处于平衡状态，此时电桥输出电压v o = 0 。