（机械电子工程专业论文）高精度数字皮带秤控制器的研制.pdf

摘要 摘要 高精度数字皮带秤控制器的研制 研究生：杨细龙指导老师：张赤斌副教授 ( 东南大学机械工程学院，南京) 随着传感器、电子技术、微机技术以及信息技术的革新，称重技术得到了迅速的发展。目前， 称重装置在数字化、智能化和通讯等方面取得长足的进步，称重装置的研究与开发进入了一个新的 阶段。 仪表控制器是电子皮带秤的核心部件，本文研究了低成本高精度的皮带秤称重控制器；讨论了 制约控制器精度的各种因素，并得出相应的解决方法；提出了温漂补偿方法，并采用软件校准，提 高系统在高低温环境下的精度，使得该控制器通过国家质量技术部门的检测。 本文首先分析了皮带秤的发展历史、现状和趋势，介绍了本课题研究的目的、内容和意义。另 外还讨论了积分型皮带秤的称重原理，并对称重传感器和测速传感器作了简要的分析。 其次本文研究了高精度信号处理的基本方法，讨论了系统内部噪声的种类、产生的原因和相关 的解决方法，分析了仪表放大器的特点和k a d c 的工作原理。 称重控制器的硬件设计在第四章中做了详细的介绍，包括单片机的选择、数据采集模块的设计、 按键显示模块的应用、控制信号的输入输出和通信网络的建立。 为了提高称重控制器的精度和抗干扰性能，本文从电桥非线性度、电源噪声、a d c 性能、电阻 温漂与放大器增益、电阻匹配与共模抑制、长导线与共模抑制等方面作了分析，并提出了柏应的解 决方案。针对系统的内部噪声，本文还提出了儿点改善措施，介绍了常，j 的抗干扰技术，并简要分 析了皮带秤系统的误差来源。 从实验数据来看，本文研究的称重控制器符模块的稳定性良好，精度高，特别是经过温度校准 之后，数据采集系统的温度性能得到很人的提高。 关键字：称重控制器，电：f 皮带秤，数据采集，高精度 东南大学硕士论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nh i g h a c c u r a c yb e l tw e i g h i n gd e v i c ec o n t r o l l e r c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：y a n gx i l o n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep 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 ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g i e so ft r a n s d u c e r , e l e c t r o n i c sa n dm i c r o c o m p u t e r , ar a p i d p r o g r e s sh a sb e e nm a d eo nw e i g h i n gt e c h n o l o g y w e i g h i n gd e v i c e sh a v ei m p r o v e dal o ti nt h ef i e l d so f d i g i t i z a t i o na n di n t e l l i g e n c ea n dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw e i g h i n gt e c h n o l o g yh a v ee n t e r e di n t oa n e ws t a g e w e i g h i n gd e v i c ec o n t r o l l e ri st h ec o r ep a r to fd i g i t a lb e l ts c a l e ，s ot h ed e s i g n so fl o w - c o s ta n d h i g h a c c u r a c yw e i g h i n gd e v i c ec o n t r o l l e r , t h ef a c t o r si n f l u e n c i n ga c c u r a c yo fc o n t r o l l e ra n dt h ep r o c e s so f d a t ac a l i b r a t i o n sb yt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na r eh i g h l i g h t e di nt h i st h e s i s t h eb 孔k g m u n dk n o w l e d g eo fb e l ts c a l ea n dm e t e rc o n t r o l l e ri sg i v e na tf i r s t ，a sw e l la st h ep u r p o s e ， s i g n i f i c a n c ea n dm a i nc o n t e n to ft h i sp r o j e c t s o m ei n f o r m a t i o na b o u tb a s i cp r i n c i p l eo fb e l ts c a l e ，l o a d s e n s o ra n ds p e e ds e n s o ri sa l s oi n t r o d u c e db r i e f l y i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r , s o m en e c e s s a r ym e t h o d sa b o u th i g h a c c u r a c ys i g n a lp r o c e s s i n ga n dg e n e r a l k n o w l e d g eo fi n t e r n a ln o i s ea r ed i s c u s s e d a l s o ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n s t r u m e n t a la m p l i f i e ra n d a a d c a r ei l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h em e t e rc o n t r o l l e ri st h em a i nt a s ko ft h ep r o j e c t ，w h i c hi sd e m o n s t r a t e di n d e t a i li nc h a p t e r4 ，i n c l u d i n gm o d u l e so fm c u ，d a t aa c q u i s i t i o n ，i n p u t o u t p u to fc o n t r o ls i g n a l s ，k e y s ， d i s p l a ya n dn e t w o r k i no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h i ss y s t e m ，s o m ef a c t o r sa r ea n a l y z e d ，s u c ha se - b r i d g e n o n - l i n e a r i t y , i n t e r f e r e n c ef r o mp o w e rs u p p l y , p e r f o r m a n c eo fa d c ，r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r e d r i f t o fr e s i s t o r sa n dg a i no fa m p l i f i e r , c o n n e c t i o nb e t w e e nr e s i s t a n c em a t c h i n ga n dc o m m o n m o d er e j e c t i o n ( c m r ) o fi n a m pa n dt h ei n f l u e n c eo fl o n gd i s t a n c ec a b l eo ni n a m p sc m r m e a s u r e sb e t t e r i n gi n t e m a i n o i s ea n da n t i - i n t e r f e r e n c ea r ep u tf o r w a r da n ds o u r c e so fd e v i a t i o n si nb e l ts c a l ea r eb r i e f l ye x p l a i n e da s w e l l f i n a l l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sm e t e rc o n t r o l l e ri sp r o v e dw i t he x p e r i m e n t sc a r r i e do u ti nl a b t h e a c c u r a c yo f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mi si m p r o v e dal o ta f t e rt h ec a l i b r a t i o ni nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s k e yw o r d s w e i g h i n gd e v i c ec o n t r o l l e r ，d i g i t a lb e l ts c a l e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，h i g h - a c c u r a c y 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 究牛院办理。 研究生签名：叠扬坌塑煎导师签名： 第章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 研究皮带秤控制器的意义 电子皮带秤是皮带输送机输送固体散状物料过程中对物料进行连续称重的一种计量设 备，是工业生产应用最为广泛的检测设备之一l l j 。经常应用在矿山、冶金、煤炭、化工、 建材、轻工等行业。随着国民经济的发展和商品流通的扩大，衡器的技术水平需要不断提 高。电子皮带秤根据工作类型可分称重和配料两类。前者主要用于计量输送物料的重量， 输送物料的瞬时流量可以是变量；后者则必须以预先设定的瞬时物料流量从储存料仓中向 外定量排料，用于生产上的酉己料场合，这种定量皮带秤也称配料皮带秤j 。 我国在这方面的产品少且功能不齐全，计量精度还有待进一步提高，与国际水平具有 很大差距，而且各种新技术不断涌现，必须尽快研制开发出高精度、高可靠性，并且维护 方便的新型电子皮带秤。 在称重精度要求较高的现代化流水线作业环境中，皮带秤称重控制器性能的优劣对工 业生产的效率和质量起着至关重要的作用。在这一情况下，随着皮带秤称重控制器行业技 术水平的提高及用户对产品技术和可靠性要求不断提升，将嵌入式理念应用到电子皮带秤 的设计逐渐成为一种必然趋势。基于嵌入式技术设计的电子皮带秤与传统电子皮带秤相比， 其运算速度和精度、数据处理能力、信息交换能力等都将有很大的提升，从而提高电子皮 带秤称量的精度。 目前，高精度和低成本是衡器的发展趋势，这就对高性能的信号处理提了更高的要求。 对于显示码为1 ：1 0 ，0 0 0 称重控制器来说，就需要内码为外码的2 0 倍，即l ：2 0 0 ，0 0 0 ；同时 一般称重传感器的输入信号占a d c 参考电压的1 3 ，也就意味着只利用约i 3a d c 的动态 范围。综合这两点因素，就要求a d c 可以达到l ：6 0 0 ，0 0 0 的分辨率，也就需要1 9 2 0 位 的精度，即a d c 无噪声分辨率为1 9 - 2 0 位i j j 。目前在5 美元左右的低成本a d c 在1 0 h z 采样频率以内刚好达到约2 0 位的精度，但采用更快的采样速率时，a d c 的分辨率便会下 降。能够提高采样数据的无噪声分辩率，并仍然可获得足够的采样频率，就要求更精密的 电路设计和数据处理工作。 综上所述，在有限的成本下实现高精度的测量，在皮带秤称重控制器行业和工业应用 上都有着重要的意义。 1 2 皮带秤的发展简史 连续累计闩动秤重装置，简称皮带秤，是安装存皮带输送机的适当位置i ，刘散状物 料进行连续累计称量的自动秤。皮带秤起源于1 9 世纪木西方工q p 发展时期。它的称重原理 蜮甲米源于斗式输送机对散料连续自动称重的装置【4 1 1 引。近三十年米，由丁传感器制造t 艺和电了技术的飞速发展，给整个称重技术i 丰入了新的血液，激发了活力，为提南皮带秤 的计量性能创造了有利条件。皮带秤的发展大致经过了以卜四个阶段： 最初的广品是纯机械式皮带秤，。般采用增量八编 i 马器，机械武或光电式扫描码盘等， 使皮带秤的机械杠奉i ：具有平衡条件，识川汜数和启动功能。这是第一代。 第j ：代是传感器电子仪表皮带秤，检测部分一般有光电脉冲或磁脉冲变送器测速， 东南大学硕士论文 次仪袁用模拟积分放大电路或数字系统积分电路来实现了动态称重过程的平衡、识别和累 积计算功能。 这两代皮带秤只能测量累积计算，对运行中计量性能的变化彳i 能控制，因此动态计量 准确度较低，稳定性差在用户中信誉不佳，逐渐被第三代、第四代皮带秤取代。 第三代、笫四代是传感器微机式皮带秤和微机智能化的皮带秤。微处理机引入度带秤 使电子元器件结构、内容和集成化程度大大提高。生产厂家可以根据现场使用条件去满足 用户的愿望。 现在的电子皮带秤已经进入了模型化称量的新时代。模型化称量把称量视为一个过程， 把计量仪器视为一个系统，根据系统知识以及事物数据，利用系统辨识建立计量仪器的数 学模型，对被称物进行数据处理和性能状态的估计，通过软件改善硬件的性能。 皮带秤的结构形式、种类较多，分类的方法多种多样，至今仍不统一。 以称重传感器的工作原理进行分类的有：电阻应变式皮带秤、差动变压器皮带秤、压 磁式皮带秤、核子式皮带秤等。其中以电阻应变式的产品最多。 以秤架结构形式进行分类的有：单托辊式皮带秤、多托辊式皮带秤、平行簧式皮带秤 和悬臂式皮带秤等。 以用途进行分类的有：计量型电子皮带秤、控制型电子皮带秤、配比型电子皮带秤和 定量型电子皮带秤1 6 j 。 1 3 国内外动态 散料动态称重技术早已引起一些技术先进国家的有关机构和科技工作者的重视。据不 完全统计，从1 9 8 0 年至9 0 年代，国外公布有关皮带秤的专利就有7 0 多项，其中苏联最多， 其次是日本。这些专利大多数是提高动态称量准确度和改善检测方法的技术。由于广大科 技工作者的共同努力，目前皮带秤的计量准确度和现场使用的稳定性有了很大的提高。 美国设置有专门从事散料称重和控制的技术服务公司，有偿地为工矿企业中的皮带秤 进行各种咨询和技术服务，确保了这种秤在现场使用中的计量性育旨1 7 j 。6 0 年代初美国 t h a g e r 衡器公司的f h y e r 博士用应变能法建立了皮带秤称重力测量的数学模型，为皮带 秤动态定量误差分析提供了可行的途径p j 。 荷兰菲利普( p h i l i p s ) 公司的专家从1 9 6 6 年开始在该公司的试验装置卜经过反复试验 研究，开创了多托辊皮带秤的计量性能优于单托辊的理论，成了高精度皮带秤在机械秤架 设计方面的一个新起点1 w 。 北欧的瑞典、挪威在皮带秤的现场维护技术上有出色的成就，这些困家早就把皮带秤 作为散料进出口贸易结算的公证秤，使用巾的计最准确度为0 2 。 在电子皮带秤精度提高、物料控制与滤波算法方而，国内外许多义献埘此进行了研究。 国外方面，有人提出川三组传感器对物料的进行称量，以达到提高称量精度的目的，同时 确i 数据处理巾采用丫f i r 滤波。机配料电子皮带秤实际应用巾，为丫能精确的拧制物料流 量，往往引入了p i d 控制、模糊控制等i i 1 1 。有的设计就将p i 控制应川到配料电r 皮带 秤对物料的控制巾l i 川，或将模糊控制与p i 控制结合一同应用到配料电子皮带袢巾，实现了 对配给物料量较精确的控制i f 川。在动念称重系统中，称重f 感器是。个无法 窄制的称量设 符。称重传感器输出的信号必须经过滤波算法处理。钳对这一情况有人提出将卡尔曼算法 应用到动态物料称昼的信号处理巾 1 4 1 以及使用l q g ( 线性叩方高斯) 方法增强动态称重系统 的性能，以提高称量的速度和精度i i 川。 国内从5 0 年代开始设计、制造了滚轮式机械皮带秤。到6 0 年代后期传感器电子仪表 式皮带秤开始与用户见面，直到7 0 年代未。1 几j 样这种秤限十当时困内亿感器制造工艺和电 2 第。章绪论 子技术的水平，其使用中的准确度和稳定性较差，在用户中的信誉不佳。 1 9 7 9 年国内第一台多托辊皮带秤在湖南潭钢铁厂投入使用之后，从事皮带秤研究制造 的单位愈来愈多。8 0 年代随着改革开放，又从美国、日本、德国等国家 - 3 l 入了皮带秤的设 计制造和计量检测技术，便我国皮带秤技术有了较大的发展。其主要标志如下： 十年中国产皮带秤的技术指标提高了一个数量级，有几个厂家的产品其检定精度 达到了0 2 ，获得了用户的信任，进入了国外同类产品的先进先列。 皮带的速度检测和动态参数跟踪自校，这两项应用技术有了突破性创造，获得了 国家技术专利。 建立了多套皮带秤试验装置，为新产品开发和计量性能的检测提供了试验研究条 件。 开发出一批性能良好的皮带秤专用二次仪表，尤其是微机智能化仪表己投入现场 使用。 一种单弹性无杠杆的平行簧板式散料称重装置研制成功，为工艺秤的更新换代开 创了一种新途径。 皮带秤国家标准和检定规程的发布，使皮带秤产品规范化有了依据。皮带秤的检 测技术受到广泛的重视。 1 4 皮带秤称重控制器的发展趋势 目前，全球科学仪器产品在技术上正朝向数字化、网络化、微型化方向发展f 1 6 ”】。由 于集成电路和计算机的发展，现在应变称重技术有很大的变化。具体表现在如下几个方面： 高精度，高稳定性 由于集成电路的发展，高性能的芯片不断涌现，各种误差解决方式的不断完善，使得 未来的应变仪具有更高的精度。 高速化 随着高速a d 和高处理能力的处理器的，测量速度也随之高速化。且处理功能不断充 实，放大系数和校准系数的运算，应力的分析和图表都可以由应变仪直接来完成。 微型化 微机电技术的发展需要相应的微型仪器，而集成i c 的设计和封装技术的飞速发展，使 得集成电路芯片的尺寸大幅度减小，使仪器尺寸的减小成为了可能。 和计算机联系更加紧密 基于微电了技术和计算机技术的应j | j ，未来的应变仪和计算机联系将更加密切，联系 方式可以采用串h 、u s b ，e 1 e e l 3 9 4 符种总线及无线传输等，测试的控制和测最值( 自动 平衡、采样拧制、自动修正、数据存贮、数据处理和分析、生成和打印试验报告等) 的处理 都可以由计算机来完成，而且可以实现实叫控制和分析。 1 5 本文主要研究内容 a 分析了研究皮带秤控制器的意义及圈内外电r - 皮带秤的历史、现状和发展趋势。 b 研究了电子皮带秤的称重原理和结构。 c 设计新型低成小高精度数字称重控制器系统。 d 讨论了提高称亚控制器系统精度和抗干扰能力的措施。 e 分析各种误差，托生的原凶。 j 东南大学硕士论文 f对研制后的称重控制器系统进行试验研究。 1 6 本章小结 本章分析了研究皮带秤称重控制器及电子皮带秤的意义，同时介绍了电子皮带秤的历 史、现状和发展趋势。最后，介绍了本文主要的研究内容。 4 第：i 章皮带秤称重原理 第二章皮带秤称重原理 2 1 称重传感器概述 2 1 1 电阻应变式称重传感器 电阻应变式传感器可用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、 动态响应快、测量精度高、使用简便等优点，获得广泛应用。任何力学参数的变化只要能 设法将其转换成应变的相应变化，都可以利用电阻应变片接入电桥进行测量。根据这一原 理，可以把电阻应变片直接粘贴在被测构件进行应变测量，也可以设计成适当的传感器， 用以测量其他力学参数 。 金属丝电阻应变片的典型结构如图2 1 所示，根高电阻率的金属缉康铜或镍铬合金 等，0 0 2 m m 左右) 绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出的导线接于电路上。 图2 1 金属电阻应变片结构 “应变效应”的表达式： d r = s + 2 v f + 允e 占= ( 1 + 2 ，) 占+ 兄e 占 ( 2 1 ) 月 式中： s 电阻丝的轴向应变，常用单位( 1 p = 1 1 0 。6 m m m m ) 。 v 电阻丝的泊松比： e 电阻丝材料的弹性模量。 上式中( 1 + 21 ，) s 项是南电1 5 且丝儿何尺寸改变所引起的，对于i 司一电阻材料，1 + 2 v 是常 数；, t e e 项是由电阻率随心变的改变而引起的，称“压阻效应”。对丁金属电阻丝米说，地 是很小，_ j 。忽略。这样式2 1 简化为： 百d r ( 1 + 2 v ) 占 ( 2 2 ) 式2 2 表明了电阻相对变化率与应变成正比。比值踺一般称为电阻应变片的应变系数 或灵敏度： 5 东南大学硕士论文 & = 丽d r r = i + 2 v = 常数 ( 2 3 ) 。用于制造电阻应变片的电阻丝材料的灵敏度s g 多在1 7 3 62 _ n 。 2 1 2 电桥的测量原理 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路，其输 出即可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路简单，并具 有较高精确度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛应用。 图2 2 为直流电桥的基本形式。以电阻r 1 、r 2 、r 3 、r 4 作为四个桥臂，a 、c 两端接 入直流电源盼，在b 、d 两端输出电压场。当电桥输出端后进入输入电阻较大的仪表或放 大器时，可视为输出开路，输出电流为掣峥儿2 u j 。 a 图2 - 2 直流电桥 此时桥路电流为： ，一 圪 ，一 吃 2 彘 2 赢 a 、b 2 _ n - 与a 、d 2 n 电位差： v , , b = i i r i = 。熹肛驰碱击 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 圪叱一纠去一熹炉杀。 6 ， 南此可以看出，当v o = 0 时，电桥处于平衡状态。若要使电桥平衡，应满足r l r 3 = r 2 r 。 以心变片或电阻元件作为电桥桥臀，可取r l 为j 却变片、r 。和r 2 为心变片或r f r 4 均为应变片等几种形式。般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数u j 分为半桥武与伞桥式 联接。 ( 1 ) 半桥单臂联接 工作中有一个桥臂电阻上随被测的量而变化。r7 , jr ，随被测物珲量变化而产牛的电 阻增罱，此h , i 输出电压为： 纠揣一击此 7 ， 6 第章皮带秤称重炽理 为简化桥路设计，往往取两桥臂电阻相等，即r l = r 2 = r 3 = r 4 = r o ，则输出为： 圪= 若。 眩8 ， 又因为ar r o ，所以v o r a r 4 r o ) ，可见电桥的输出和激励电压所n 成正比，并 且在r & 条件下，也与r 成正比。 ( 2 ) 半桥双臂接法 工作中有两个桥臂电阻值随被测量而变化：r l 士r i 、r 2 - t a r 2 ，当r l _ r 2 = r 3 = 凡= ，a r i - a r 2 = a r 时，电桥输出为半桥单臂接法的两倍，即场= r 4 r 2 r o ) 。 ( 3 ) 全桥接法 工作中四个阻值都随被测量而变化：r l + a r l 、r 2 干r 2 ，r 3 土r 3 、r 4 干。若 r l = r 2 = r 3 = r 4 = r 。，r l = r 2 = r 3 = r 4 = a r 时，则电桥的输出电压为v o = ( a r r o ) 。显 然，电桥接法不同，输出电压也不同，全桥接法可以获得最大的输出，即为半桥单臂接法 的四倍。 2 1 3 称重传感器的分析 称重传感器是皮带秤受力与电信号转换的核心部件，称重传感器按变换原理分类，主 要有：电阻应变片式、差动变压器式、电容式、压磁式、压电式等。目前国内已能生产o 0 2 - 0 0 5 f s 的电阻应变式传感器，国外技术水平在0 o l 0 0 2 f s 之间。目前在使用的 皮带秤中，绝大多数采用了电阻应变片式称重传感器【2 1 】【2 2 】【2 3 】。 称重传感器的性能指标在很大程度上决定了电子皮带秤的精度和稳定性。因此，当我 们使用电子皮带秤时，应对称重传感器的基本特性有充分的认识： 额定载荷( 容量) ：是称重传感器称量范围的上限值，单位为公斤力或吨力。 输出灵敏度( 或称传感器系数) ：指传感器在额定载荷作用下，供桥电压为1 伏 时的输出电压，单位为毫伏伏。 非线性：指传感器承受载荷与相应输出电压之问并成非直线关系，由此而造成的 误差称为传感器的非线性误差。 滞后：在相同的工作条件下，传感器由零负荷逐级加载到额定载荷，然后由额定 载荷逐级卸载到零，分别测得的输出电压特性曲线，两者并不重合，这种现象称为传感器 的滞后。 不重复性：在同一环境下，对传感器反复施加某载荷时，其每次输出的电压值不 尽相同，这种现象称为传感器的不重复性。 蠕变：传感器在恒定的温度环境【 i ，加以某一恒定载荷时，一般为额定载荷，其 输卅电压随时间而变化的特性称为传感器的蠕变。 传感器系数的温度影响：传感器系数值随温度而变化，川温度每变化1 0 而引 起的传感器系数的相对变化米发乃，它反廊温度变化对传感器输出电压影响的值。 零点不平衡输出：在传感器不受任何载荷条什+ 卜，传感器输入端接以额定的供桥 电压时的输出电压，称零点刁i 平衡输出。 零点时问漂移：传感器在恒定的温度环境中，零点不平衡输m 电压随时问l n j 变化 的特性，称为传感器零点时间渫移。 零点温度漂移：传感器的零点小j l ，衡输m 电乐随温度而变化的特j i 峰，称为传感器 的零点温度漂移，用环境温度变化1 0 c 所引起的输出变化相对于额定输出的自分比来表 尔。 7 东南人学硕士论文 最大过载能力：当载荷超过额定载荷到某值时，传感器己不能按规定的性能指标 工作，但去载后传感器仍能在额定载荷范围内恢复工作，该超载值与额定载荷之比表示传 感器的最大过载能力。 - i - 作温度范围：在此温度范围内传感器能保证各项性能指标在规定的误差范围之 内而正常地工作。 绝缘电阻：指传感器电气回路与传感器外壳之间在5 0 1 0 0 伏电压下测得的直流电 阻值。 输入电阻：传感器在空载条件下，其输出端处于开路状态，测得桥路输入端之间 的电阻值，称为传感器的输入电阻。 输出电阻：传感器在空载条件下，其输入端处于开路状态，测得桥路输出端之问 的电阻值。称重传感器性能参数，除零点不平衡输出外，对皮带秤的计量性能都有程度不 同的影响。 2 1 4 比率测量技术原理改进系统结构 ( 1 ) 传统测量方式带来的问题 本节对模数转换部分的测量技术进行了分析，图2 3 为四线制电桥测量方式。 a 图2 3 四线制电桥测量 为了进一步优化由模数转换原理可知( 全桥) ： 耻i a m ：喾 ( 2 9 ) 在不考虑信号传输中混入的失调电压、寄生电偶及其它噪声等干扰的情况下，模数转 换的结果只与电桥的激励源输出电压和参考源输出电压相关。 传统的非比率测量技术，a d c 输卅数字码d o u t ，与激励电j 盘和基准电压之间的相对 变化很敏感。激励电压的任何变化都会导致南a d c 检测的模拟输入电压的变化。由于基 准电压与激励_ 兀关，所以输出数j ，码将反映激励的变化。由于基准电压、激励等引起的变 化不t h 不会被消除，而且将布测量中受到影响，所以人多数应用要求使用高度精确、精密 且稳定的基准源和激励源。 恒盘激励下伞桥电桥的输出为v o = v i n 翻p r ) ，恒压源的变化直接导致电桥输m 的变化。 要实现系统的离精度，必须保证电桥的激励源对电桥的输出信九的影响至少比系统的精度 要求( i 2 0 0 ，o o o ) 高一个数蜀级( 0 1 j 达到i 2 ，0 0 0 ，0 0 0 ) ，对_ 丁1 0 v 的激励源来说，即是要求激 励源波动小于5 u v ，十分闲难。 在电源类：出片中，以参考源类芯”的精度和热稳定性最好。以a d i 公刊d a t a s h e e t 上 推荐的参考源芯片a d r 4 3 l 为例，这已经足。个性能相当好的电源芯片，它的精度为z 5 v 第：二常皮带秤称重原理 i m v m a x 。温漂为3 p p m c m a x ，也就是说它本身的精度也只有0 0 4 ，假设环境温度 变化5 0 c ，则温漂将达到3 5 7 1 a vm a x ，而我们系统的精度要求是5 1 t v ( 1 2 0 0 ，0 0 0 ) ，即使用 了性能这么好的芯片，也无法达到精度要求。 至于激励源芯片，因为需要输出的电流较大，一般无法选用参考源类的芯片。因为参 考源芯片输出的电流很小，几乎没有超过1 0 m a 的，而我们选用的激励源需要对应变电桥 供电，其输入阻抗约为3 5 0q ，假设激励电压是5 v ，则电流输出至少为1 5 m a ，所以没有 办法用参考源类的芯片来实现。 ( 2 ) 比率激励测量方式的优势 采用按扰动补偿原理配置传感器供电电源，可完全抑制电源扰动。其方法是使传感器 的供桥电压v d d 和a d 转换器的基准电压v r e f 取相同的数量，并接于同一供电电源上。这 种测量方法即为比率测量方式 2 4 1 ”j 。如图2 - 4 所示。 a 图2 - 4 电桥六线制测量 图2 - 4 所示为在桥式传感器应用中的比率工作方式。同一激励源既用于传感器激励， 又用于a d c 。a d c 输出码( d o u t ) 是转换器输入信号与其基准电压v r e f 之比的数字表示 ( 见式2 9 ) 。由于a d c 及其基准的输入由同一激励源导出，若传感器测量的变量未改变， 则a d c 的数字输出码不受电桥激励变化的影响。 由于这个原因，无需精确、稳定的基准源便可以实现精确测量。比率工作方式非常有 效，它允许利用系统模拟电源进行测量和控制，以获得与基准电压或激励电源的稳定性无 关的精度。由于大多数a d c 对电源干扰具有相当强的抑制能力，所以电源电压的漂移不 会对测量带来不利影响。在比率测量的基础上，结合- 原理和斩波技术等系统核心、 技术，使系统摆脱了对基准电压和激励电源的精度和稳定性的依赖，系统的精度和可靠性 进一步提高，同时由于系统中省去了高精度、高稳定性基准电压和激励电源，系统的结构 进。4 步简化、成本进一步降低。 2 2 测速原理 测速传感器也是皮带秤称重系统中的一个重要部分。皮带秤称重系统，主要是检测两 个物理量，。个是由称重传感器拾取的重力信号，另个是由测速传感器拾取的皮带线速 度，然后南控制系统对这两个量进行积算。速度检测的准确程度，直接影响剑皮带秤的准 确度。当前国内外普遍使用数：，式测速传感器，拾取速度信号的方式米讲，分为接触式和 非接触式；从测量原理一卜来讲又分为测脉冲频率武( 测频式) 和测脉冲周期式( 测宽式) ： 从信号转换方式上可分为磁式和光式引。 ( 1 ) 接触式测速传感器 接触式测速传感器是口前最为流行的洲速方式。基本方法是南一摩擦轮接触皮带，当 皮带运动时，测述传感器的转轮依靠和运输带之问摩擦力转动，带动测速发电机或光一电转 换装置，进行测速。这种测速方法的优点是结构简单易行，缺点是摩擦轮不能准确地反映 9 东南入学硕士论义 皮带线速度，造成测速误差大。 ( 2 ) 非接触式测速传感器 非接触式测速传感器，不和运输带接触。按工作方法分为光电式和磁一电式两种： a 光电式测速传感器 光电式的基本方法是在运输带表面嵌入许多光亮的金属薄片，当该金属薄片通过光源 时，产生一个光的反射信号给光敏管或光电池，通过检测单位时间内反射信号的个数，或 者测量两个信号之间的时间间隔，便求得运输带的实际线速度。非接触光电式测速方法， 只能应用在特定的环境条件下，所以在普通的皮带秤上很少采用。 b 磁电式测速传感器 非接触传感器中的磁电式测速原理和光电式测速传感器的测量原理相同，在理论上 可以直接测出运输带的线速度。这种方法的缺点是运输带在行进中不是平衡行进，一旦运 输带发生跳动，磁接收器便不能正常工作，易遗失信号。 非接触式测速传感器在理论 是正确可行的，可以消除“打滑”等接触式测速传感器 无法克服的问题，能达到直接检测运输带线速度的目的。但在实际使用时仍存在许多实际 问题，到目前为止非接触式测速传感器尚未得到的广泛应用。 2 3 称重原理 当物料通过皮带秤输送机计量段时，这一区段上的物料重量通过传力机构将作用力传 递到负荷传感器上，使传感器产生一个与这一区段上的物料质量成正比的电压信号，同时 测速机构产生与此带速度成正比的脉冲信号，送给控制器进行计算控制，最后在显示器上 显示出重量、速度、流量等参数。控制器在收到由称重传感器来的重量信号和测速机构来 的速度信号后，通过c p u 模块运算，得出物料的瞬时流量、累计重量及电机控制等信号， 从而完成电子皮带秤的自动计量和控制等功能，称重系统结构见图2 5 。 2 3 1 系统构成框图 ( 1 ) 配料秤体 秤体上装载称重传感器、测速传感器、皮带、驱动装置等。其布置在工艺现场，距仪 表安装位置数十米到数百米远。大多数情况下会有多台配料秤同时工作，完成系统配料工 作。 ( 2 ) 料仓及给料设备 物料的存贮地，通过一卜方的圆盘转动将料送出，也可以不川圆盘而仗刚直接川皮带将 料拖出的方式送料。给料设备在仪表的控制下出料。 ( 3 ) 称蕈传感器 把重量信号变成电信号，以0 2 0 m y 的形式将信弓送行仪表。 ( 4 ) 测速传感器 与皮带接触的光电轮将皮带的运动转变为对应的脉冲信号送往仪表。 ( 5 ) 驱动装置 皮带机和同盘都有驱动装置，受仪表控制来调节料量。通常为变频电机、滑差电机等。 ( 6 ) a d 模块 处理称重传感器的毫伏信号，逊处理其它仪表发水的远方设定信号，将数据送往c p u 。 ( 7 ) 脉冲输入模块 1 0 第j ? 章皮带秤称重原理 接收测速传感器的信号并送往c p u 进行采样，读取称重传感器的重量信号。 ( 8 ) d a 模块 将仪表经过运算处理的数据转换为2 路p i d 电流信号，分别去控制皮带机和给料圆盘； 将仪表计算得到的流量信号以电流方式送出。 ( 9 ) 网络接口 为多台配料秤组成控制网络提供接口。接口应能符合大部分工业控制网络的要求。 ( 1 0 ) 开关量输入、输出 提供必要的开关量输入出功能。其中路o c 门将仪表得到的累计量以脉冲方式送出。 ( 1 1 ) 显示与键盘 用于人机对话和显示称重、配料结果。 ( 1 2 ) c p u 及附属电路 仪表核心，实现各模块控制并保存各种数据。 2 3 2 积分型称重原珲 图2 5 称重系统构成图 ( 1 ) 皮带平均皮重值 皮带秤所j t j 皮 挣并不均匀，为了方便计算，首先要求出皮带的平均皮重值。对皮带在 空载情况下的整圈运行伉进行a d 采样并取、r 均伉，即可得到皮带、i ，均皮重值。 ( 2 ) a d 采样净重值 每次在规定的州问间隔里采样得到一个a d 值，净重值按卜_ 式得到： 单次a d 采样净重值= 单次a d 值一平均皮重a d 值 东南大学硕士论文 注意：由于皮重的不均匀性，其数值有可能是负值。采用不一j 的处理模型对此有不同 的处理方法。 ( 3 ) 单次采样累计重量值 单次采样累计值= 单次a d 采样净重值量程系数 量程系数是一个综合系数，它反映了称重传感器的量程、灵敏度、每次采样皮带运行 的长度、秤架结构对力分配的影响、仪表中信号放大倍数等诸多因素。这一系数难以用准 确的数值表达，通常是首先给出一个出厂值，在秤安装完成后用实物进行标定，调整此系 数使显示结果与实际结果相符，从而得出此系数值。 ( 4 ) 求出累计值 单次累计值= 总累计值 这也是皮带秤所要得到的累计重量值。 ( 5 ) 以上描述用公式表示如下： 一段时间t 内的总输送量职f ) 是对瞬时流量q ( f ) 与带速1 ，( t ) 5 - ) - t 2 7 】【2 8 】【2 9 】。 ( f ) = 。i g ( f ) - v ( f ) d t ( 2 1 0 ) 口( f 1 = ( 彳d 一么d o ) c o c l( 2 1 1 ) q ( r ) 是单位时间下经过称重段的物料质量，即流量；a d 为每次得到的a d c 输出数字 量，a d o 为空载时的a d c 输出量，即皮重；c o 为量程系数，c j 为用户系数。 c 0 = g ( l a d 、 ( 2 1 2 ) c d 其实是为不同的传感器和秤架特定的系数，g 表示传感器满程重量( k g ) ，l 为重 量感受长度( m ) ，a d 这里取值2 2 4 ( a d c 满程输出，其实这里应该对应传感器满程输出 的a d 代码，出于简化可将2 h 代替，由此带来的误差可由c 1 调整) 。c 1 的作用是在调试 阶段对总输出的微调，以满足称重的精确。 全悬浮式秤架的重量感受长度( 有效称量段，见图2 6 ) l = l o + ( l 1 + l 2 ) 2 。 娃，5 ； 2铖舛 l 皇 乙双 闻定托辊 称重托辘 。 称藏托辊 阁定毵辊 一l 一k 2 3 3 称重模式 图2 - 6 全悬浮式秤架的有效称量承重段 ( 1 ) 调速秤和怛速秤模式。 调速秤是指皮带运行速度是u j 。调的，用以调整通过皮；特的物料量，通常指用皮带直接 “拖料”的应用模式，这种模式，都要使用皮带速度传感器提供皮带速度信号。对于调速 秤来说，其控制环节是皮带速度，j n j 存皮带l ：的物料通常足均匀的，当速度加快时，通过 的物料就加入，反之减少。从控制角发看其惯量1 e 常小，川比例控制就可以很好的控制流 量了。 恒速秤通常指皮j 特速度不进行控制，皮带速度相对很稳定的应用模式。这种模式通常 1 2 第：章皮带秤称重原理 不使用皮带速度传感器，1 幻计算时以仪表内部产生的脉冲代替皮带速度传感器的脉冲参加 运算；同时也可以使用速度传感器。对恒速秤来说，丰要通过调整给料设备( 给料圆盘) 来改变物料量。由于给料设备本身有一定惯性，另外由于下料设备的下料点距皮带秤称重 段有一段距离，控制上存在一定的滞后，应有p i d 的全面控制。 现在流行的皮带秤双调速模式是将两种模式结合起来，在利用调整给料设备的同时， 调整皮带速度，利用皮带秤上物料的缓冲来使最终出料更接近于要求。 ( 2 ) 去皮模式 去皮，对整圈皮带按照每隔一定长度进行a d 采样，并将累加结果除以采样次数，得 到的a d 数值，即为皮重值( 平均皮重值) 。皮带整圈运行时间的确定是以实测为基准的， 对于无变速的皮带，这一过程简单且多次重复误差很小。但对于调速秤来说，皮带速度是 变化的，所以在去皮时，仪表p i d 控制端口应发出一个固定的输出电流值，去控制皮带按 照指定速度的运行，去皮时间的测定和去皮的过程都要在这一基准状态下进行。去皮是应 设置一个门限数值，当两次去皮结果差值的绝对值在此范围内时新的去皮结果被接受，反 之则认为超差。 ( 3 ) 阈值模式 阈值是人为设定一个门限值，当传感器检测重量一平均皮重值一阀值大于0 时表示有 物料通过，可以进行计量，反之则认为现在是空皮带不予计量。 设置了闽值，可以在皮带空带时确保没有重量累计，且在皮带最轻的地方即使有一些 少量物料时也不会产生累计。对皮带状态较好的场合，阈值法有较好的使用效果，当皮带 不均匀度较大时，其使用效果很不理想。 ( 4 ) 全累计模式 全累计方式是指在称重时对传感器的重量进行全部累计，在运行一个整圈后，全部累 计值减去皮带皮重累计值后得到的数值应该就是物料的重量。从理论上说这种方式很好， 但实际应用时，由于皮带一圈中有不均匀现象，会产生因皮带皮重变化产生空带累计和累 计量反而减少的现象，给人一种错觉。所以还应在显示上加以处理，使累计量显示的直观 感觉合理。 ( 5 ) 软手动模式 软手动模式是指在皮带秤开始配料时，给料设备和皮带秤都是从静止开始启动，此时 的皮带秤流量为零，要达到设定的配料值可能要经过较长的时间和振荡。所以予先设定一 个数值，使皮带秤首先按这个数值运行，待设备启动正常后，自动切换到真正的配料设定 值控制，相当于手动操作启动，故称“软手动”。 2 3 4 控制系统 南于