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连续累计自动衡器基础知识一、 什么是自动衡器？什么是非自动衡器？两者有何区别？ 衡器（天平与秤）是一种测量物体质量（我国的法定计量单位为：t吨、kg千克、g克等）的计量器具。按称量过程是否需要操作者干预，衡器可分为自动衡器与非自动衡器两大类。 在非自动衡器的称重过程中，被称量物体进入或退出衡器需要由人工或其它设备（如车辆、装卸机械等）来实现的。而在自动衡器的称重过程中，被称物体进入或退出衡器由其自身的组成部分（如螺旋秤的螺旋输送机、皮带秤的皮带输送机等）自动实现，并能按预定的处理程序完成称量。 二、 什么是动态衡器？什么是静态衡器？两者有何区别？ 在动态称重过程中，被称物体是在秤上运动的，物体质量的多少往往随时间发生改变。而在每一次有效的静态称重过程中，被称物体的多少是不随时间变化的。静态衡器的测量结果一般为一个测量周期内测得的若干次理应基本相等的瞬时质量的平均值；而动态衡器测得的每一次瞬间质量往往是不相等的，测量结果一般为某时间段内若干次瞬时质量的累计值。 三、连续累计自动衡器主要有哪些品种？ 连续累计自动衡器一般都配有作为其组成部分的输送或给料机械，是兼具物料输送和称重计量两大基本功能的衡器。因此对其命名时通常冠以输送机或给料机的名称。例如：与带式输送机配合的皮带秤（输送带的材质一般为橡胶或塑胶，但常称为“皮带”）、与螺旋输送机（俗称铰刀）配合的螺旋秤（或称铰刀秤）、与圆盘给料机（俗称转子）配合的圆盘秤（或称转子秤）等等。以上自动衡器都基于重力静平衡原理。 此外还有一些利用其它原理的连续累计自动衡器。例如，利用冲量原理的冲量流量计，利用超声或激光测量物料容积然后转换为质量值的超声皮带秤或激光皮带秤，利用测量物料对放射性同位素源所发出射线的吸收量来间接获得质量值的核子皮带秤，等等。 连续式减量秤也是连续累计自动衡器中的一类，但它的命名依据跟配套的输送机无关，而是来源于其非同一般的称量方式。通常的称量方式是秤的示值随着被称物料的增加而增加，而减量秤的示值却是随着被称物料的减少而增加。减量秤又叫做“卸料秤”、“负秤”或“失重秤”。减量秤一般以料斗作为承载器，料斗的出口通常配有卸料装置。根据使用场合的需要，卸料装置可以是溜槽与振动阀、皮带输送机、螺旋输送机等不同类型。 在各类连续累计自动衡器之中，技术上相对最成熟、在国内外应用最广泛的当数电子皮带秤。目前，我国还暂时只是对电子皮带秤制定了推荐性“国家标准”（GB/T 7721）和“国家计量检定规程”（JJG 195），国际法制计量组织（OIML）也只有针对电子皮带秤的50号“国际建议”（R 50）。其它类型的连续累计自动衡器还暂时需参照执行上述法规或执行制造厂自订的企业标准。 注1：物体受到的地心引力显著减小的现象，例如宇航员进入太空后的状态，在物理学中称作“失重”（英语为weightlessness或agravity）；而减量秤别名中的“失重”两字则来源于对英语loss-in-weight的直译，两者的意思并不相同。 注2：GB/T 和JJG分别是“国标/推”和“计检规”的汉语拼音首字母；OIML与R分别是法语“Organisation Internationale de Mtrologie Lgale”“Recommendation”的首字母。 四、电子皮带秤有哪些种类？ 按不同的着眼点电子皮带秤可以有多种的分类方式。 A）按电子皮带秤的机械结构类型分，其中： A1）按制造皮带秤时是否已同时把皮带输送机制作成一体化结构可分为：嵌装型皮带秤（A1-1）和整机型皮带秤（A1-2）。 嵌装型皮带秤与其配套的皮带输送机可以不是同时设计制造的。通常皮带秤厂商要到用户现场把称重单元（包括称量台与称重传感器）嵌装于往往由用户另行置备的皮带输送机的机架上共同组成称重系统。整机型皮带秤所需的输送机，包括输送机架、滚筒与托辊、输送皮带、驱动电机等等，已与皮带秤称重用零部件设计制造成一体化结构，其输送机长度一般比嵌装型的要来得短。 A2）按皮带秤的承载器型式可分为：称量台式皮带秤（A2-1）和输送机式皮带秤（A2-2）。称量台式皮带秤的承载器只包括部分输送机。此类皮带秤作为皮带输送机的一部分，与皮带输送机一起输送物料。输送机式皮带秤的承载器是一台完整的输送机。此类皮带秤自身具有动力，能独立输送物料。 应注意，虽然输送机式皮带秤与整机型皮带秤都自带输送机及其动力，但切莫把两者混为一谈；嵌装型皮带秤与称量台式皮带秤的概念也并非完全等同。输送机式皮带秤一般都是整机型皮带秤；但称量台式皮带秤，可以是嵌装型的，也可以是整机型的，这两种类型都很常见。具有称量台的整机型皮带秤的承载器是称量台及恰运行于其上的那一段皮带，而不是一台完整的输送机。承载器型式的不同直接跟称重传感器的容量有关，同样是整机型皮带秤，承载器为称量台或输送机选择称重传感器的容量的计算公式就不一样。 在称量台式皮带秤中，置于称量台（又称为秤架、秤框或秤台）上的托辊称为“称重托辊”，而安装于输送机架纵梁上的则称为“输送托辊”，其中最靠近称重托辊的前后各一组输送托辊又特称为“秤端托辊”。物料重力的传递途经为：输送带称重托辊托辊支架称量台称重传感器。而在输送机式皮带秤中，物料重力的传递途经为：输送带托辊与滚筒输送机架称重传感器。 A3）按称重传感器对于承载器（以及加于其上的物料）的支承方式可分为：直荷式皮带秤（A3-1）和杠杆式皮带秤（A3-2）。 直荷式皮带秤的承载器的重量全部由称重传感器（一个或几个）支承。而杠杆式皮带秤的承载器的重量由称重传感器与作为支点的零部件(如：十字或X形簧片、橡胶耳轴等)共同承受，承载器相当于杠杆，承载器及物料的重力作用线到支点的距离为动力臂，称重传感器对承载器支承力的作用线到支点的距离为阻力臂。除了特殊需要外，杠杆式皮带秤的阻力臂一般都长于动力臂，因此称重传感器仅受到了部分载荷；而直荷式皮带秤受到的是未经缩小的载荷作用力。 承载器为称量台的杠杆式皮带秤又可分为单杠杆式和双杠杆式，后者的称量台分为两截，做成相向安装的成对杠杆。 以上各种结构类型系依照不同的角度来分类的。实际上任何一台皮带秤都会综合不同分类的特征，从而形成众多的品种。例如，既具有（A2-1）特征、又具有（A3-1）特征的“称量台-直荷式”秤，通常称之为称“悬浮式”秤；兼具（A2-2）和（A3-2）两者特征的“输送机-单杠杆式”秤通常称之为“悬臂式”秤；将具有（A2-2）特征的整台输送机全部置于装有称重传感器的底座之上，就又同时具有了（A3-1）的特征，这种“输送机-直荷式”可以称呼为“台基式”。 A4）按称重托辊数量的多寡可分为：单托辊皮带秤（A4-1）和多托辊皮带秤（A4-2）。双杠杆式的称重托辊数一般都成偶数，而其它型式的称重托辊可以是偶数，也可以是奇数。 A5）按称重传感器的安装位置可分为：低架皮带秤（A5-1）和高架皮带秤（A5-2）。称重传感器的弹性体上下两端各有一个受力点，其中一点跟承载器相连，另一点则跟地面（直接或间接）相接的固定构件相连。跟固定构件相连点的位置在输送机架纵梁上方的为高架秤，而该点在纵梁下方的为低架秤。高架秤维修、更换传感器较为方便，但常需配制龙门架，使用的钢材较多。近年传感器的质量有了提高，高架秤已不多见。 A6）按输送带驱动电动机的安装位置可分为：前驱动皮带秤（A6-1）和后驱动皮带秤（A6-2）。通常，我们把靠近物料进入处称为输送机尾部，把物料输离处称为头部。正程皮带从尾部向头部行进，回程皮带由头部向尾部折返。习惯上，把靠近头部处叫做前方，靠近尾部处叫做后方。皮带输送机为前驱动方式时，头轮为主动滚筒，尾轮为从动滚筒；皮带输送机为后驱动方式时，尾轮为主动滚筒，头轮为从动滚筒。 图1至图8是部分类型电子皮带秤的结构示意图。图中，箭头表示物料运行方向；数字标记为：1输送带驱动电机，2主动滚筒，3缓冲托辊，4秤端托辊，5称重托辊，6从动滚筒，7输送带拉紧装置，8输送机架纵梁，9支点，10称量台框架，11称重传感器，12压带辊, 13龙门架，14平衡框，15平衡框支点，16平衡重锤。图号分类依据备注A1A2A3A4A5A6图1整机型称量台式承载器悬浮式双托辊低架前驱动图2整机型称量台式承载器单杠杆式单托辊低架后驱动图3整机型称量台式承载器双杠杆式双托辊低架后驱动图4整机型输送机式承载器悬臂式低架前驱动图5整机型输送机式承载器台基式低架前驱动图6整机型输送机式承载器台基式低架后驱动图7嵌装型称量台式承载器双杠杆式四托辊高架未画出皮带输送机，仅用虚线表示其纵梁。图8嵌装型称量台式承载器悬浮式三托辊低架B）按皮带秤所配输送机的设计带速可分为：单速皮带秤（B-1）、多速皮带秤（B-2）和变速皮带秤（B-3）。其中，多速皮带秤可以在预定的几种快慢不同的带速中换档，而变速皮带秤则能在一定的速度范围内无级变换。以上皮带秤若在使用中只用其中一种固定的设计带速，又称为恒速秤；若在使用中会需改变料流量而在其设计带速范围内调节的，又称为调速秤。 C）按对皮带秤的给料方式可分为：喂料皮带秤（C-1）和拖料皮带秤（C-2）。前者，料仓中的物料不与输送带直接接触，而是经由另外的给料装置(如振动给料机、圆盘给料机、星型给料机等)陆续喂送到输送带之上。后者，料仓中的物料直接压在输送带上，在输送带运行时将物料拖出。 对于拖料秤（C-2），须采用变速秤（B-3）改变输送带运行速度来调节物料流量。对于喂料秤（C-1），一般以调节给料装置的喂料速度来改变物料流量，可以采用适宜带速的皮带秤多用（B-1），间或也可用（B-2）、（B-3） ；必要时也可以对给料装置的喂料速度和输送机运行速度两者同时调节。 D） 按皮带秤的主要用途可分为：计量皮带秤（D-1）和定量皮带秤（D-2）。前者，以获得所称物料的连续累计重量为主要目的；后者，又称配料秤，以控制所称物料的重量流量为主要目的。注：同样的用途可采用不同的结构，同样的结构也可担当不同的用途。计量秤常为嵌装型的，但整机型也能承担；配料秤多数是整机型的，但嵌装型也并非绝对不能用。结构（A）是在制造前就需设计确定的，而用途 （D）却可能是后天赋予的。一台衡器在制造装配时也许还未知其预期的用途，但不能不先了解其机械结构。因而不宜用“计量秤”来称呼嵌装型秤，或用“配料秤”来称呼整机型秤，以避免造成沟通双方理解上的不一致。 皮带秤分类的方式还有许多种，但不管如何分，须注意首先明确分类的依据，并按同一依据分类，否则就易造成概念上的交叉或混乱。 五、电子皮带秤的基本组成有哪些部分？ 电子皮带秤的基本组成主要包括： 皮带输送机及其驱动单元（虽然嵌装型皮带秤的厂商一般不予提供，但若无它皮带秤是不完整的，就没法正常工作。）、 称重单元、 测速单元、 信号采集、处理与控制单元。 对于输送机式皮带秤，其整台皮带输送机就是承载器；对于称量台式皮带秤，其称量台和称重托辊以及恰运行到其上方的那段输送皮带构成了承载器。称重传感器是将被称物料的重力转换为模拟或数字电信号的元件。称量台与称重传感器的组合常被叫做称重单元。 作为动态计量器具的电子皮带秤，用来测量被称物料运行速度的测速传感器也是保证计量准确度重要元件。 信号采集、处理、与控制单元是用以接收、处理传感器输出的电信号并以质量单位给出计量结果，以及完成其它预定功能的电子装置。它可以是单独的一块仪表（例如“动态称重显示控制器”），也可以由几个独立的部分共同组合而成（例如，分离的传感器激励电源装置、放置现场的信号采集器以及放置中央控制室的积算器和上位计算机等）。为了叙述方便，本卷教程常会把信号采集、处理、与控制单元（无论是单一的或者组合的）简称为“显控装置”。 六、传感器是什么？它有何作用？ 传感器是一种能感受到某种量的信息，并按一定的法则原理把所测得的量变换成便于传输和处理的另一种信号，且该信号能反映所感受量的量值大小的装置器件元件。传感器把所感受到的一种量变成另一种量的转换，也可以看成是能量的转换，因此在某些领域中也称为换能器。电信号（电压、电流、频率、脉冲等）易于传输和处理，所以大多数的传感器是将被测量的信息转换成电信号输出的。 传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。在一个测量控制系统中，如果首当其冲的传感器不能灵敏地感受被测量，或者不能把感受到的被测量精确地转换成电信号，系统其他部分的精确度再高也会毫无意义。 传感器的种类很多，依据不同的着眼点，分类的方法也很多。常用的分类方式有以下三种。 1）按照传感器的所感受量的性质或用途区分，如位移传感器、角度传感器、速度传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器、密度传感器、振动传感器和称重传感器等等。 2）按传感器的工作原理区分，如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、电涡流式传感器、磁电式传感器、压电式传感器、光电式传感器、磁弹性式传感器、振频式传感器和电化学式传感器等等。 3）按照传感器的输出信号的性质区分，有输出连续信号（如电压、电流等）的模拟式传感器，以及能把输入信号直接转变为离散信号（如频率、脉冲等）输出的数字式传感器。鉴于数字电子和计算机技术的迅速发展，测量和控制系统对于传感器输出信号的数据处理广泛采用了数字电子器件电路，因此使用模拟传感器就往往需要先把模拟量（Analog）转变为数字量（Digital），即需要模-数转换（A/D）电路，而采用数字传感器就可不经A/D电路直接进入数据处理器件了。 有时也常把三种分类的方式结合起来命名，例如：数字式霍尔位移传感器、模拟式电容液位传感器、数字式振频称重传感器 注：目前市场上出现的所谓“数字式称重传感器”，实际上只是把“模拟式应变电阻称重传感器” 与原来“显控装置”中的前置放大和A/D电路，甚至一部分数据处理与控制电路一齐封装在同一个壳体内的数字量输出称重模块，与经典意义上的数字传感器的概念并不一致。 七、请简要说明连续累计自动衡器常用称重传感器的原理。 称重传感器是电子衡器必不可少的。电子衡器的发展历程中曾经采用过的称重传感器有多种类型，例如电阻应变式、差动变压器式、电容式、压磁式、压电式、振频式，等等。 电阻应变式称重传感器的变换原理，是将电阻应变片粘贴在金属弹性体上，当弹性元件受到重力产生变形时，应变片上的电阻也随之产生形变并引起阻值的变化，从而测得与重力大小相关的质量值。差动变压器式和电容式称重传感器，是通过弹性元件将重力转换成位移，从而引起电感量或电容量的改变，用电子装置测量它们的变化求得质量值。 压磁式称重传感器，是利用铁磁材料在外力作用下磁导系数和磁阻会发生改变，从而使绕在铁芯上的线圈阻抗变化，由该阻抗的变化与重力存在的函数关系可求得质量值。 压电式称重传感器，是以某些晶体介质在受一定方向外力作用时，会引起内部正、负电荷的相对位移，从而使晶体两端的表面上出现极性相反的束缚电荷，由电荷密度与外力成正比的关系可求得质量值。 振频式称重传感器，是利用一定材料密度和几何尺寸的金属丝（振弦）在受到外力时会改变其内部应力同时也会改变其固有频率的性质，能直接将重量信号转换为数字信号而无须经过A/D转换，用测量振弦的频率变化来求得质量值。以振弦式为代表的新型数字称重传感器正在崭露头角，在小秤量的台案秤上已有较成熟的应用，新颖的振弦式皮带秤称重传感器也已见有上市的报道。 然而，由于电阻应变式称重传感器制作简单、工艺成熟、准确度较高（目前可做到非线性、重复性、滞后指标优于0.01% FS），一直占据90%以上的称重传感器市场份额，国内市场几乎是电阻应变式称重传感器的一统天下。 电阻应变式称重传感器的瞬时输出电压（此处暂不考虑零点不平衡输出电压）跟加载的重量及输入的激励电压大小成正比，即：UP = KpE （式01）式中：UP 传感器瞬时输出电压（单位mV），p 加载于传感器的瞬时荷重（单位N或对应的质量kg），E 输入传感器的激励电压（单位V）， K 传感器在额定载荷下的灵敏系数（单位mV/VN或mV/Vkg） 八、简要说明连续累计自动衡器常用测速传感器的原理。 电子皮带秤的测速传感器也出现过多种。接触式测速传感器一般都具有能反映皮带速度的旋转机构，通常它与输送机的从动滚筒一起转动或由置于回程皮带上的摩擦滚轮来带动；非接触式测速传感器则通常以固定在输送机架上某一位置的探头与皮带上某处的标志物在单位时间中接近的次数来判断皮带速度。 靠皮带摩擦旋转的发电机作为测速传感器曾一度盛行，其输出电压的高低与其转速快慢成正比，而转速又跟皮带运行速度成正比，因此有：UV= Cv （式02）式中：UV 测速发电机的瞬时输出电压（单位V），v 皮带运行速度（单位m/s）， C1 测速发电机的灵敏系数（单位Vs/m）。 用测速发电机的输出电压作为称重传感器的输入电压，可以方便地获得重量信号与带速信号的乘积，这在数字器件尚未问世的模拟电子皮带秤时代确实是一种十分构思巧妙的设计，但由于其准确度不高现今已鲜见使用了。 目前常见的测速传感器大多输出数字式信号，接触式的有磁电脉冲式、光电脉冲式、霍尔效应脉冲式等，它们输出脉冲的频率与其转速成正比；非接触式的有磁敏感应式、光电接近式等，单位时间内它们输出的脉冲个数由皮带上的标志物与其接近的次数所决定。因传感器的转速或与皮带上标志物的接近次数，都直接跟皮带的位移量相关，故实质上应属“位移传感器”。 目前应用广泛的光电脉冲式测速传感器，测量精确度较高的可达到0.05%，分辨率可达到0. 1mm/s。 九、皮带秤的称量长度表达的意义？ 称量长度（L）的物理含义是：物料通过皮带秤时，对称量产生等效影响的那一段长度。相当于物料在该段长度的区域时，其重量全部传递给了称重传感器（及支点）；而当物料在该段长度的区域之外时，称重传感器（及支点）未受物料的重力作用。 对于输送机式承载器皮带秤，在其正程皮带上的物料之全部重量都通过传力机构传递给了称重传感器（及支点），因此称量长度就等于其头尾轮中心距。对于称量台式承载器皮带秤，物料从进入后秤端托辊直到离开前秤端托辊的过程中，称重传感器都会受到物料重量的作用；甚至在两秤端托辊之前后各35个托辊间距内的皮带跳动和张力变化都会对传感器产生影响，因此这一区段被叫做称重域。但物料并非在称重域内任何位置把其重量完全传递给了传感器，当物料还没到达第一个称重托辊之前或已驶离最末一个称重托辊之后，物料重量是由称重托辊与秤端托辊共同承受的，而秤端托辊受到的力并不传递给传感器（及支点）。称量长度与称重域不是同一个概念，而是指物料在皮带秤的该段长度内把重量全部传递给了传感器，因此也被叫做等效称量段。OIML R50对于称量台式承载器皮带秤的称量长度的描述是：“对于多托辊皮带秤，是称量台两端称重托辊的距离L0加上该托辊与相邻秤端托辊的距离La 和Lb的各一半；对于单托辊皮带秤，其称量长度为前后两秤端托辊距离L1的一半。” 事实上不难推导出更为简明的统一表达式：“前、后两秤端托辊的距离与最前、最后两称重托辊的距离（对于单托辊皮带秤L0= 0）之和的一半，即 （L1+ L0）。”注：L= La+ L0+Lb = La+ L0+L0+Lb = （La+ L0+Lb）+L0 = （L1+ L0） 十、皮带秤的工作原理是怎样的？ 当皮带输送机运送单位长度重量为q(单位：kg/m) 的均匀物料时，以速度v (单位：m/s)匀速运行了时间t(单位：s)，对应于称量长度L(单位：m)上的物料重量为p(单位：kg)，则在传送时间t内共运送的物料总重量W (kg)为： W=qv t =（p/L）v t （式03）