（机械制造及其自动化专业论文）铜包装自动生产线配重系统的称重及计量精度研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着现代工业的高速发展，称重计量已融入社会的各个领域，称重技术也从 原来的单一称重向多元化发展。但在某些行业，特别是冶金工业中，面对恶劣的 称重环境，要达到理想的称重效果，称重技术仍面临着严峻的考验。本文主要研 究铜包装自动生产线配重系统的称重及其计量精度，通过对称重过程分析，选取 合理的称重计量系统，并对该系统的误差精度进行分析，通过合理的建模，利用 m a t l a b 与d s p 软硬件相结合，最终建立精确、快捷的称重系统。 为了实现这一目的，作者主要从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 称重单元的选取：在多种称重传感器中，对称重传感器进行分析比较， 最终选取电阻应片式称重传感器作为电子秤的心脏。在称重传感器确定的基础 上，根据电子秤的选择原则，选取s c s 电子秤作为称量的载体。 ( 2 ) 称重误差分析：由于称重环境恶劣，存在较多的误差源，本文从静态与 动态两个方面对称重误差进行研究。根据建立的称重模型，运用锤击法、a r m a 模型等对模型进行分析，最终求出称重误差。 ( 3 ) 利用m a t l a b 建立数字滤波器来消除误差：通过对窗函数法与频率取样 法的比较，选定用窗函数法来设计f i r 数字滤波器，结合窗函数法所得程序， 在m a t l a b 下运用f d a o l 对f i r 滤波器进行设计分析，最后运用d s p 集成 开发环境c c s 来实现f i r 数字滤波器。 ( 4 ) 硬件支持：采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 作为数据处理器，并介绍 了其相关硬件的设计：电源设计、d s p 的晶振和复位电路、外部始终信号输入、 d 与d s p 芯片的连接、d a 与d s p 芯片的连接和看门狗定时器系统。 通过对上面几个方面的研究，选取合适的称重系统，根据滤波器的设计，消 减称重误差，达到理想的称重效果。 关键词：称重；计量精度；电子秤；锤击法；m a t l a b ；d s p 铜包装自动生产线配重系统的称重及计量精度的研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t f i e s ，w e i g h i n gm e a s u r e sh a sb e e n i n t e g r a t e di n t oa l lk i n d so ff i e l d s a n dw e i g h i n gt e c h n o l o g ya l s oh a sb e e nc h a n g e d f r o mt h eo r i g i n a ls i n g l ew e i g h t i n gt ot h ed i v e r s i f i e dd e v e l o p m e n t h o w e v e r ，i n c e r t a i ni n d u s t r i e s ，e s p e c i a u yi nt h em e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ，w e i g h i n gt e c h n o l o g yi s s t i l lf a c i n gas e v e r et e s t ，w h i c hn e e dt 0f a c et h eb a dw e i g h i n ge n v i r o n m e n t ，t o a c h i e v et h ed e s i r e de f f e c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sc o p p e rp a c k a g i n gp r o d u c t i o n l i n e sw i t hh e a v ya u t o m a t i cw e i g h i n gs y s t e ma n dm e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h e w e i g h i n gp r o c e s st h r o u g ha n a l y s i n gk e yt e c h n i c a l ，s e l e c t i n gar e a s o n a b l ew e i g h t m e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n da n a l y s i n go ft h es y s t e me r r o ra c c u r a c y ，m o d e l i n gt h r o u g h r e a s o n a b l eu s i n gm a t l a ba n dd s ph a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t e g r a t i o n ，a n d u l t i m a t e l ye s t a b l i s h i n ga c c u r a t ea n de f f i c i e n tw e i g h i n gs y s t e m i no r d e r t oa c h i e v et h ea i m ，t h ea u t h o rr e s e a r c h e sm a i n l yf r o mt h ef o l i o w i n g a s p e c t s ： ( 1 ) t h es e l e c t i o n o fw e i g h i n gm o d u l e s ： t h r o u g ha n a l y s i n ga n dc o m p a r i n g t h e w e i g h i n gs e n s o r s ，w ef i n a l l ys e l e c t t h ec h i pr e s i s t o rs e n s o ra st h eh e a r to ft h e e l e c t f o n i cw e i g h i n gs c a l e s 0 nt h eb a s i so ft h ed e t e r m i n a t i o no ft h ew e i g h t i n g s e n s o r s ，a n di na c c o f d a n c ew i t ht h ep r i n c i p l e so fc h o o s i n ge l e c t r o n i cs c a l e s ，f i n a l l y s e l e c t ss c se l e c t r o n i cw e i g h i n gs c a l e sa sac a r r i e r ( 2 ) a n a l y s i so fw e i g h i n ge r r o r ：a st h ep o o re n v i r o n m e n to fw e i g h i n g ，t h em o r e e r r o rs o u r c e se x i s t ，t h ep a p e ra n a l y s et h ee r r o rf t o mt w 0s i d e s t h es t a t i ca n d d y n a m i c a c c o d i n gt o t h ee s t a b l i s h e dm o d e l ，u s i n gh a m m e 卜a t t a c k i n g ，a r m a m o d e lf o ra n a l y s i s ，a n du l t i m a t e l yo b t a i n e dw e i g h i n ge r r o r ( 3 ) u s i n gm a t l a bt o e s t a b l i s had i g i t a lf i l t e rt oe l i m i n a t ee r r o f ： t h r o u g h c o m p a r i n gt h ew i n d o wf u n c t i o nm e t h o dw i t ht h ef r e q u e n c y0 ft h es a m p l i n gm e t h o d ， a tl a s t ，s e l e c t e dw i n d o wf u n c t i o nm e t h o du s e dt od e s i g nf i rd i g i t a lf i l t e r f i n a l l y u s ed s pi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tt 0a c h i e v ec c sf i rd i g i t a lf i l t e rw i t h w i n d o wf u n c t i o nf r o mp r o c e d u r e su s e di nm a t l a bu n d e rt h ef d a t 0 0 lf i rf i l t e r d e s i g na n a l y s i s ( 4 ) h a r a w a r es u p p o r t ：a d o p t e dt ic o m p a n y st m s 3 2 0 c 5 4 1 6a sad a t ap r o c e s s o r ， a n di n t f o d u c e di t sh a r d w a r ed e s i g no ft h ep o w e rs u p p l yd e s i g np r o c e s sa n de x t e f n a l t e r m i n a l s i g n a li n p u t ，d s pc f y s t a lo s c i l l a t o ra n dr e s e t ，a da n dd s pc h i p c o n n e c t i o n s ，d aa n dd s pc h i pc o n n e c t i o n sa n dw a t c h d o gc l o c ks y s t e m 1 1 硕十学位论文 t h r o u g ht h es t u d yo ft h ea b o v e ，s e l e c ts u i t a b l ew e i g h i n gs y s t e m ，i na c c o r d a n c e w i t ht h ef i l t e rd e s i g n ，a b a t e m e n tw e i g h i n ge r r o r ，a c h i e v et h ed e s i r e de f f e c t k e yw o r d s ：w e i g h i n g ；m e a s u r e m e n ta c c u r a c y ；t h ee l e c t r o n i cs c a i e s ；h a m m e r i n g m a t h o d ；m a t l a b ；d s p l i l 铜包装自动生产线配重系统的称重及计鼍精度的研究 图2 1 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图5 8 图5 9 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 插图索引 系统原理图8 压电式称重传感器的结构示意图。1 2 传感器在输送机上的安装与受力图1 3 电子秤的工作原理图1 5 s c s 电子钢材秤结构图1 7 电子秤静态方框图1 9 l 与w 1 的线性关系2 l 动态称重系统的总体框架图2 6 等效二阶系统2 7 典型的二阶系统方块图2 8 脉冲击振法2 8 实验过度过程曲线2 9 单位脉冲响应曲线3 0 频率响应曲线3 0 用于辨识目的的a r m a 模型3 3 窗函数下的幅度响应及实际振幅响应4 3 频率取样法下的幅度响应及实际振幅响应4 6 f d a t o o l 启动界面4 7 滤波器设计界面j 一4 7 f i r 滤波器的幅频响应4 8 f i r 滤波器的相频响应4 9 f i r 滤波器的冲击响应4 9 f i r 滤波器的阶跃响应一5 0 f i r 滤波器的系数一5 0 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 实现滤波器的存储器组织5 2 c c s 集成开发环境界面5 3 数字滤波器流程图5 4 晶振接法5 9 复位电路5 9 t l v 2 5 4 4 管脚定义6 0 a d 转换工作时序6 1 t l v 2 5 4 4 与d s p 连接6 2 硕士学位论文 图6 6t l v 5 6 3 8 管脚定义6 3 图6 7d a 转换工作时序6 4 图6 8t l v 5 6 3 8 与d s p 的连接6 4 图6 9 看门狗定时器状态转换图6 6 图6 1 0 看门狗硬件电路6 6 v 铜包装自动生产线配重系统的称霞及计量精度的研究 附表索引 表3 1s c s 系列电子钢材秤主要技术参数1 7 表5 1 六种窗函数的基本参数4 0 表6 1 输入指令格式6 1 表6 2 转换结果形式6 1 表6 3 控制寄存器配置位定义一6 1 表6 4d a 转换指令数据格式一6 3 表6 5 通道选择指令格式6 3 表6 6 基本参考源选择6 4 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 吲嗣暂 日期：炉手年吝月2 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 黧势搿霉篇2 詈 i v 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景意义 在现代社会里，称重技术融入了国民经济的各个领域，而在工业企业的生产 经营、工艺质量、能源管理、资源利用、安全环保、运输常离不开工业衡器得伴 随和参与，很大一部分工业生产的物资流到资金流都是通过称重信息流来实现 的。在过去的二十年里，我国的称重技术伴随着我国工业现代化发展而大踏步地 前进，它涉及到我国的冶金行业、煤炭行业、建材行业、矿业、电业、化工、石 油、运输业、食品工业、制药业、饲料业、化妆品业、装备制造业、商业等等数 不胜数的各行各业【1 1 。称重技术的广泛应用和高速发展，保障了生产的快速发展、 生产自动化、生产安全环保和节能降耗。 称重计量技术随着工艺过程自动化的不断发展，称重越来越失去它作为单件 计量器具的意义，而变成了调节和控制过程中的一个重要环节，通过称重所得的 信息来控制和调节工艺流程，为经济核算提供重要的数据。在称重过程中最初以 模拟方式获取称重结果，为了将模拟量转变成所需的数字信号，并根据所得信号 进行控制操作，随后便导致了许多工业部门用计算机控制生产过程。于是，称重 计量往往成为获得过程参数的决定性的测量环节【2 1 。在许多应用场合中，需要称 重计量能够接受检定，以求在获取量值、处理和记录量值方面都能保持较高的测 量准确度。 在称重计量技术快速发展的今天，国内在定量动态称重方面，有了一定的发 展。但与国外特别是欧美、日本相比较仍有很大的差距。尤其是在冶金行业中【3 】， 面对着国外时间与空间上连续作业的立体化包装称重生产线，我国大部分中小企 业仍然采用传统人工作业【4 l ：叉车搬运、人工配重、称量、读数、记录等。整个 作业过程中危险系数非常高，劳动强度特别大，计量精度差，效率异常低下。 本课题便来源于金川集团有限公司，是该公司阴极铜板自动包装生产线的一 个重要环节。作为享有全国“镍都”和“北方最大铜生产基地 的金川集团【5 l ， 其在阴极铜生产工艺流程关键技术的研究方面( 采矿、选矿、熔炼、精炼) 相继 取得了一批具有自主知识产权的标志性成果。但在铜包装生产环节，还未进行有 效的技术改造和技术创新，尚未形成成熟的技术，也没有高效可靠的专用装备。 特别是在阴极铜板的配重称量系统方面，仍保留着过去最原始的人工高强度、低 效率的作业。如此的包装称重与金川集团目前的生产规模和总体技术水平极不相 协调。阻碍了金川集团扩大市场的需求，所以对其包装生产线配重称量系统的改 铜包装自动生产线配重系统的称雨及计鼍精度的研究 造势在必行。 1 2 动态称重与自动称量技术 1 2 1 动态称重的发展现状 在自动化生产线的连续称重装置问世之前，生产线上产品的称重或控制都是 人工进行的【6 1 ，即：定时取出，分别称量。这种“抽样检查 方法，显然已不适 应当前高速生产的要求，而是需要一种自动的在线测量。在生产过程中需要快速 而简易地在线采集和校验统计数据。因此，传统的人工检测己不实用，逐渐被在 线检测取而代之。7 0 年代末微机引入称重计量仪器，给称重技术的发展注入了 活力。如今用于在线测量的自动称量，已不仅仅是为了剔除或找出重量不足的产 品，更是为了进行重量控制、统计分析与处理。 称重计量仪表与计算机相连后可以编制生产者想要的书面报告，例如，实时 数的直方图、重量的标准偏差、运行的平均值、相关的参数报告、统计报告，以 及按时间、数量或重量分类的间隔报告等。因此，生产者可以在远离计量站的控 制室里，通过遥控面板来改变参数，而不必再在生产线上来回走动，他甚至可以 同时看管几条生产线。对于冶金、食品、化妆品、药品以及化工等行业而言，这 种在线测量的自动称量无疑将使生产管理者的工作变得简练、准确、安全且高效。 1 2 2 动态称重中存在的问题 在称重系统中，静态称重是指在测量期间其值可认为是恒定的量的测量；而 动态称重则是指为确定被测重量的瞬时值( 或) 其随时间的变化所进行的测量，即 被测重量是随时间变化的。显然在动态的测量中，必须考虑信号的响应时间，即 考虑激励受到规定突变的瞬间，以及响应达到并保持其最终稳定值在规定极限内 的瞬间这两者之间的时间间隔。而在静态测量中，通常并不考虑信号的响应时间， 只注意测量结果的不确定度和随时间的稳定性或可靠性。因此，对于动态称重来 说，快速性及精度要求是两个同等重要的指标，所以采用的方法就需要同时兼顾 两项指标，显然解决动态称重问题的难度要大于静态称重。另外在冶金行业中， 称重环境对称重系统也是一个严峻的考验。所以一般的动态称重系统都具有以下 的状态特点： a 被测对象处于非静止状态。 b 测量环境处于非静止状态。 2 硕士学位论文 c 一种在线的自动测量系统。 d 在短时间内进行快速精确测量，要求系统有良好的时间响应特性。 另外从物体运动状态分析，任何物体或系统都具有惯性，当物体从一个状态 改变到另一个状态时需要一段时间来过渡，同样对一个称重系统也是如此，当系 统承受到一个重量后，从一种受力状态变化为另一种受力状态时，也要经历一个 过渡过程。在过渡过程中，测量值与实际重量值相差较大，难以满足精度要求， 只有系统趋于平稳后，才能够对物体进行准确地测量，这样就使称重系统在计量 速度上的受到限制，影响到生产的效率。 目前，在国内市场上有一些动态称重的产品，但在称量精度与测试速度上， 大多数产品都不能协调的很好。尤其是冶金行业，大都依靠国外进口为主。当今 在动态称重的学术研究上，开展的还不是很多，能将精度与快速性这一矛盾协调 好的更是少之甚少，因此探索新的方法，解决这对矛盾，在学术上具有一定的价 值，在应用上也具有很好的前景。 1 2 3 动态称重中问题解决方案 为解决好快速性和精确性的关系，现代的称重系统大都通过称重传感器来接 受力信号，然而传感器的种类繁多，故选取适当的传感器，变成了动态称重系统 要做的首要环节。在所选传感器的基础上，根据其作业环境与称量物体的不同， 选取合适的称重载体，对物体进行测量。但这只是得到测量数据，并不能保证所 测数据的精确度，测量的速度也没有得到提高。 现代称重系统大都在称重传感器获得称重模拟信号的基础上【7 1 ，对信号进行 相应的滤波放大，再采用模数转换器把模拟量转换成数字量，借助于微处理机， 能够把量值获取和处理等组件集成起来，利用软件程序来充分发挥高度集成的电 气电路的效能。因此，这种线路技术的重点从硬件移到软件上，特别是在自动快 速称量技术中，称量软件对未来称量技术的发展起着日益重要的作用。为同时使 其精确度得到保障，可通过对称重系统的受力进行分析，建立合理的称重模型和 参数估计，运用软件编程，消减其称重过程的输出误差，达到合理的输出精度。 这样通过优越的软件设计，便能使系统的硬件得到充分的发挥，保障精度和快捷 的同时，使系统达到最佳状态，实现对重量的计量和生产的自动化控制。 1 3 本论文的主要研究工作 面对金川集团当前的称重现状，考察国内各企业的解决方案( 中小企业因资 3 铜包装自动生产线配重系统的称重及计母精度的研究 金与技术短缺，如“白银铜业”等，仍保留原先人工作业；大中企业，如“江西 铜业”全面引用芬兰o u t o k u m p u 公司、日本住友金属矿山株式会社等称量设备) ， 为将金川集团铜包装生产线配重称重计量系统设计成快捷、精确的高自动化系 统，作者欲从以下几个方面对其进行研究： 1 、通过对多种传感器的分析比较，选取合适的称重传感器，进而确定称重 的主体一电子秤。 2 、对称重过程中的误差进行分析，从静态与动态两个方面考虑，找出误差 源。对称重系统进行简化，分析其受力状态，建立准确的误差模型。 3 、运用m a t l a b 软件设计数字滤波器，最后将滤波器程序导入d s p 中， 实现其数据处理。 4 、基于d s p 的硬件设计。 本课题通过对以上几点的深入研究，快速得到称重系统中所测物体的精确数 值，为铜包装生产线的称重计量打下坚实的基础。 4 硕十学位论文 第2 章称重系统总体方案设计 2 1 系统概述 在本系统中，当单垛铜板被放到称体上时，由电阻应电片式传感器组成的电 子秤，将铜板的重量信号转换成相应的电压信号，电压信号再通过模拟滤波器对 信号进行滤波。滤波后的模拟信号通过给a d 转换器放大转换成数字信号，然 后刖d 转换器将数字信号给d s p 。d s p 对转换后的数字信号进行非线性校正、 频率补偿、数字滤波等算法处理，最终得到想要的精确称量值。如图2 1 所示。 图2 1 系统原理图 本文在充分的理论分析和模型建立的基础上，又对系统硬件进行了设计。现 在拟从以下几个方面对该配重系统进行介绍：根据称重系统的要求选择合适的称 重传感器，从而确定称重电子秤；分析其动、静态误差，通过锤击法和a r m a 模型法对求出个称重参数间的关系，建立合适的数学模型；运用m a t l a b 设计 f i r 滤波器，最后通过通过d s p 来分析处理，实现滤波，得到合适的称重值。 2 2 数据采集子系统 数据采集子系统的任务是将由重量传感器输出的0 7 5 m v 的电压信号【9 l ， 先通过模拟滤波器进行模拟滤波。滤波后的模拟信号传送给模数转换器，将模拟 信号转换为数字信号，当其转换结束时发送转换结束信号给d s p 。d s p 对转换 后的数字信号进行数字滤波，算法处理等，处理后的结果送往p l c 和p c 机，数 据保存在p c 机内，为以后数据统计提供确切的数据。数据采集系统的任务，就 是采集传感器输出的信号并转换成计算机能识别的数字信号，送入计算机，将计 算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视。数据采集系统 性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高 的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。 对数据采集系统采取模块化设计与连接，根据数据传递顺序先后，将系统的 5 铜包装自动生产线配重系统的称重及计量精度的研究 硬件和软件分成若干相对独立的功能模块，并对其分别设计和调试，最后再按照 一定的方法进行安装连接，构成完整的系统。根据该思想本系统硬件电路模块可 以分为以下几个部分：数据采集接口模块、d s p 接口模块等。各模块之间通过 地址总线、数据总线、控制总线等与其他模块进行连接。 2 3 系统仿真模型的建立与软件支持 根据对系统动、静态的误差研究分析，找出其误差源，并对各误差源的影 响程度作评估。对称重系统进行力学分析，根据振动原理将其简化为二阶微分系 统方程，运用数学理论求出各参数之间的关系。结合误差分析结果与动态称重力 学方程，建立误差模型。 在所建立模型的基础上，运用m a t l a b 软件，选择合理的方法来设计f i r 数字滤波器，并将所设计的滤波器导入到d s p 的c c s 集成开发环境，对所设计 的数字滤波器进行分析、实现滤波，最终得到精确的称重值。 2 4 系统结构 根据配重控制系统的要求，由图2 1 系统原理图可知，本系统的主要功能单 元由以下几部分组成： 1 、称重单元：该单元主要是指有电阻应片式称重传感器组成的电子秤，通 过该单元将力信号转换成电压信号。 2 、信号调理单元：该单元指放大滤波器，因为操作环境恶劣，用其来滤除 信号中的噪声。 3 、数模转换单元：指将模拟信号转换成微处理器可以处理的数字信号，本 系统通过t l v 2 5 4 4 和t l v 5 6 3 8 来实现。 4 、数据处理单元：即d s p 处理器，本系统采用t i 公司生产的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 来完成。利用该部分来完成数据的采集与处理，并实现各个功能模块间的控制。 2 5 系统的功能特点 1 、综合比较称重系统中常用的称重传感器，选取最适合的一种传感器来作为称 重主体的核心，根据电子秤的选择原则，在称重传感器选定的基础上，选取了合 适的电子秤。 2 、综合动、静态误差分析，建立动态称重的误差分析理论。 6 硕士学位论文 3 、根据振动力学分析，建立误差分析的数学模型。 4 、综合运用m a t l a b 与d s p 中的c c s 软件环境，设计、实现数字滤波器。 7 铜包装自动隹产线配重系统的称重及计晕精度的研究 第3 章配重系统中称重与计量 本设计称重系统的主要载体为电子秤，其结构有三部分组成【7 j ：承重和传力 复位机构、称重传感器、电测装置( 二次仪表) 。承重和传力机构是被称物体与 转换元件之间的机械传力系统，又称电子秤的秤体，一般包括接受被称物体载荷 的承载面、秤桥结构、吊挂连接部件和限位减震机构；称重传感器是由非电量( 重 量) 转换成电量的转换元件，它要求输出电量与输入重量保持单值对应，并有良好 的线性关系，有较高的灵敏度，对被称物体的状态的影响要小，能在较差的工作条 件下工作有较好的频响特性和较小惯性，稳定可靠；电测装置是处理称重传感器 信号的电子线路包括放大器、模数转换、微处理机等和指示部件如显示、打印 数据传输等部分。三部分中，称重传感器被誉为电子称得心脏，故其选择的好坏 直接影响到电子秤的性能。 3 1 称重传感器 3 1 1 称重传感器的分类 称重传感器是电子衡器和电子称重系统的核心部件，是用来测量所承受物体 的重量大小，并按照一定关系将重量值转换为电信号的输出部件。其技术指标与 质量情况在一定程度上决定了电子秤的准确度。 称重传感器按其工作原理与结构形式可以分为很多种：电阻应变式、压电式、 电容式、电感式、压磁式、振弦式、光纤式等，为了便于对其分析比较，从而选 出合适的传感器，下面对以上几种常用传感器作简单介绍。 1 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器的工作原理：它的结构是在承受外力作用的元件上， 在其相对应的两个侧面沿着所加外力方向，粘贴两片电阻应变片；同时在 另外两个相对应侧面上，所贴的两个电阻应变片与前两片应变片的方向相 垂直，四片电阻应变片联接成桥式电路。弹性体在外力作用下产生弹性变 形，使粘贴在它表面的电阻应变片( 转换元件) 也随之产生变形，从而引 起电阻应变片的阻值发生变化( 增大或减小) ，通过相应的测量电路把这一 电阻变化转换为电信号( 电压或电流) 变化输出，从而完成了将重力转换 为电信号的过程。由此也可看出电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应 变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。 8 硕士学位论文 电阻应变式传感器的主要特点是1 8 j ： 量限宽，可以从几公斤到上百吨； 体积小，携带方便； 准确度高，一般优于5 1 0 4f s ； 生产定型，工艺成熟。 2 压电式称重传感器 压电式传感器的工作原理：是以获取压力信号，同时再经一些转换电路， 进行显示或提供给控制电路，以达到过程控制的目的装置，下面对其结构作 简单介绍。压电式传感器的结构如图3 1 所示，主要由托辊单元、弹性应变 体、5 片互相绝缘的压电晶片层叠并联联接而成的传感器元件、联接及预 紧螺栓、底座、信号引出线等组成。托辊、弹性应变体、传感元件和底座 等由联接螺栓预紧后构成一个整体，即构成压电式传感器。 图3 1 压电式称重传感器的结构示意图 1 托辊2 压电元件3 底座4 联接预紧螺栓5 信号引出线6 弹性应变体7 光 电脉冲发生器 压电式传感器在输送装置上的安装受力见图3 2 。设某一时刻，经过传感器 上的物体重量为g ( 1 个托辊间距l 的物体瞬时重量) ，其压力分量为，使 弹性应变体产生相应的弹性变形z ，使压电晶片产生与该变形成正比例的电荷 量q 信号输出，即 厶g | n l | c q so 【，n l = k a x ，厶q = k 2 x 矿 则有 g ；i 旦一q ( 3 1 ) 2 c 0 s a 式中墨一一弹性应变体的弹性系数 墨一一压电静体元件的弹性系数 口一一输送带倾角，( 。) 由式3 1 可得，物体重量与传感器的输出信号成正比。另外，称重传感器在 倾角为口的输送机测量物体重量时，须将信号放大1 c o s 口后送到d 转换器。 如要求运输机的倾角口可变时，可以人工调整后置放大器的放大倍数，也可以由 计算机软件来实现。 9 铜包装自动生产线配雨系统的称重及计_ ：晕= 精度的研究 图3 2 传感器在输送机上的安装与受力图 3 电容式传感器 电容式传感器是一种应用较为广泛的压力传感器，其原理十分简单。一 个无限大平板电容的电容值可以表示为： ca s d( 3 2 ) 占一一平行板间介质的介电常数； d 一一极板的间距； s 一一极板的覆盖面积 通过改变其中的某个参数就可以改变电容容量，因结构简单，故几乎 所有的电容式压力传感器均采用改变间隙的方法来获得可变电容。由于电 容式传感器的初始电容值比较小，一般为几十皮法，极易受到导线电容和 电路的分布电容的影响。 4 光纤式传感器1 1 1 j 光纤式传感器的工作原理：当重物通过光纤传感器是，系统测量出光 纤内反射光强度的改变，由此计算出动态重量值。光纤传感器较其它传感 器相比，具有很多优点：它不受电磁干扰( 包括光照射) 和表面震动的影 响、尺寸小质量轻、低功耗、能够在恶劣的环境中工作，且相应频率高。 但从经济上比较考虑其价格比较昂贵。 3 1 2 传感器的选择 称重传感器的选择首先要考虑使用的实际需求，除满足测量精度和主要技术 性能外，还要考虑到经济、实用方面的情况。称重传感器由于采用不同的弹性体 结构和采用的应变片性能不同，而在测量精度和其它性能方面会有所不同，且制 造工艺不同，生产成本会有很大的差别，价格也因之而不同，所以要综合考虑应 用的实际需求来选择合适的传感器，下面从以下4 个方面来说明传感器的选择方 法【l2 l 。 1 传感器精度选择 目前，称重传感器的普通精度为千分之五，中级精度为千分之二至万分之五， 高精度为万分之三至万分之一。传感器的精度包括额定载荷、灵敏度、非线性、 1 0 硕士学位论文 重复性、滞后性和蠕变等主要技术参数。实际选用时首先要考虑测量现场的系统 测量精度，按不同的要求选择不同精度等级的传感器，使其既能满足作用，价格 又合适。 2 传感器密封状态选择 工业使用的传感器考虑其长时间地连续使用，而且使用场合环境比较恶劣， 常常要求选用密封型传感器，以使传感器免受外界环境，如潮湿、粉尘、腐蚀气 体等影响，使其能保证测量精度和稳定性。根据其密封方式不同，按稳定性由低 到高排列为：胶质密封、橡胶密封、硅橡胶密封和焊接密封四种。 3 传感器量程选择 电子秤系统得实际应用场合往往是多个传感器联用的，因此选择传感器的量 程时必须考虑一下因素：被称量物体的最大重量；称台自重；传感器设置的数量； 正常操作下可能产生的最大偏载；称量状态下可能出现的动载和物体下落时的冲 击载荷；其他干扰力，如风压、振动等。 一般设计选用传感器工作在额定负荷的8 0 8 5 左右，这样既留有保险余 量又确保其精度。 4 传感器受力形式选择 传感器的受力形式基本上可以分为拉力和压力两类，因称重结构不同，传感 器在安装设计时，其受力状态不同，故从整体考虑出发考虑传感器的受力形式， 最终选定合适结构的传感器。平台承重可选用圆筒、板环、悬臂剪切梁或平行梁、 双剪切梁式弹性体压力传感器。斜斗、球罐承重体既可选用s 型、板环式弹性 梁的拉力传感器，也可选用圆筒或悬臂剪切梁式和压力环式拉、压力传感器。 根据以上传感器选择原则，首先要从精度上满足阴极铜包装生产线中的称 重的精度，此处选用中级精度的传感器；又因其工作环境比较恶劣，故此处采用 焊接密封的方式；从量程上，单垛铜板的重量范围为2 5 0 0 k g 1 0 0 ， 电子秤自 重一般为1 2 0 0 k g ，若取传感器的个数为4 个，根据多个传感器静态称重系统，可 知单个传感器的额定载荷应大于1 3 0 0 k g ；因其为平台承重，且有较大的冲击， 此处选用圆筒式弹性体压力传感器。 通过上节对各种传感器工作原理及性能特点的描述，可知电阻应变式传感器 较为适合。压电式与电容式等压力传感器容易受到外界环境干扰，长期连续工作 后稳定性得不到保障，而光纤式传感器价格较为昂贵，故此处选取电阻应变式传 感器。 铜包装自动生产线配重系统的称重及计量精度的研究 3 2 配重系统中电子秤的选择 电子秤是一种装有电子装置的秤，它是利用作用于物体上的重力来测量该物 体质量( 重量) 的计量仪器。称重过程中将被称重物置于秤台上，在重力作用下，秤 台将重力传递至支承头，使称重传感器弹性体产生形变，贴附于弹性体应变梁上的 应变计桥路失去平衡，输出与重量数值成比例的电信号，经线性放大器将信号放大， 再经a d 转换为数字信号，由微处理机( c p u ) 对重量信号进行处理后直接显示重 量数据，并可进行打印和综合管理。电子秤的工作原理框图如图3 3 0 一 图3 3 电子秤工作原理图 3 2 1 电子秤的选择原则 本系统电子秤的选择主要从以下几个方面进行考虑：外形尺寸和型式、密封 方式、精确度等级、额定量程、参数( 输出阻抗、灵敏度、供桥电压) 、数据输 出方式。 1 外形尺寸和型式的选择 因为本系统中所涉及的单块铜板的尺寸为：1 0 0 0 枣1 0 3 0 m m ，为确保称重过 程中铜板放置平稳无偏斜，需秤台尺寸大于单块铜板尺寸，但考虑到为使空间尽 量紧凑，称台尺寸不宜过大，这样为安装和调试都能带来便易，并且紧凑的安装 更易于传感器元件和补偿线路的集成，使称量更加准确、可靠。 2 密封方式 电子秤密封的好坏，不仅直接关系到长期工作的稳定性，而且密封不良也是 导致电子秤工作精度降低甚至损坏的重要因素。因此根据现场的形式来选择电子 秤的密封方式是非常必要的。一般在干燥的工作环境下，选择涂胶密封的电子秤； 在潮湿的工作环境下，要选择膜片焊接方式或抽真空充氮方式密封的电子秤；在 具有腐蚀性气体的场合，应选择用不锈钢外壳密封的电子秤。 3 精确度等级的选择 电子秤的精度直接关系到配重的精确，并对后续工位有着至关重要的影响， 1 2 硕士学位论文 如果电子秤的精度不够，便会影响到最终计量和分析，进而也会影响到企业统计 和最终效益。但称量精度并不能完全有电子秤来决定，同时还会受到很多外界因 素的影响，并且随着电子秤的使用，其精度就会逐渐的降低，最后直至报废。 4 额定量程的选择 不同的电子秤有着不同的量程，电子秤额定量程的合理选择是系统成败的关 键所在。选择电子秤的额定量程首先是由系统的配重范围：2 5 0 0 k g + 1 0 0 决定的 不能过大，也不能过小。同时电子秤的额定量程也要考虑到过载和冲击载荷等因 素，一般情况下额定量程与精确度等级有很大的关系，一般情况下，额定量程增 大，将使准确度等级降低，因此选择额定量程应综合考虑多种因素的影响，电子 秤选择后，应尽量使其承重载荷在其额定量程的3 0 7 0 之间。本系统选用的 电子秤的额定量程为5 0 0 0 k g 。 5 电子秤称重参数的选择 ，在选用电子秤时，主要考虑的技术参数有：线性度、灵敏度、稳定时间、分 度值、精确度等级、电源电压、数据接口、允许工作温度范围等。一般情况下， 被选用电子秤的线性度、灵敏度、稳定时间以满足实际要求为宜，过高增加成本， 过低不能满足精度的需求【l 3 。 6 数据输出方式的选择 电子秤数据的输出方式要有利于数据的采集和分析，电子秤已经集成了称重 传感器数据处理的功能，将非电量转换成电量进行输出。合理的输出方式可以减 轻以后数据处理的负担，并把其他的精力转到配重控制上面，有利于配重精度的 提高。 3 2 2 电子秤型号选定 为满足称重要求，使称重更加方便快捷，本系统选用s c s 系列电子钢材秤， 该秤是以微处理为控制核心的自动化计量设备，主要针对大重量板片状金属物资 计量而设计开发的特种衡器。秤体为钢性整体带有缓冲装置，备有各种基本单元， 可根据用户需要的长度和量程生产。整个设备便于维护保养，采用高精度电阻应 片式传感器、温度范围宽、抗冲击性强、有强力限位装置、性能稳定、工作可靠。 该产品针对工业生产采用整体结构，移动非常方便，可做为各种金属板的称重和 科学管理进出物资之用。钢材秤配套秤重显示仪表可选：x k 3 1 9 0 、h t 9 8 0 0 等。 可根据用户需要增设超载报警、打印机及大屏幕显示、称重软件等。 本系统的基本结构是由上秤台、缓冲秤台、下秤台、传感器、导向跟位柱、 弹簧、接线盒、仪表等组成。其结构图如下图3 4 所示，主要技术参数如表3 1 1 3 铜包装自动生产线配重系统的称重及计量精度的研究 所示。 下秤会及碾位 传感器