【正文】 1908 年第一個動態(tài)稱重專利在英國公布。自此，形成了較完整的動態(tài)稱重技術(shù)定義和動態(tài)稱重裝置，拉開了動態(tài)稱重技術(shù)發(fā)展的序幕。 (2)純機(jī)械式動態(tài)稱重裝置 第一代成熟的動態(tài)稱重裝置以純機(jī)械式皮帶秤為主導(dǎo)，只 有帶配重物的秤架結(jié)構(gòu)和增量式碼盤結(jié)構(gòu)的編碼裝置，實(shí)現(xiàn)了簡單的速度和重量數(shù)據(jù)的采集，但由于受到機(jī)械裝置制造水平的限制，精度很差，而且計(jì)量過程復(fù)雜繁瑣。1970 年英國制定了第一個系統(tǒng)的動態(tài)稱重檢驗(yàn)?zāi)Ｊ?，?biāo)志著動態(tài)稱重行業(yè)走上規(guī)范化道路。 (3)傳感器和儀表結(jié)合式動態(tài)稱重裝置 二戰(zhàn)后，隨著傳感器技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了傳感器和電子儀表結(jié)合的第二代動態(tài)稱重裝置。使用光電脈沖式或磁電脈沖式傳感器測量速度，電子儀表通過模擬積分放大電路或數(shù)字積分放大電路實(shí)現(xiàn)配重平衡、啟動識別和流量累加功能。第二代動態(tài)稱重裝置 在計(jì)量精度和計(jì)量過程簡化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在計(jì)量精度較低和缺乏誤差糾正等缺陷。 (4)傳感器和微機(jī)結(jié)合式動態(tài)稱重裝置 隨著近十年來傳感器制造工藝和微機(jī)智能技術(shù)的崛起，為動態(tài)稱重裝置的性能大幅度提高創(chuàng)造了有力條件。第四代動態(tài)稱重裝置不但在計(jì)量精度上有了長足進(jìn)步，而且在機(jī)構(gòu)集成化和功能完善化方面取得了進(jìn)步，可以根據(jù)企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需求研制不同類型的傳感器微機(jī)智能化動態(tài)稱重系統(tǒng)。 目前正在使用的傳輸帶動態(tài)稱重裝置種類繁多，結(jié)構(gòu)形式不同，分類依據(jù)多種多樣。從秤架結(jié)構(gòu)類型分有：單托輥秤架、多托輥雙 杠桿秤架、懸臂式秤架、懸浮式秤架等結(jié)構(gòu)，其中單托輥秤架由于結(jié)構(gòu)簡單、安裝便捷等特點(diǎn)，市場占有率較高。從使用的稱重傳感器類型分有：電阻應(yīng)變片式傳感器、磁壓式傳感器、差動變壓式傳感器和核子式傳感器等，其中電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用最為廣泛。 目前使用的動態(tài)稱重裝置較為成熟的有：電子傳輸帶稱重裝置、核子傳輸帶稱重裝置和激光 核子傳輸帶稱重裝置。 (1)電子傳輸帶稱重裝置 電子傳輸帶稱重裝置依靠稱重傳感器測量傳輸帶上的物料重量數(shù)據(jù)，一般使用接觸式測速傳感器測量傳輸帶運(yùn)行速度，這導(dǎo)致計(jì)量精度受制河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 3 于機(jī)械結(jié)構(gòu)，計(jì)量結(jié)果 誤差來自傳輸帶張力、自重、抖動等多種因素。所以這種動態(tài)稱重裝置計(jì)量精度不穩(wěn)定，維護(hù)工作繁瑣，需要每隔一段時(shí)間對裝置各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到所需精度。而且這種動態(tài)稱重裝置適用于大量散狀物料較長時(shí)間累積流量的連續(xù)計(jì)量，測量瞬時(shí)重量的精度不高，難以滿足某些對物料瞬時(shí)重量要求較高的使用場合。 (2)核子傳輸帶稱重裝置 核子傳輸帶稱重裝置是利用伽馬射線對傳輸帶上的物料進(jìn)行計(jì)量。當(dāng)伽馬射線強(qiáng)度一定時(shí)，射線穿過物料的衰減強(qiáng)度與物料的成分、密度、厚度等參數(shù)呈指數(shù)關(guān)系。計(jì)量時(shí)將載物時(shí)的射線強(qiáng)度的連續(xù)測量數(shù)據(jù)與傳輸帶空載 時(shí)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再與測量的傳輸帶速度進(jìn)行計(jì)算，可以直接得到物料的瞬時(shí)載荷重量、累積物料流量等計(jì)量數(shù)據(jù)。由于核子傳輸帶稱重裝置的工作原理是基于伽馬射線穿透物料時(shí)的衰減規(guī)律，是非接觸式測量，有安裝獨(dú)立簡便、后期維護(hù)容易、計(jì)量精度不受機(jī)械裝置影響等顯著優(yōu)點(diǎn)。但是，伽馬射線的衰減強(qiáng)度與射線方向上的物料厚度有直接關(guān)系，這使得核子傳輸帶稱重裝置的計(jì)量結(jié)果受物料形狀影響很大。實(shí)驗(yàn)證明，相同載荷的同種物料不同的擺放形式下，計(jì)量的結(jié)果相差很大，甚至高達(dá) 17%，存在物料形狀影響導(dǎo)致核子傳輸帶稱重裝置計(jì)量精度較差的問題。 (3)激光 — 核子傳輸帶稱重裝置 激光 核子傳輸帶稱重裝置工作原理是利用伽馬射線輻射測量傳輸帶上物料的密度，利用激光圖像分析來測量物料的堆積體積，進(jìn)而計(jì)算出傳輸帶上物料的重量。由于這兩種測量技術(shù)都是非接觸式測量，所以激光 核子傳輸帶稱重裝置具有：裝置結(jié)構(gòu)簡單、安裝便捷、不受機(jī)械性能影響、后期維護(hù)簡便、能準(zhǔn)確測量瞬時(shí)重量等顯著優(yōu)點(diǎn)。而且激光圖像分析技術(shù)彌補(bǔ)了核子測量技術(shù)的缺陷，測量結(jié)果不受傳輸帶上物料擺放形狀的影響，使得這種裝置計(jì)量精度較好。但是，這種裝置的成本較高，而且伽馬射線的輻射對物料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定 性和工作人員的身體健康都是不利的，所以激光 核子傳輸帶稱重裝置應(yīng)用并不普遍。 傳輸帶稱重技術(shù)最早傳入我國是在本世紀(jì) 60 年代，經(jīng)過幾十年來不斷的發(fā)展與完善，品種不斷增多，在我國工業(yè)生產(chǎn)自動化中發(fā)揮了巨大作用。傳輸帶稱重方式由靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)，計(jì)量方式由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，測量參數(shù)由單個參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄠€參數(shù)測量。隨著傳感器工藝的提高和微電子技術(shù)的崛起，我國傳輸帶動態(tài)稱重技術(shù)的研究得到了進(jìn)一步發(fā)展。但是，由于核心技術(shù)與工藝落后、機(jī)械設(shè)備與電子儀表老化、新產(chǎn)品研發(fā)能力欠缺等因素困擾，我國相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量和品種都與發(fā)達(dá)國家 相差甚遠(yuǎn)，而且功能單一，可靠性差。所以目前相關(guān)產(chǎn)品的性能和品種，不能滿足中國現(xiàn)在和未來的巨大市場需求，這就為傳輸帶動態(tài)稱重設(shè)備的研究開辟的廣闊前景。 國內(nèi)外稱重技術(shù)發(fā)展趨勢 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 4 隨著傳感器制作工藝和微機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，加之引入模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、建立數(shù)學(xué)模型、人工智能、阻尼振動理論等技術(shù)，稱重計(jì)量系統(tǒng)向著功能自適應(yīng)、智能化信息處理方向發(fā)展。國際上已經(jīng)取得了動態(tài)稱重技術(shù)的突破，稱重技術(shù)已經(jīng)跨入了高科技領(lǐng)域。 目前，稱重技術(shù)的主要發(fā)展趨勢為以下幾個方面： (1)小型化 體積小、重量輕、便于安裝調(diào)試 。近幾年稱重裝置的研究特點(diǎn)上，充分體現(xiàn)了秤架結(jié)構(gòu)向小、輕、薄方向發(fā)展。為了適應(yīng)低容量的計(jì)量場合，可將傳感器制成薄或超薄型稱重傳感器直接嵌入秤架受力的鋁板或鋼板底上與傳感器外徑一致的盲孔內(nèi)，從而組成低外形的秤架結(jié)構(gòu)，通過秤架的力學(xué)要求和額定載荷可以計(jì)算出稱重傳感器的安裝位置和使用數(shù)量。秤架的鋁板或鋼板就是稱重平臺，稱重傳感器既作為計(jì)量裝置，又作為秤架支點(diǎn)存在，這種設(shè)計(jì)極大地精簡了裝置結(jié)構(gòu)，減少了機(jī)械連接環(huán)節(jié)，不但縮減了制作成本，而且提高了裝置的可靠性和穩(wěn)定性。對于較大容量的平臺稱重裝置和電子地上稱重裝置，采用 長方形或正方形閉合截面的薄壁鋼排列成一個竹排式秤體結(jié)構(gòu)，在最外邊兩根薄壁鋼兩端的切口內(nèi)分別安裝 4個稱重傳感器，稱重傳感器的固定支撐結(jié)構(gòu)就是秤架的受力支點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)既能簡化稱體結(jié)構(gòu)，又能縮減稱體高度，是一種很有發(fā)展前景的設(shè)計(jì)方式。 (2)集成化 對于一些特定結(jié)構(gòu)的稱重裝置，如專用稱重裝置、小型電子秤、靜態(tài)電子軌道秤以及便攜式靜動態(tài)輪軸秤等產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)稱重傳感器與鋼軌，稱重傳感器與秤架，稱重傳感器與軌道秤臺的集成化。例如稱重傳感器與秤架集成化的靜動態(tài)便攜式電子輪軸秤，其集成化結(jié)構(gòu)由厚質(zhì)硬鋁合金板制成，主要 原理是通過固溶熱處理來強(qiáng)化硬鋁合金板，在合金板 4個角通過銑槽或鉆孔的方式安裝 4個懸梁式稱重傳感器，或者在合金板的地面通過銑槽或鉆孔的方式安裝多個剪切梁式稱重傳感器。從而使秤架與稱重傳感器高度集成化。 (3)智能化 稱重裝置的計(jì)量顯示與控制部分與微型計(jì)算機(jī)相連，通過微型計(jì)算機(jī)的智能化處理增加稱重裝置的顯示和控制功能。使得稱重裝置在保留原有功能基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)、自診斷、自組織、推理和判斷等智能功能。這方面提高就是智能化稱重裝置的顯示與控制器與目前普遍使用的微機(jī)控制顯示與控制器的主要區(qū)別所在。 (4)綜合化 稱重技術(shù)未來的發(fā)展方向是在加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)上擴(kuò)大應(yīng)用范圍，擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域，向相關(guān)行業(yè)和學(xué)科滲透，應(yīng)用各個學(xué)科的技術(shù)綜合化的解決計(jì)量稱重、信息處理、自動控制等問題。對于某些應(yīng)用場合，只具備計(jì)量、顯示、量化等功能的稱重裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求。隨著生產(chǎn)自動化和管理一體化的進(jìn)程的不斷推進(jìn)，稱重裝置應(yīng)具備：稱重、計(jì)價(jià)、提供各項(xiàng)相關(guān)信息、出入庫管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等各項(xiàng)功能。需河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 5 要電子稱重設(shè)備與計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)相連，共同組成一個綜合化生產(chǎn)控制系統(tǒng)。 (5)組合化 在某些重量計(jì)量場合或過程中，為滿足實(shí)際需求，還需要電子 稱重裝置具備一定的組合能力。如機(jī)械部分根據(jù)實(shí)際場合的調(diào)整，與外圍設(shè)備的組合，系統(tǒng)硬件與外圍設(shè)備的連接，調(diào)節(jié)計(jì)量范圍和精度，通過軟件設(shè)置調(diào)整輸入輸出方式、通信方式等功能。 主要工作及論文結(jié)構(gòu) (1)進(jìn)行系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)規(guī)劃 將軟、硬件按實(shí)現(xiàn)的功能劃分成析系統(tǒng)所用各傳感器的性能，全面了解被采集信號的各項(xiàng)指標(biāo)。 (2)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件及制作 PCB 板 實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)稱重傳感器和 采集、上位機(jī)通信、在線編程等功能，制作原 理圖及 PCB 板圖。 本論文結(jié)構(gòu)如下： 1 緒論 闡述了本課題的研究背景及意義，介紹內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn) 狀，最后總結(jié)了自己所做的工作，并且給出了論文 結(jié)構(gòu)。 2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 提出了傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)的總體系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和計(jì)量原理。詳細(xì)說明了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。 3 系統(tǒng)器件簡介 主要包 括稱架和傳感器類型，系統(tǒng)微處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇。 4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 詳細(xì)介紹系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)， 數(shù)據(jù)采集電路和通信接口的設(shè)計(jì)，傳感器接口設(shè)計(jì)， 現(xiàn)場總線接口的擴(kuò) 展，重點(diǎn)介紹 基于 AD7730 芯片的稱重傳感器數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 6 2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)由五部分構(gòu)成：秤架、稱重傳感器 、測速傳感器、數(shù)據(jù)采 集電路和工控計(jì)算機(jī)。采用單托輥秤架、梁式稱重傳感器和接觸式測速傳感器的傳 輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 21所示。 圖 21 傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 物料在傳輸狀態(tài)下，稱重傳感器和測速傳感器將傳輸帶上物料的瞬時(shí)重量和瞬時(shí)速度轉(zhuǎn)換成電信號，數(shù)據(jù)采集電路采集該電信號并進(jìn)行適當(dāng)處理，然后送入工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行量化和計(jì)算，最后顯示流量累計(jì)結(jié)果。擴(kuò)展功能通常是靠開發(fā)軟件完成的，如監(jiān)控功能、報(bào)警功能以及數(shù)據(jù)庫相關(guān)功能。 動態(tài)稱重計(jì)量原理 數(shù)據(jù)采集電路 工控計(jì)算機(jī) 稱重傳感器 測速傳感器 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 7 通常情況下，計(jì)算傳輸帶上 物料的流量需要采集物料的瞬時(shí)重量數(shù)據(jù)和傳輸帶的瞬時(shí)速度數(shù)據(jù)。物料的瞬時(shí)重量需要連續(xù)采樣或者周期采樣計(jì)量區(qū)段傳輸帶托輥所受到的壓力。傳輸帶的瞬時(shí)速度可以通過接觸式和非接觸式兩種方式獲得，再經(jīng)過一定的算法來減小誤差。物料的瞬時(shí)重量和傳輸帶的瞬時(shí)速度進(jìn)行運(yùn)算，可得傳輸帶上物料的瞬時(shí)重量和累計(jì)流量。瞬時(shí)重量為某一瞬間傳輸帶上的物料重量，累計(jì)流量為某一段時(shí)間內(nèi)傳輸帶上所通過的物料總重量。目前主要通過積分法和累加發(fā)計(jì)算物料的瞬時(shí)重量和累計(jì)流量。 目前計(jì)算物料流量和累計(jì)重量主要采用的方法有積分法和累加法 (1)積分法 積分法計(jì)量流量時(shí)，首先測量傳輸帶上輸送的物料的瞬時(shí)重量 q(kg/m)和相同時(shí)刻傳輸帶的瞬時(shí)速度 u(m/s)，相乘可以得到傳輸帶上物料的瞬時(shí)流量W(t)(kg/m)： qutW ?)( (21) 式（ 21）算出的是傳輸帶某一時(shí)刻的瞬時(shí)流量，但傳輸帶上的物料瞬時(shí)重量和傳輸帶的瞬時(shí)速度都是隨時(shí)間不斷變化的，所以瞬時(shí)流量 W(t)對時(shí)間的積分可以得出 T段時(shí)間內(nèi)傳輸 帶的累積物料流量 W： ?? T dttwW0 )(=?T dttutq0 )()( （ 22） 式中 q(t)— 瞬時(shí)荷重值 u(t)— 瞬時(shí)皮帶速度 傳輸帶的速度可由采樣間隔距離δ L 和走過δ L段程度所消耗的時(shí)間 T來計(jì)算： TLu δ? （ 23） 式中 T— 走過占δ L長度所需的時(shí)間 δ L— 采樣間隔行程 (2)累加法 用累加法計(jì)量傳輸帶上物料流量時(shí)，傳輸帶每移動距離 S時(shí)，就對傳輸帶的瞬時(shí)重量采集一次，這是傳輸帶整體的加權(quán)重量，會與實(shí)際重量有一定的差距。然后通過近幾次的瞬時(shí)總量采樣計(jì)算出 S段的瞬時(shí)重量值 qi。把 n段測量的瞬時(shí)重量累加就讀出傳輸帶走過 nS段長度的累積流量 W： ?? ????? ni nqqqqW 1 321 )......( （ 24） 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 8 累加法計(jì)量原理如圖 22 所示 圖 22 累加法計(jì)算物料流量 t 時(shí)刻傳輸帶上物料的瞬時(shí)重量可以由 W 對時(shí)間微分求的 ： dtdwtW ?)( (25) 使用累加法計(jì)算物料流量可以很好的減少皮帶跳變和傳感器轉(zhuǎn)換誤差對計(jì)量結(jié)果的影響，并且經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明使用累加法要比采用積分法的準(zhǔn)確度高，所以對計(jì)量精度要求嚴(yán)格的系統(tǒng)均采用累加法方式計(jì)量。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)正是基于累加法計(jì)量物料流量和累計(jì)重量。 小結(jié) 本部分提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，闡述了傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和計(jì)量 原理。詳細(xì)說明了本系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的功能，介紹兩種基本計(jì)量算法，對優(yōu)缺點(diǎn) 進(jìn)行了對比，選擇累加法作為系統(tǒng)的基本計(jì)量算法。 nS S 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 9 3 系統(tǒng)器件簡介 秤架和傳感器 傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)的載重部分稱為秤架。秤