【文章內(nèi)容簡介】 將秤架瞬時重量和傳輸帶瞬時速度值轉(zhuǎn)換成電信號，并由數(shù)據(jù)采集裝置采集。 稱架介紹 在系統(tǒng)計量過程中，由于運行中的傳輸帶的張力，抖動和跑偏等因素對流量計量結(jié)果的影響甚大，這種影響又稱“皮帶效應”。為減輕這種影響，以及安裝難度和設備成本等考慮，秤架的種類繁多。 單托輥秤架因其安裝方便，維護量低，信號響應速度快等明顯優(yōu) 點，占據(jù)了市場份額的 50%以上，但在秤架設計中沒有消除傳輸帶張力對稱重結(jié)構(gòu)的影響，需要設計算法來消除誤差。為保證研究的普遍意義和實用價值，本系統(tǒng)選擇單托輥秤架作為研究對象，并通過算法有效消除了水平張力對計量結(jié)果的影響。 稱重傳感器只安裝在一組托輥上的稱架結(jié)構(gòu)稱為單托輥稱架 .如圖 31所示，單托輥稱架由安裝了稱重傳感器的稱重托輥，稱重托輥相鄰的兩組過渡托輥和稱架支撐結(jié)構(gòu)共同組成。其中稱架支撐結(jié)構(gòu)分為平衡杠杠支撐和直接支撐，平衡杠杠支撐結(jié)構(gòu)還可以選擇是否配置平衡重物。 圖 31 配置平 衡重物的單托輥稱架結(jié)構(gòu)示意圖 配置平衡重物重量可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)傳輸帶空載時對稱重傳感器的壓力，有利于系統(tǒng)過渡托輥 稱重托輥 傳輸 稱重傳感器 支撐架 配置平衡重物 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 10 10 零點標定，確保計量精度。 稱重傳感器介紹 與選擇 稱重傳感器是將作用在其上的壓力轉(zhuǎn)換為等比例的電信號的儀器。隨著科學技術的迅猛發(fā)展，稱重裝置因其能實現(xiàn)對被測對象的迅速、精確稱量，在各行各業(yè)得到廣泛應用，而稱重傳感器正是稱重裝置的核心部件。尤其是傳感器材料技術和傳感器制作工藝的不斷提高，使得基于稱重傳感器的稱重裝置的計量區(qū)間向大噸位和微量物體兩個方向不斷延伸，并且在工業(yè)自動化控制領域中已經(jīng)成為一種必須的 設備。而且目前幾乎所有的領域應用的稱重裝置都使用了不同種類和規(guī)格的稱重傳感器。 稱重傳感器的分類 目前使用的稱重傳感器種類繁多，可按工作原理分類為：壓力 電荷式、壓力 電阻式、壓力 電磁式和電阻應變式稱重傳感器。下面分別介紹： (1)壓力 電荷式稱重傳感器 壓力 電荷式稱重傳感器的工作原理是基于一種離子電材料，當這種材料受到外力時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化效應，獲得或失去一定量的電荷，從而帶電，當加在其上的外力去掉時，材料恢復為不帶電狀態(tài)。這種特性稱為材料的壓電效應，這種材料稱為壓電材料。 壓力 電荷 式稱重傳感器的基本工作原理就是采用這種材料研制而成的，壓力 電荷式稱重傳感器的固有頻率較高，所以在適用高頻響應的場合要優(yōu)于其他種類的稱重傳感器。 (2)壓力 電阻式稱重傳感器 壓力 電阻式稱重傳感器的基本工作原理是基于一種具有壓阻效應的材料，這種材料在收到外力后會產(chǎn)生形變，并且它的電阻會隨之產(chǎn)生變化。利用帶有壓阻效應的材料制成的傳感器就稱為壓力 電阻式稱重傳感器。根據(jù)具體材料性質(zhì)的不同，可將壓力 電阻式稱重傳感器分為半導體應變式稱重傳感器和擴散型壓力 電阻式稱重傳感器。 半導體應變式稱重傳感器的基本結(jié)構(gòu)類 似于電阻應變式稱重傳感器，不同點是利用半導體壓電材料代理電阻應變式稱重傳感器的金屬材料制成電阻應變片，雖然也容易損壞，但與金屬材料相比具有靈敏度高和體積小等優(yōu)點。 擴散型壓力 電阻式稱重傳感器所采用的壓電材料是半導體單晶硅。由于單晶硅材料各項極性相異，所以要根據(jù)實際受力形變情況來加工特定的應變基片，因而測量精度穩(wěn)定性較差。 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 11 11 (3)壓力 電磁式稱重傳感器 壓力 電磁式稱重傳感器的基本工作原理是基于一種具有壓磁效應的材料，這種材料在受外力時會在內(nèi)部產(chǎn)生機械應力，改變材料的磁導系數(shù)。壓力 電磁式稱重傳感器就是基 于這種材料制成的。 (4)電阻應變式稱重傳感器 電阻應變式稱重傳感器的基本功能是基于電阻應變計實現(xiàn)的，電阻應變計由電阻絲在絕緣基片上制作而成，根據(jù)電阻大小與直徑成反比于電阻長度成正比的基本原理，當應變基片受到外力作用是，其上金屬絲直徑和長度都會發(fā)生細微的變化，導致所在的應變基片的電阻阻值產(chǎn)生變化。根據(jù)此原理，電阻應變式稱重傳感器可以將受力量轉(zhuǎn)換為電信號。由于電阻阻值只能產(chǎn)生細微變化，所以要使用惠斯頓橋式測量電路測量?；菟诡D橋式測量電路要求四個組成電阻的阻值相差量很小。 稱重傳感器的選擇 傳輸 帶動態(tài)稱重系統(tǒng)使用的稱重傳感器要具備以下幾個特征： (1)具有較高的穩(wěn)定應，能在投料或輸送時造成的沖擊或振動下正常工作，而且各項系數(shù)漂移量較小。 (2)零點漂移和溫漂系數(shù)較小，可以在不同溫度環(huán)境下使用。 (3)裝卸簡便。傳輸帶動態(tài)稱重設備一般在大量散狀物料輸送過程中使用，不能允許整個進度停滯過長時間。 (4)密封性好。防潮防粉塵，能夠適應較惡劣的工作場合。 (5)較好的抗跑偏與偏載性能。因為在傳輸過程中，物料分布是不均勻的，作用力偏離重心的情況是不可避免的。 具備了以上幾個特性的稱重傳感器，在實際使用時還要 考慮多方面因素。如傳感器的類型、傳感器的精度指標、傳感器的使用數(shù)量和傳感器的使用環(huán)境等諸多因素。 (1)傳感器的類型 傳感器類型的選擇時首先要了解傳感器各項信息，如性能指標、安裝方法、原理結(jié)構(gòu)、受力方式、材料材質(zhì)等，這些一般由制造廠商提供。然后主要考慮稱重場合性質(zhì)和安裝空間問題，既要保證安裝穩(wěn)定，又要保證測量可靠安全。如材質(zhì)電橋傳感器適用于汽車稱量和軌道稱量等；鋁質(zhì)懸梁式傳感器適用于普通電子稱、平臺秤和案秤等；鋼質(zhì)柱式傳感器適用于汽車稱量、動態(tài)軌道稱量和大噸位料斗稱量等。 (2)傳感器的精度和量程 選擇傳感器的精度指標時不能盲目尋求高精度的傳感器，要綜合考慮實際稱重場合的需求和成本等問題。通常情況下，傳感器指標包括蠕變系數(shù)、靈敏度、額定載荷、零點溫漂、綜合誤差、滯后、不重復性和非線性等。選用的傳感器的不重復性、非線性和滯后三項指標的均方根的值要略高于系統(tǒng)需求精度。傳感河北工程大學畢業(yè)設計說明書 12 12 器的量程主要根據(jù)秤架自重、造成的最大偏載、安裝傳感器數(shù)量和動態(tài)計量等標準綜合考慮來選擇。在傳輸帶動態(tài)計量時，秤架分配到各個傳感器的載荷量越接近傳感器量程，計量精度和穩(wěn)定性越高。在現(xiàn)場實際條件下，除了考慮分配到傳感器的載荷量之外，秤架重量、 傳輸帶自重、動態(tài)振動、下料沖擊等因素也會影響傳感器的量程選擇。 (3)傳感器使用數(shù)量 在選擇傳感器的使用數(shù)量時，主要考慮電子稱重裝置的實際受力結(jié)構(gòu)、秤架支撐點的數(shù)量和稱重裝置的用途等因素，其中秤架支點個數(shù)應由秤架實際重心和秤架幾何重心重合的原理而定。通常情況下，傳感器的使用數(shù)量等于秤架支點的數(shù)量，但也存在特殊情況，如存在吊梁結(jié)構(gòu)的秤架只能在吊梁連接點處使用一個傳感器。 (4)傳感器使用環(huán)境 傳感器的使用環(huán)境是一項重要的考慮因素，實際環(huán)境中的溫濕度、粉塵、振動等要素對于正確選擇傳感器至關重要，而且關系 到傳感器的使用壽命、安全穩(wěn)定性和測量精度。 在動態(tài)稱重中，稱重傳感器的選擇對整個系統(tǒng)的計量精度和響應速度有直接影響，所以要結(jié)合實際需求根據(jù)以上條件綜合考慮。由于懸梁式稱重傳感器是基于電阻應變原理將力矩產(chǎn)生的應變力轉(zhuǎn)換成與其線性關系的電信號，而且承載方式為平面載重，抗偏載和抗側(cè)向能力強。固本系統(tǒng)的稱重傳感器選用寧波柯力電氣制造公司的懸梁式傳感器，該傳感器是電阻應變片式傳感器的一種。 其外形如圖 32所示。 圖 32 柯力電氣制造公司的懸梁式傳感器 電阻應變式稱重傳感器 的基本功能是基于電阻應變計實現(xiàn) 的，電阻應變計由電阻絲在絕緣基片上制作而成，根據(jù)電阻大小與直徑成反比于電阻長度成正比的基本原理，當應變基片受到外力作用是，其上金屬絲直徑和長度都會發(fā)生細微的變化，導致所在的應變基片的電阻阻值產(chǎn)生變化。根據(jù)此原理，電阻應變式稱重傳感器可以將受力量轉(zhuǎn)換為電信號。由于電阻阻值只能產(chǎn)生細微變化，所以要使用惠斯頓橋式測量電路測量。惠斯頓橋式測量電路要求四個組成電阻的阻值相差量很小。 在各項參數(shù)指標中額定載荷、靈敏度、推薦激勵電壓三項為關鍵參數(shù)，直接關系到河北工程大學畢業(yè)設計說明書 13 13 傳感器的合理使用和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的正確計算。該傳感器的靈敏度為 177。 ，表示當傳感器受到額定載荷重量時，每 1V激勵電壓下，產(chǎn)生 177。 輸出電壓。 本系統(tǒng)實際采用激勵電壓為 10V時，額定載荷為 2t，則在 2t滿量程下，輸出電壓為 10 (177。 )mV。 其技術參數(shù)指標見表 31。 表 31稱重傳感器性能參數(shù) 項目性能 測試參數(shù) 項目性能 測試參數(shù) 額定載荷 2t 工作溫度范圍 30~+70℃ 靈敏度 177。 綜合誤差 177。 ％ 極限過載 200% 蠕變（ 30分鐘） 177。 ％ 推薦激勵電壓 10~12V DC 零點平衡 177。 1％ 最大激勵電壓 15V DC 零點溫度影響 177。 ％ ／ 10℃ 密封等級 Lp66 輸出溫度影響 177。 ％ ／ 10℃ 材質(zhì) 合金鋼 輸入阻抗 400177。 10Ω 電纜 — 輸出阻抗 352177。 3Ω — Length:4m 絕緣電阻 ≥ 5000MΩ — Diameter:φ 5mm 測速傳感器介紹 與分析 傳輸帶運行速度是計算動態(tài)稱重結(jié)構(gòu)的關鍵指標，所以測速傳感器是傳輸帶動態(tài)稱重系統(tǒng)的重要組成部分。測速傳 感器按轉(zhuǎn)換原理可分為數(shù)字方式和模擬方式，數(shù)字測速傳感器目前國內(nèi)外使用廣泛，使用模擬測速傳感器來檢測傳輸帶運行速度的方式基本不再使用。 測速傳感器分類 單就數(shù)字測速傳感器而言，其分類方式也很多。按傳感器采集速度信息的方式，可分為接觸式測速傳感器和非接觸式測速傳感器。其中按接觸式測速傳感器的接觸輪的大小又可分為寬式接觸傳感器和窄式測速傳感器。 河北工程大學畢業(yè)設計說明書 14 14 接觸式測速方式的基本原理是基于接觸傳輸帶的摩擦輪，當傳輸帶行駛時，依靠于傳輸帶之間的摩擦帶動自身運動，熱按通過光 電或磁 電式將速度信號轉(zhuǎn)換成電信號。接觸式 測速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、造價低廉，所以目前被廣為采用。但依靠摩擦力的原理限制了速度的測量精度。 非接觸式測速傳感器沒有與傳輸帶接觸的機械裝置。非接觸式測速傳感器理論上是可以消除接觸打滑、速度損耗等接觸式傳感器不能解決的問題，并且實現(xiàn)直接獲得傳輸帶速度的結(jié)果。但實際使用中還有很多未能解決的問題，目前主要體現(xiàn)為測量穩(wěn)定性差、影響結(jié)果因素多、結(jié)構(gòu)復雜、造價較高等方面，所以尚未廣泛使用。 按速度信息轉(zhuǎn)換為電信號的實現(xiàn)原理分類，可分為光 電式測速傳感器和磁 電式測速傳感器?，F(xiàn)在國外甚至出現(xiàn)了“多普勒”測量原理的 測速傳感器，國內(nèi)也已經(jīng)開發(fā)了相同原理測速傳感器。目前比較普遍的分類方式是分為光 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器和磁 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器。 (1)光 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器 光 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器的計量原理是由機械傳動裝置將傳輸帶運行時的速度轉(zhuǎn)換為光柵編碼圓盤的轉(zhuǎn)動速度，光柵圓盤的一邊放置光源，另一邊放置光感元件。當傳輸帶帶動光柵圓盤轉(zhuǎn)動時，速度轉(zhuǎn)換為光柵對光線的遮擋頻率，并通過光 電轉(zhuǎn)化生成脈沖信號或具體數(shù)字編碼。故光 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器又稱為光 電編碼器。 光 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器體積小、安裝簡便、精度高、應用范圍廣，實 現(xiàn)了數(shù)字測量和數(shù)字控制，連接計算機和相應顯示設備后可以實現(xiàn)實時控制和實時測量角位置。與其它種類測速傳感器相比，有性價比高、可靠性好、維護簡便等優(yōu)點。根據(jù)光柵圓盤的光柵形式可將光 電轉(zhuǎn)換式測速傳感器分為增量式光 電編碼器和絕 對式光電編碼器。 增量式光 電測速傳感器內(nèi)部圓盤上的光柵是等間距的，每道光柵為一個分辨區(qū)，產(chǎn)生一個周期脈沖信號，采集電路使用計數(shù)器對脈沖進行累加運算，以零點為基準位置，正轉(zhuǎn)累加，反轉(zhuǎn)遞減。增量式光 電測速傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快等優(yōu)點，但是中途中斷計數(shù)會造成測量數(shù)據(jù) 的缺失，而且會造成誤差積累。 絕對式光 電測速傳感器內(nèi)部圓盤上的光柵是按二進制碼規(guī)律排列的，由于為每一個分辨區(qū)間設計了不同的二進制碼，所以碼盤轉(zhuǎn)動的位置不同，編碼輸出的值也不同?；谶@種設計原理，絕對式光 電測速傳感器有固定零點、無誤差的累積、中斷后不會造成數(shù)據(jù)損失、輸出量與角度符合一定函數(shù)關系和測量穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但同時導致絕對式光 電測速傳感器結(jié)構(gòu)復雜、體積較大和安裝繁瑣。目前使用并不廣泛。 (2)磁 電式測速傳感器 磁 電式測速傳感器的工作原理與光 電式測速傳感器相河北工程大學畢業(yè)設計說明書 15 15 同，也分為增量式和絕對式。但是磁 電式測速傳感器對環(huán)境要就較嚴格，傳輸帶的震動等狀況會導致傳感器工作異常，造成測量數(shù)據(jù)損失。 測速傳感器選擇 綜合各方面因素考慮， 本系統(tǒng)測速傳感器選用歐姆龍 E6B2CWZ6C增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器屬于接觸式軸光電編碼器。 歐姆龍 E6B2CWZ6C光電編碼器。 外形如圖 33所示 圖 33 歐姆龍 E6B2CWZ6C 增量型旋轉(zhuǎn)編碼器 接觸式測速方式的基本原理是基于接觸傳輸帶的摩擦輪，當傳輸帶行駛時，依靠于傳輸帶之間的摩擦帶動自身運動，熱按通過光 電或磁 電式將速度信號轉(zhuǎn)換成電 信號。接觸式測速傳感器結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、造價低廉，所以目前被廣為采用。但依靠摩擦