【文章內容簡介】 新舊國標有質的差異。傳統(tǒng)概念上，負荷傳感器是稱重傳感器、測力傳感器的統(tǒng)稱，用單項參數(shù)評價它的計量特性。舊國標將應用對象和使用環(huán)境條件完全不同的“稱重”和“測力”兩種傳感器合二為一來考慮，對試驗和評價方法未給予區(qū)分。舊國標共有21項指標，均在常溫下進行試驗；并用非線性、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度附加誤差以及額定輸出溫度附加誤差6項指標中的最大誤差，來確定稱重傳感器準確度等級，、......。 衡器上使用的一種力傳感器。它能將作用在被測物體上的重力按一定比例轉換成可計量的輸出信號?？紤]到不同使用地點的重力加速度和空氣浮力對轉換的影響，稱重傳感器的性能指標主要有線性誤差、滯后誤差、重復性誤差、蠕變、零點溫度特性和靈敏度溫度特性等。在各種衡器和質量計量系統(tǒng)中，通常用綜合誤差帶來綜合控制傳感器準確度，并將綜合誤差帶與衡器誤差帶聯(lián)系起來，以便選用對應于某一準確度衡器的稱重傳感器。國際法制計量組織(OIML)規(guī)定，傳感器的誤差帶δ占衡器誤差帶Δ的70％，稱重傳感器的線性誤差、滯后誤差以及在規(guī)定溫度范圍內由于溫度對靈敏度的影響所引起的誤差等的總和不能超過誤差帶δ。這就允許制造廠對構成計量總誤差的各個分量進行調整，從而獲得期望的準確度。 稱重傳感器按轉換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應變式等8類，以電阻應變式使用最廣。 電阻應變式稱重傳感器原理：電阻應變式稱重傳感器是基于這樣一個原理，彈性體（彈性元件，敏感梁）在外力作用下產生彈性變形，使粘貼在他表面的電阻應變片（轉換元件）也隨同產生變形，電阻應變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化（增大或減?。?，再經相應的測量電路把這一電阻變化轉換為電信號（電壓或電流），從而完成了將外力變換為電信號的過程。 由此可見，電阻應變片、彈性體和檢測電路是電阻應變式稱重傳感器中不可缺少的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。 電阻應變片 電阻應變片是把一根電阻絲機械的分布在一塊有機材料制成的基底上，即成為一片應變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。 設有一個金屬電阻絲，其長度為L，橫截面是半徑為r的圓形，其面積記作S，其電阻率記作ρ，這種材料的泊松系數(shù)是μ。當這根電阻絲未受外力作用時，它的電阻值為R： R=ρL/S（Ω）（24） 當他的兩端受F力作用時，將會伸長，也就是說產生變形。設其伸長ΔL，其橫截面積則縮小，即它的截面圓半徑減少Δr。此外，還可用實驗證明，此金屬電阻絲在變形后，電阻率也會有所改變，記作Δρ。 對式（24）求全微分，即求出電阻絲伸長后，他的電阻值改變了多少。我們有： ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2 （25） 用式（24）去除式（25）得到 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S （26） 另外，我們知道導線的橫截面積S=πr2，則Δs=2πr*Δr，所以 ΔS/S=2Δr/r （27） 從材料力學我們知道: Δr/r=μΔL/L （28） 其中，負號表示伸長時，半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應泊松系數(shù)。把式（27）（28）代入（26），有 ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L =（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L =K*ΔL/L （29） 其中 K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L） （210） 式（29）說明了電阻應變片的電阻變化率（電阻相對變化）和電阻絲伸長率（長度相對變化）之間的關系。 需要說明的是：靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質決定的一個常數(shù)，它和應變片的形狀、尺寸大小無關，—；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。在材料力學中ΔL/L稱作為應變，記作ε，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便 常常把它的百萬分之一作為單位，記作με。這樣，式（29）常寫作： ΔR/R=Kε (211) 彈性體 彈性體是一個有特殊形狀的結構件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產生反作用力，達到相對靜平衡；其次，它要產生一個高品質的應變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應變片比較理想的完成應變棗電信號的轉換任務。 以托利多公司的SB系列稱重傳感器的彈性體為例，來介紹一下其中的應力分布。 設有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。 肓孔底部中心是承受純剪應力，但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應力。主應力方向一為拉神，一為壓縮，若把應變片貼在這里，則應變片上半部將受拉伸而阻值增加，而應變片的下半部將受壓縮，阻值減少。下面列出肓孔底部中心點的應變表達式，而不再推導。 ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2h2）+bh2）/（B（H3h3）+bh3） （212） 其中：Q截面上的剪力；E揚氏模量：μ—泊松系數(shù)；B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。 需要說明的是，上面分析的應力狀態(tài)均是“局部”情況，而應變片實際感受的是“平均”狀態(tài)。 檢測電路 檢測電路的功能是把電阻應變片的電阻變化轉變?yōu)殡妷狠敵?。因為惠斯登電橋具有很多?yōu)點，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應用。 其具體原理如下：惠斯登電橋原理圖1中，接通電源，調節(jié)電橋平衡，即調節(jié)電橋四個“臂”RRRRx，當檢流計G的指針指零，B、D兩點電位相等，則有 式稱為比率k。，，1, 10，100，1000七檔。根據待測電阻Rx大小選擇K，調節(jié)R3使檢流計G為零，由Rx = KR3 求出待測電阻Rx值。電流計G 的 B、D兩點電位 由上式看出，當R1R3 = R2Rx時，電流計G 的 B、D兩點電位差Uo=0，電橋處于平衡，這就是惠斯登電橋。 因為全橋式等臂電橋的靈敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。 綜上所述，由于全橋式等臂電橋靈敏度很高，而且抗干擾能力很強，結合本系統(tǒng)的實際情況和運行所需，本系統(tǒng)采用電阻應變式全橋電路來檢測皮帶上的重量信號。 調節(jié)模塊—可控硅（SCR）符號簡化與實物如圖2. 5所示：圖2. 5 符號簡化與實物圖 圖2. 6 可控硅等效模型、電路 可控硅是可控硅整流元件的簡稱,如圖2. 6所示，是一種具有三個PN 結的四層結構的大功率半導體器件,，還可以用作無觸點開關以快速接通或切斷電路，實現(xiàn)將直流電變成交流電的逆變，將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電等等?？煽毓韬推渌雽w器件一樣，其有體積小、效率高、穩(wěn)定性好、工作可靠等優(yōu)點。它的出現(xiàn)，使半導體技術從弱電領域進入了強電領域，成為工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、軍事科研以至商業(yè)、民用電器等方面爭相采用的元件。 晶閘管T在工作過程中，它的陽極A和陰極K與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極K與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。 從晶閘管的內部分析工作過程： 晶閘管是四層三端器件，它有JJJ3三個PN結，可以把它中間的NP分成兩部分，構成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復合管。 當晶閘管承受正向陽極電壓時，為使晶閘管導銅，必須使承受反向電壓的PN結J2失去阻擋作用。每個晶體管的集電極電流同時就是另一個晶體管的基極電流。因此，兩個互相復合的晶體管電路，當有足夠的門極電流流入時，就會形成強烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導通，晶體管飽和導通。 當晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘關處于正向阻斷狀態(tài)。當晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經NPN管的發(fā)射結，從而提高起點流放大系數(shù)a2,產生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產生更大的極電極電流Ic1流經NPN管的發(fā)射結。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。這時，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向導通狀態(tài)。 在晶閘管導通后，即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導通。晶閘管在導通后，門極已失去作用。在晶閘管導通后，如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時，晶閘管恢復阻斷狀態(tài)。綜上所述，本系統(tǒng)所用可控硅選擇常用的S1612NH。 主控模塊—LPC213X LPC2131/2132/2134/2136/2138微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMIS CPU，并帶有32kB、64kB、128kB、256kB和512kB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。 較小的封裝和很低的功耗使LPC2131/2132/2134/2136/2138特別適用于訪問控制和POS機等小型應用中；由于內置了寬范圍的串行通信接口和8/16/32kB的片內SRAM，它們也非常適合于通信網關、協(xié)議轉換器、軟件modem、語音識別、低端成像，為這些應用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能。多個32位定時器、1個或2個10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應用以及醫(yī)療系統(tǒng)。其特性如下：l 16/32位ARM7TDMIS核，超小LQFP64封裝。l 8/16/32kB的片內靜態(tài)RAM和32/64/128/256/512kB的片內Flash程序存儲器， 128位寬度接口/加速器可實現(xiàn)高達60MHz工作頻率。 l 通過片內boot裝載程序實現(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應用編程(ISP/IAP)。單個Flash扇區(qū)或整片擦除時間為400ms。256字節(jié)行編程時間為1ms。l EmbeddedICE RT和嵌入式跟蹤接口通過片內RealMonitor軟件對代碼進行實時調試和高速跟蹤。l 1個(LPC2131/32)或2個(LPC2134/36/38)8路10位的A/D轉換器，共提供16路模擬輸入。l 1個10位的D/A轉換器，可產生不同的模擬輸出。l 2個32位定時器/外部事件計數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門狗。l 低功耗實時時鐘具有獨立的電源和特定的32kHz時鐘輸入。l 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。l 小型的LQFP64封裝上包含多達47個通用I/O口(可承受5V電壓)。l 多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。l 通過片內PLL(100us的設置時間)可實現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率。l 片內集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為1～30 MHz，與外部振蕩器的操作頻率范圍高達50MHz。l 多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C總線（400kbit/s）、 SPI和具有緩沖作用和數(shù)據長度可變功能的SSP。l 低功耗模式：空閑和掉電。l 可通過個別使能/禁止外部功能和外圍時鐘分頻來優(yōu)化功耗。l 通過外部中斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒。l 單電源，具有上電復位(POR)和掉電檢測(BOD)電路，CPU操作電壓范圍：~ (177。10%)，I/O口可承受5V的電壓。 本系統(tǒng)設計采用廣州周立功單片機有限公司的LPC2131微處理器，它不但性能穩(wěn)定，數(shù)據獲取、存儲、傳輸精確，而且功能強大，有強大的拓展空間，便于系統(tǒng)的拓展與功能升級，而沒有選擇單片機。 本章首先介紹了配料系統(tǒng)的設計目標：精確、高效、實時監(jiān)控、自動化程度高。而實際稱量配料系統(tǒng)中，高效和精確往往是相互矛盾的。一般配料系統(tǒng)對稱量配料過程的生產率都有規(guī)定，在給定的生產率前提下，使配料精度達到要求即可。在隨后的章節(jié)中，不但全面闡述了系統(tǒng)總體設計思路和方案，而且詳細論證了本系統(tǒng)各個模塊的參數(shù)要求，結合系統(tǒng)實際需求和現(xiàn)有條件，最終通過比較得出最佳實施方案。第三章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)電路總體設計整個系統(tǒng)以LPC2131微控制器為核心，對皮帶料重，過零點等參數(shù)進行檢測，經運算比較，控制可控硅觸發(fā)等相應的執(zhí)行機構，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。整個電路系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：過零檢測電路：檢