【文章內(nèi)容簡介】 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(lǐng)域中已經(jīng)成為一種必須的設(shè)備。而且目前幾乎所有的領(lǐng)域應(yīng)用的稱重裝置都使用了不同種類和規(guī)格的稱重傳感器。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(yīng)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(dāng)這種材料受到外力時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化效應(yīng)，獲得或失去一定量的電荷，從而帶電，當(dāng)加在其上的外力去掉時，材料恢復(fù)為不帶電狀態(tài)。這種特性稱為材料的壓電效應(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)體應(yīng)變式稱重傳感器和擴散型壓力電阻式稱重傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變式稱重傳感器的基本結(jié)構(gòu)類似于電阻應(yīng)變式稱重傳感器，不同點是利用半導(dǎo)體壓電材料代理電阻應(yīng)變式稱重傳感器的金屬材料制成電阻應(yīng)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(dǎo)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(yīng)變基片，因而測量精度穩(wěn)定性較差。(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(yīng)的材料，這種材料在受外力時會在內(nèi)部產(chǎn)生機械應(yīng)力，改變材料的磁導(dǎo)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(yīng)變式稱重傳感器 電阻應(yīng)變式稱重傳感器的基本功能是基于電阻應(yīng)變計實現(xiàn)的，電阻應(yīng)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(dāng)應(yīng)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(dǎo)致所在的應(yīng)變基片的電阻阻值產(chǎn)生變化。根據(jù)此原理，電阻應(yīng)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。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(yīng)，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(shè)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(yīng)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(biāo)、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(biāo)、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(biāo)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(biāo)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(fù)性和非線性等。選用的傳感器的不重復(fù)性、非線性和滯后三項指標(biāo)的均方根的值要略高于系統(tǒng)需求精度。傳感器的量程主要根據(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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(guān)重要，而且關(guān)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(yīng)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(yīng)變原理將力矩產(chǎn)生的應(yīng)變力轉(zhuǎn)換成與其線性關(guān)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(yīng)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(yīng)變式稱重傳感器的基本功能是基于電阻應(yīng)變計實現(xiàn)的，電阻應(yīng)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(dāng)應(yīng)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(dǎo)致所在的應(yīng)變基片的電阻阻值產(chǎn)生變化。根據(jù)此原理，電阻應(yīng)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。在各項參數(shù)指標(biāo)中額定載荷、靈敏度、推薦激勵電壓三項為關(guān)鍵參數(shù)，直接關(guān)系到傳感器的合理使用和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的正確計算。177。，表示當(dāng)傳感器受到額定載荷重量時，每1V激勵電壓下，177。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(shù)參數(shù)指標(biāo)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。安全過載120%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:φ5mm 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(guān)鍵指標(biāo)，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。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。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(dāng)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(fù)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(dāng)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(yīng)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(yīng)顯示設(shè)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(zhǔn)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(yīng)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(shè)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(shè)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(guān)系和測量穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但同時導(dǎo)致絕對式光電測速傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)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(yán)格，傳輸帶的震動等狀況會導(dǎo)致傳感器工作異常，造成測量數(shù)據(jù)損失。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(dāng)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。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(dāng)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(yīng)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(yīng)顯示設(shè)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。其技術(shù)參數(shù)指標(biāo)見表32 小結(jié)本部分主要介紹了系統(tǒng)所使用的主要器件及其性能參數(shù)及特點，包括單托輥稱架、稱重傳感器、測速傳感器、系統(tǒng)為處理器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的類型等。表32歐姆龍E6B2CWZ6C增量型旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)參數(shù)項目技術(shù)參數(shù)項目技術(shù)參數(shù)電源電壓5V～24V DC耗費電流*170mA以下辨率（脈沖/旋轉(zhuǎn)）2000輸出項A、B、Z、相輸出方式NPN集電極開路輸出輸出相位差A(yù)、B相位差90177。45℃（1/4177。1/8T）高響應(yīng)頻率*3100kHz輸出上升下降時間1us以下啟動力矩m以下慣性力矩1106kg㎡允許最高轉(zhuǎn)數(shù)6000r/min軸允許力徑向：30N軸向：20N環(huán)境濕度范圍35～85%RH（不結(jié)露）絕緣電阻30MΩ以上（DC500V兆歐表）耐電壓AC500V 50/60Hz震動耐久10～500HZ、在Hz保護回路負載短路保護環(huán)境溫度范圍運動：10~+70℃保存：25~+85℃沖擊耐久1000m/s2X、Y、Z方向保護結(jié)構(gòu)IEC規(guī)格IP50連接方式導(dǎo)線引出式材質(zhì)外殼：ABS本體：鋁軸：SUS420J2質(zhì)量約100g輸出容量30V