【正文】 易中占據(jù)重要地位，其中動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量工具是不可缺少的計(jì)量工具。目前動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量工具已經(jīng)遍及各個(gè)領(lǐng)域，帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著近幾十年計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的崛起，動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)在智能化、數(shù)字化和計(jì)量迅速化方面都有了長(zhǎng)足進(jìn)步。所以新型 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)不但要能快速、準(zhǔn)確提供計(jì)量數(shù)據(jù)，還需要消除人為和環(huán)境造成的誤差，提高計(jì)量精度，并且應(yīng)具備計(jì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)管理等功能。廣泛應(yīng)用于大宗散狀固體物料或粉料的運(yùn)輸、加工、儲(chǔ)存行業(yè)，如港口、倉(cāng)庫(kù)、冶金、煤炭、電力、建筑和煙草等行業(yè)。隨著目前企業(yè)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和管理自動(dòng)化程度的不斷提高，迫切需要提高自身的生產(chǎn)效率，這就需要性能更好更完善的傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備。 本課題正是針對(duì)這一問(wèn)題，開發(fā)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)具有計(jì)量精度高，穩(wěn)定性好，并且系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)可視化和數(shù)保存打印功能，其界面直觀，便于使用，從而杜絕不真實(shí)計(jì)量現(xiàn)象，維護(hù)了企業(yè)和客戶的利益，方便了計(jì)量工作。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2 2 國(guó)內(nèi)外 發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)外稱重技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的發(fā)展可分為以下四個(gè)階段： (1)動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)起源 世界上最早的動(dòng)態(tài)稱重裝置出現(xiàn)在 19世紀(jì)末期的西方國(guó)家，用于輸送機(jī)對(duì)散狀固體物料動(dòng)態(tài)自動(dòng)稱重。 1908 年第一個(gè)動(dòng)態(tài)稱重專利在英國(guó)公布。 (2)純機(jī)械式動(dòng)態(tài)稱重裝置 第一代成熟的動(dòng)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(jiǎn)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(guò)程復(fù)雜繁瑣。 (3)傳感器和儀表結(jié)合式動(dòng)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(dòng)態(tài)稱重裝置。第二代動(dòng)態(tài)稱重裝置 在計(jì)量精度和計(jì)量過(guò)程簡(jiǎn)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。第四代動(dòng)態(tài)稱重裝置不但在計(jì)量精度上有了長(zhǎng)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(chǎng)環(huán)境的需求研制不同類型的傳感器微機(jī)智能化動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。從秤架結(jié)構(gòu)類型分有：?jiǎn)瓮休伋蛹堋⒍嗤休侂p 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(jiǎn)單、安裝便捷等特點(diǎn)，市場(chǎng)占有率較高。 目前使用的動(dòng)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。所以這種動(dòng)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(duì)裝置各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到所需精度。 (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(duì)傳輸帶上的物料進(jìn)行計(jì)量。計(jì)量時(shí)將載物時(shí)的射線強(qiáng)度的連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)與傳輸帶空載 時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，再與測(cè)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)。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。 (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(cè)量傳輸帶上物料的密度，利用激光圖像分析來(lái)測(cè)量物料的堆積體積，進(jìn)而計(jì)算出傳輸帶上物料的重量。而且激光圖像分析技術(shù)彌補(bǔ)了核子測(cè)量技術(shù)的缺陷，測(cè)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。 傳輸帶稱重技術(shù)最早傳入我國(guó)是在本世紀(jì) 60 年代，經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)不斷的發(fā)展與完善，品種不斷增多，在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中發(fā)揮了巨大作用。隨著傳感器工藝的提高和微電子技術(shù)的崛起，我國(guó)傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的研究得到了進(jìn)一步發(fā)展。所以目前相關(guān)產(chǎn)品的性能和品種，不能滿足中國(guó)現(xiàn)在和未來(lái)的巨大市場(chǎng)需求，這就為傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備的研究開辟的廣闊前景。國(guó)際上已經(jīng)取得了動(dòng)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。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。秤架的鋁板或鋼板就是稱重平臺(tái)，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(jiǎn)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。 (2)集成化 對(duì)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(dòng)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(tái)的集成化。從而使秤架與稱重傳感器高度集成化。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。 (4)綜合化 稱重技術(shù)未來(lái)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(gè)學(xué)科的技術(shù)綜合化的解決計(jì)量稱重、信息處理、自動(dòng)控制等問(wèn)題。隨著生產(chǎn)自動(dòng)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(kù)管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等各項(xiàng)功能。 (5)組合化 在某些重量計(jì)量場(chǎng)合或過(guò)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。 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(hào)的各項(xiàng)指標(biāo)。 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)。詳細(xì)說(shuō)明了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能。 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(chǎng)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)。采用單托輥秤架、梁式稱重傳感器和接觸式測(cè)速傳感器的傳 輸帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 21所示。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(kù)相關(guān)功能。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。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。目前主要通過(guò)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。然后通過(guò)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。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。詳細(xì)說(shuō)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(duì)優(yōu)缺點(diǎn) 進(jìn)行了對(duì)比，選擇累加法作為系統(tǒng)的基本計(jì)量算法。秤架安裝在傳輸帶輸送機(jī)上，在完成輸送功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳輸帶上物料的動(dòng)態(tài)稱重。 稱架介紹 在系統(tǒng)計(jì)量過(guò)程中，由于運(yùn)行中的傳輸帶的張力，抖動(dòng)和跑偏等因素對(duì)流量計(jì)量結(jié)果的影響甚大，這種影響又稱“皮帶效應(yīng)”。 單托輥秤架因其安裝方便，維護(hù)量低，信號(hào)響應(yīng)速度快等明顯優(yōu)點(diǎn)，占據(jù)了市場(chǎng)份額的 50%以上，但在秤架設(shè)計(jì)中沒(méi)有消除傳輸帶張力對(duì)稱重結(jié)構(gòu)的影響，需要設(shè)計(jì)算法來(lái)消除誤差。 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(guò)渡托輥和稱架支撐結(jié)構(gòu)共同組成。 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(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)傳輸帶空載時(shí)對(duì)稱重傳感器的壓力，有利于系統(tǒng)過(guò)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 10 零點(diǎn)標(biāo)定，確保計(jì)量精度。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，稱重裝置因其能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的迅速、精確稱量，在各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，而稱重傳感器正是稱重裝置的核心部件。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。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(shí)，內(nèi)部會(huì)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(shí)，材料恢復(fù)為不帶電 狀態(tài)。 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(chǎng)合要優(yōu)于其他種類的稱重傳感器。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。 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(diǎn)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(diǎn)。由于單晶硅材料各項(xiàng)極性相異，所以要根據(jù)實(shí)際受力形變情況來(lái)加工特定的應(yīng)變基片，因而測(cè)量精度穩(wěn)定性較差。壓力 電磁式稱重傳感器就是基于這種材料制成的。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(hào)?；菟诡D橋式測(cè)量電路要求 四個(gè)組成電阻的阻值相差量很小。 (2)零點(diǎn)漂移和溫漂系數(shù)較小，可以在不同溫度環(huán)境下使用。傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備一般在大量散狀物料輸送過(guò)程中使用，不能允許整個(gè)進(jìn)度停滯過(guò)長(zhǎng)時(shí)間。防潮防粉塵，能夠適應(yīng)較惡劣的工作場(chǎng)合。因?yàn)樵趥鬏斶^(guò)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。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。然后主要考慮稱重場(chǎng)合性質(zhì)和安裝空間問(wèn)題，既要保證安裝穩(wěn)定，又要保證測(cè)量可靠安全。 (2)傳感器的精度和量程 選擇傳感器的精度指標(biāo)時(shí)不能盲目尋求高精度的傳感器，要綜合考慮實(shí)際稱重場(chǎng)合的需求和成本等問(wèn)題。選用的傳感器的不重復(fù)性、非線性和滯后三項(xiàng)指標(biāo)的均方根的值要略高于系統(tǒng)需求精度。在傳輸帶動(dòng)態(tài)計(jì)量時(shí)，秤架分配到各個(gè)傳感器的載荷量越接近傳感器量程，計(jì)量精度和穩(wěn)定性 越高。 (3)傳感器使用數(shù)量 在選擇傳感器的使用數(shù)量時(shí)，主要考慮電子稱重裝置的實(shí)際受力結(jié)構(gòu)、秤架支撐點(diǎn)的數(shù)量和稱重裝置的用途等因素，其中秤架支點(diǎn)個(gè)數(shù)應(yīng)由秤架實(shí)際重心和秤架幾何重心重合的原理而定。 (4)傳感器使用環(huán)境 傳感器的使用環(huán)境是一項(xiàng)重要的考慮因素，實(shí)際 環(huán)境中的溫濕度、粉塵、振動(dòng)等要素對(duì)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(cè)量精度。由于懸梁式稱重傳感器是基于電阻應(yīng)變?cè)韺⒘禺a(chǎn)生的應(yīng)變力轉(zhuǎn)換成與其線性關(guān)系的電信號(hào)，而且承載方式為平面載重，抗偏載和抗側(cè)向能力強(qiáng)。 其外形如圖 32所示。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(hào)。惠斯頓橋式測(cè)量電路要求四個(gè)組成電阻的阻值相差量很小。該傳感器的靈敏度為 177。 輸出電壓。 )mV。 表 31稱重傳感器性能參數(shù) 項(xiàng)目性能 測(cè)試參數(shù) 項(xiàng)目性能 測(cè)試參數(shù) 額定載荷 2t 工作溫度范圍 30~+70℃ 靈敏度 177。 ％ 極限過(guò)載 200% 蠕變（ 30分鐘） 177。 1％ 最大激勵(lì)電壓 15V DC 零點(diǎn)溫度影響 177。 ％ ／ 10℃ 材質(zhì) 合金鋼 輸入阻抗 400177。 3Ω — Length:4m 絕緣電阻 ≥ 5000MΩ — Diameter:φ 5mm 測(cè)速傳感器介紹 與分析 傳輸帶運(yùn)行速度是計(jì)算動(dòng)態(tài)稱重結(jié)構(gòu) 的關(guān)鍵指標(biāo)，所以測(cè)速傳感器是傳輸帶動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的重要組成部分。 測(cè)速傳感器分類 單就數(shù)字測(cè)速傳感器而言，其分類方式也很多。其中按接觸式測(cè)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(cè)速傳感器。接觸式測(cè)速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低廉，所以目前被廣為采用。 非接觸式測(cè)速傳感器沒(méi)有與傳輸帶接觸的機(jī)械裝置。但實(shí)際使用中還有很多未能解決的問(wèn)題，目前主要體現(xiàn)為測(cè)量穩(wěn)定性差、影響結(jié)果因素多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高等方面，所以尚未廣泛使用?，F(xiàn)在國(guó)外甚至出現(xiàn)了“多普勒”測(cè)量原理的測(cè)速傳感器，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開發(fā)了相同原理測(cè)速傳感器。 (1)光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器 光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器的計(jì)量原理是由機(jī)械傳動(dòng)裝置將傳輸帶運(yùn)行時(shí)的速度轉(zhuǎn)換為光柵編碼圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，光柵圓盤的一邊放置光源，另一邊放置光感元件。故光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器又稱為光 電編碼器。與其它種類測(cè)速傳感器相比，有性價(jià)比高、可靠性好、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。 增量式光 電測(cè)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(gè)分辨區(qū)，產(chǎn)生一個(gè)周期脈沖信號(hào)，采集電路使用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行累加運(yùn)算，以零點(diǎn)為基準(zhǔn)位置，正轉(zhuǎn)累加，反轉(zhuǎn)遞減。 絕對(duì)式光 電測(cè)速傳感器內(nèi)部圓盤上的光柵是按二進(jìn)制碼規(guī)律排列的，由于為每一個(gè)分辨區(qū)間設(shè)計(jì)了不同的二進(jìn)制碼，所以碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)的位置不 同，編碼輸出的值也不同。目前使用并不廣泛。但是磁 電式測(cè)速傳感器對(duì)環(huán)境要就較嚴(yán)格，傳輸帶的震動(dòng)等狀況會(huì)導(dǎo)致傳感器工作異常，造成測(cè)量數(shù)據(jù)損失。 歐姆龍 E6B2CWZ6C 光電編碼器。接觸式測(cè)速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、造價(jià)低廉，所以目前被廣為采用。 光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳 感器的計(jì)量原理是由機(jī)械傳動(dòng)裝置將傳輸帶運(yùn)行時(shí)的速度轉(zhuǎn)換為光柵編碼圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，光柵圓盤的一邊放置光源，另一邊放置光感元件。故光 電轉(zhuǎn)換式測(cè)速傳感器又稱為光 電編碼器。與其它種類測(cè)速傳感器相比，有性價(jià)比高、可靠性好、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。 表 32歐姆龍 E6B2CWZ6C增量型旋轉(zhuǎn)編碼器技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 技術(shù)參數(shù) 電源電壓 5V～ 24V DC 耗費(fèi)電流 *1 70mA以下 辨率（脈沖 /旋轉(zhuǎn)） 2020 輸出項(xiàng) A、 B、 Z、相 輸出方式 NPN集電極開路輸出 輸出相位差 A、 B相位差 90177。 1/8T） 高響應(yīng)頻率 *3 100kHz 輸出上升下降