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称重传感器的发展

随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量,特别是随着微处理机的出现,工业生产过程自动化程度化的不断提高,称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置,从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制,到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等,都应用了称重传感器,目前,称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。称重传感器与电子衡器数字化是九十年代电子衡器发展最突出的热点,电子技术的飞跃进步,单片机的普及与推广,为电子衡器提高性能、称量自动和智能化作出了贡献;微电子、信息、智能卡等高新技术更加速了衡器数字化、智能化、微型化、微功耗的进程。由于单片机本身的嵌入式软件技术及大规模集成电路等特点,具有三电一体化(机电、电子、微电子)高新技术的衡器产品便会应运而生,制造工艺的简化、产品成本的降低、利润空间的增大,将会掀起新一轮衡器制造技术的革命与竞争。
称重传感器是电子秤系统的主要部件,他易受使用条件和环境的的影响而损坏,从而导致电子秤系统无法使用。
称重传感器的工作原理
1.称重传感器是根据力-电转换、有非电量转换为电量的工作原理而工作的,按期工作原理可分为电阻应变式、电容式、电感式、压磁式、压电式、振弦式等多种类型,其中,最常用的式电阻式称重传感器。电阻应变式称重传感器按其结构又分为柱形、、箱形、悬臂梁形、剪切梁形、圆环形和轮辐形等多种类型。这里以柱形电阻应变式称重传感器为例介绍其工作原理。
柱形称重传感器的工作原理是,将电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上,然后,以适当的方式组成电桥,从而将物体的质量转换成电信号。柱形称重传感器主要有两部分组成,第一部分是弹性敏感元件,他将被测物体的质量转换为弹性体的应变值;第二部分是作为传感元件的电阻应变计,他将弹性体的应变同步的转换为电阻值的变化。柱形称重传感器的工作原理如图1所示

由图1可以看出,在一合金圆柱体上,成对的在纵向和横向上贴有组成应变计的R1~R4四个应变片。当弹性体上方有物体时,其纵向压缩,横向拉伸,是粘贴在其表面上的应变片随其同步的变形而改变电阻值。由于有应变片组成的应变计联结成平衡电桥形式,应变片应变电阻的变化回应起点桥的不平衡,从而输出与所在物体的质量成正比的信号,即使弹性体在弹性范围内的相对变化与引起变形的物体的质量成正比,用公式表示为:

在式(6)中U0/U 为柱形称重传感器的灵敏度,其意义是单位拱桥电压时甸桥的输出电压(mV/V)。在实际应用中,柱形称重传感器的灵敏度常为2mV/V或3mV/V。
2.柱式称重传感器的线性补偿原理
为了实现称重传感器内部,通过改变电桥电路的实际供桥电压,调整输出进行线性补偿,提高线性度的目的。在圆柱式弹性元件的应变区内,位于工作电阻应变计的上方,沿轴线的方向对称的粘贴2枚线性补偿应变计R.。若线性补偿应变计的R的灵敏系数为负值时,应垂直于轴线方向粘贴。线性补偿应变计粘贴位置示意图如图3所示,将2枚阻值为R/2的线性补偿应变计对称接入电桥电路的拱桥端,其线性补偿电路及称重传感器完整的电桥电路如图4所示

称重传感器的应用
1.高速定量分装系统
本系统由微机控制称重传感器的称重和比较,并输出控制信号,执行定值称量,控制外部给料系统的运转,实行自动称量和快速分装的任务。
系统采用MCS-51单片机和V/F电压频率变换器等电子器件,其硬件电路框图如图1所示,用8031作为中央处理器,BCD拔码盘作为定值设定输入器,物料装在料斗里,其重量使传感器弹性体发生变形,输出与重量成正比的电信号,传感器输出信号经放大器放大后,输入V/F转换器进行A/D转换,转换成的频率信号直接送入8031微处理器中,其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路,显示出瞬时物重,另一方面则进行称重比较,开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。

图1 原理框图
在整个定值分装控制系统中,称重传感器是影响电子秤测量精度的关键部件,选用GYL-3应变式称重测力传感器。四片电阻应变片构成全桥桥路,在所加桥压U不变的情况下,传感器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比,而且,供桥桥压U的变化直接影响电子称的测量精度,所以要求桥压很稳定。毫伏级的传感器输出经放大后,变成了0-10V的电压信号输出,送入V/F变换器进行A/D转换,其输出端输出的频率信号加到单片机8031定时器1的计数、输入端T1上。在微机内部由定时器0作计数定时,定时器0的定时时间由要求的A/D转换分辩率设定。
定时器1的计数值反映了测量电压大小即物料的重量。在显示的同时,计算机还根据设定值与测量值进行定值判断。测量值与给定值进行比较,取差值提供PID运算,当重量不足,则继续送料和显示测量值。一旦重量相等或大于给定值,控制接口输出控制信号,控制外部给料设备停止送料,显示测量终值,然后发出回答令,表示该袋装料结束,可进行下袋的装料称重。
图2所示为自动称重和装料装置。每个装料的箱子或袋子沿传送带运动,直到装有料的电子称下面,传送带停止运动,电磁线圈2通电,电子称料斗翻转,使料全部倒入箱子或袋子中,当料倒完,传送带马达再次通电,将装满料的箱子或袋子移出,并保护传送带继续运行,直到下一次空袋或空箱切断光电传感器的光源,与此同时,电子称料箱复位,电磁线圈1通电,漏斗给电子秤自动加料,重量由微机控制,当电子秤中的料与给定值相等时,电磁线圈1断电,弹簧力使漏斗门关上。装料系统开始下一个装料的循环。当漏斗中的料和传送带上的箱子足够多时,这个过程可以持续不断地进行下去。必要时,*作人员可以随时停止传送带,通过拔码盘输入不同的给定值,然后再启动,即可改变箱或袋中的重量。

自动称重和装料装置,本系统选用不同的传感器,改变称重范围,则可以用到水泥、食糖、面粉加工等行业自动包装中。


2 .传感器在商用电子秤中的应用
目前,商用电子计价秤的使用非常普及,逐渐会取代传统的杆称和机械案秤。电子计价秤在秤台结构上一个显著的特点:一个相当大的秤台,只在中间装置一个专门设计的传感器来承担物料的全部重量,如图3所示。常用的电子计价秤传感器的结构如图4所示,其中图4(a)为双连椭圆孔弹性体,秤盘用悬臂梁端部上平面的两个螺孔紧固;图4(b)为梅花型四连孔弹性体,秤盘用悬臂梁端部侧面的三个螺孔坚固,中间支杆上粘贴补偿用的应变片。这两种形式的传感器,在计价秤中用得最多。图4(c)为三梁式弯曲弹性体,采样弯曲应力,对重量反应敏感,宜用来制作小称量计价秤。图4(d)为三梁式剪切弹性体,采样中间敏感梁的剪切应力,宜用来制作几百公斤称量范围计价秤。

图3 计价秤内部结构示意图实例

图4 计价秤用弹性体结构

用这些复梁型高精度传感器来支承一个大的称重平台,被称重物又可能放置在任何称台的任意位置上,必然会产生四角示值误差,对图4(a),(b)两种结构形式的传感器,可通过锉磨的形式进行角差修正。对图4(c),(d),它有上下两根局部削弱的柔性辅助梁,使传感器对侧向力、横向力和扭转力矩具有很强的抵抗能力,可以通过锉磨辅助梁的柔性部位来调整传感器的灵敏系数和四角误差。图5为一种商用电子计价秤的电路框图。传感器采用的是图4(b)所示的梅花型四连孔结构,该秤具有置零、自动清除单价、零位自动跟踪、自动去皮、次数累计和金额累计、打印输出等功能,7段绿色荧光数码管显示,使用十分方便。

图5 电子计价秤的电路框图
3、家用电子秤
图6是采用CHBL3型号S型双连孔弹性体称重传感器制作的便携式家用电子手提秤的原理图,由称重传感器、放大电路、A/D转换和液晶显示四部分组成。图中,E为9V的叠层电池,R1-R4是称重传感器的4个电阻应变片,R5、R6与W1组成零点调整电路。当载荷为零时,调节RW1使液晶显示屏显示为零。A1,A2为双运放集成电路LM358中的两个单元电路,组成了一个对称的同相放大器,A/D转换器采用ICL7106双积分型A/D转换器,液晶显示采用3 1/2液晶显示片。该电子秤精度高,简单实用,携带方便。
称重传感器是一种高精度的传感器,必须按规定的规格使用。若不按规定的规格使用,不能
发挥称重的作用,而且容易损坏,尤其是绝对不准超过负荷安全值使用。

图6 手提秤的电路框图
对于因温度变化对桥接零点和输出,灵敏度的影响,即使采用同一批应变片,也会因应变片之间稍有温度特性之差而引起误差,所以对要求精度较高的传感器,必须进行温度补偿,解决的方法是在被粘贴的基片上采用适当温度系数的自动补偿片,并从外部对它加以适当的补偿。
非线性误差是传感器特性中最重要的一点。产生非线性误差的原因很多,一般来说主要是由结构设计决定,通过线性补偿,也可得到改善。
滞后和蠕变是关于应变片及粘合剂的误差。由于粘合剂为高分子材料,其特性随温度变化较大,所以称重传感器必须在规定的温度范围内使用。
在露天下使用传感器,还应考虑阳光直射产生的温度影响和风压的影响
4.数字称重传感器
随着微电子技术和数字化技术的发展,使得数字式称重传感器的发展越来越受到重视。其实,在此之前,一些能直接输出频率信号或脉冲信号的称重测力传感器就已得到实际运用。但与应变式称重传感器相比,由于后者以其技术成熟、制造方便、量程范围宽等显著优点,一直在称重领域占据主导地位。众所周知,应变式传感器输出为模拟量信号,且电压幅度较
小。在数字化技术广泛运用的今天,这两方的问题使其在与数字技术和与计算机的结合上带来了不便的困难。而在国外数字式称重传感器早已得到显著的发展和运用。
(1)振弦式称重传感器
以往振弦式传感器由于精度低,一般只有1%~2%F.S,未能在称重领域得到推广应用。直到20世纪80年代末由于在其商品化和技术上的突破,才使振弦式称重传感器得到越来越普遍的应用,特别是在中小量程电子衡器上的运用。最早将振弦式称重传感器介绍到国内的是瑞士PESA公司。PESA公司的振弦式称重传感器制造精巧、精度高。一经引入国内就受到大家的关注。PESA公司的振弦传感器分为单振弦和双振弦两大类。
单振弦传感器的基本结构如图1所示。振弦6用铍青铜合金制成,振弦工作于二次谐波,其谐振频在14kHz至19kHz之间,品质因数Q可达3000以上。为保证工作在二次谐波、振弦处于两个极性相反的永久磁铁之间。由于工作频率很高,可避免外界振动和声音的干扰。振弦的振幅极小,但运动加速度极高,这样即使不密封,也能避免异物或灰尘附着在弦上。振弦的固定不使用任何粘合材料,提高了蠕变特性,且对湿度不敏感。

双振弦称重传感器,结构比单振弦型复杂得多。其结构充分利用了钟表机械制造的技术。两根振弦通过机械滤波(隔振)器固定在基座上,分别置于两个永久磁场内。两根弦有一共同的受力点,一已知质量块mp通过杠杆加到此受力点,对两根振弦提供一预紧力。被测载荷mq也通过另一杠杆将作用力加于同一点。载荷力作用时一根弦的张力增加,另一根弦的
张力减小,两根振弦的谐振频率之比f1/f2与mq大致成比例,通过测量两根振弦在受mq力作用下频率的变化来测未知量mq,参看图2。双振弦称重传感器与单振弦传感器相比有两个显著的优点,一是由于两根弦线的物理特性和工作状态几乎完全一样,因此测量结果对温度的影响很小;其二,比值f1/f2当重力场改变时,几乎保持不变,因此秤台倾斜带来误差很小,当秤台倾率5%以内,由倾斜造成的误差小于117×10-6。

除上面介绍的PESA公司的产品外,英国IN FLD公司专为皮带秤而设的一种大型振弦式称重传感器,也值得介绍,见图3。整个传感器称重系统的尺寸在1m左右。作用力通过拉杆12经杠杆18、35和31传递到振弦30。各杠杆由十字簧片20、21和34与基壳固定。该杠杆系统除起变更力的大小外,还起机械滤波作用。并用阻尼器28调节系统的阻尼时间。振弦30的另一端固定在支架26上,振弦的中点装有一永久磁体。在振弦的约1/4处,是电路装置,振弦由其中穿过。电路中有一拾音线圈,用来检测振弦的谐振信号。22、23、24、25和37构成零位平衡调节系统。同时还起模拟检测的作用。它与杠杆31固定在同一十字簧片支承上,37是零位平衡配重块,22是零位微调块。25是模拟检测用的砝码。整 个称重系统即振弦称重传感器装在一个可调温度的箱内,调温度系统保持箱内温度稳定,以抵消环境温度突变的影响

(2)双端谐振音叉(DETF)称重传感器
DETF是双端谐振音叉、Double-endedtuningfork的简写。大约在15年前,日本就已批量生产采用音叉式称重传感器的衡器。在国内常见到的是日本新光电子株式会社的产品。德国工程物理所(PTB)也对这种传感器进行过研究。DETF称重传感器多用来制造天平、计数秤、邮电秤和分选秤。早期的产品DETF传感器与秤体是分离制造的。新型的DETF秤,传感器和秤体是由同一整块镍合金钢材料切割加工而成,见图4。这种经过适当处理的材料,可使性和谐振频率的温度系数减至极小。如此制作的音叉的机械Q值可达104以上,音叉的谐振频率通常为6kHz至7kHz。新型整体制造的DETF秤、DETF敏感元件与秤体传力机构之间是柔性联接,这不仅可减小由于安装带来的附加应力和应变,而且还有效地降低了扭转运动和沿垂直轴线干扰力的影响。使得DETF秤具有极小的滞后和极好的重复性。DETF的音叉只需要很小的激励能量,其自身的热量引起的升可以忽略,使它具有非常简单的温度分布和热传导性能。因此DETF天平的温度误差非常之小,在补偿后可减少到±1.5×10-6以内。这样使得天平有难以置信的长期稳定性。DETF称重传感器还有一个明显的特点,它的灵敏度要比电阻应变式传感器高1-2个数量级。

但与振弦式传感器相比,由于音叉的表面积要大得多,当音叉振动时周围的空气将随之运动,结果将使音叉的Q值下降,系统的固有频率发生改变,但对DETF传感器的灵敏度几乎没有影响。
3 石英谐振力传感器
在这里我们主要介绍清华大学精密仪器与机械学系所研制并已批量生产的一种石英谐振力传感器。这 种传感器结构简单、造价低廉,并适合于规模生产是用来造成替代杆秤的较理想的称重传感器,特别是能耗低。清华大学研制的石英谐振式力传感器,其结构和组成如图5所示。其中石英谐振器为AT切割的径向受力的对称非完整圆盘形石英晶体,工作频率为3.579MHz(基频)、10MHz(三次谐波)和5MH(三次谐波)三种类型。这些年清华大学对这种结构的石英谐振式力传感器作了大量深入、细致的理论研究和工艺改进。使其基本能用于衡器的水平,并已投入批量生产。但该产品在长期稳定性和蠕变性能方面都不太理想,因此阻碍了石英谐振式传感器的发展。

称重传感器的发展
自从20世纪 ,40年代初利用粘贴式电阻应变计的模拟式称重传感器问世以来, 经过多年的种种改进与发展,从结构设计、制造工艺到综合性能指标$稳定性和可靠性都达到较高的水平,在各种电子衡器和称重计量与控制系统中得到了广泛的应用。随着科学技术的进步,工业过程自动化水平的提高, 特别是数字技术与信息技术的发展,在称重计量与控制系统中,应用数字技术与数字系统的需求愈来愈多,对衡器行业提出了电子衡器数字化、智能化,用数字称重系统突破模拟称重系统的局限性等要求。众所周知,数字称重系统要求称重传感器和称重仪表系统以数字形式输出。目前在用的模拟式称重传感器,由于电阻应变转换原理决定了无论采用何种电阻应变计进行制造,其本身都不能产生具有数字特征的输出信号,而且存在着输出的模拟信号小,一般为20~40mV传输距离短#抗干扰能力差#称重显示控制仪表复杂#安装$调试不方便等先天缺陷。根本适应不了电子衡器数字化$智能化的要求。 因此,引起了人们对模拟式称重传感器与数字称重系统接口和数字式智能称重传感器的重视,国外一些著名称重传感器生产厂,对此开展了许多研究工作,并取得突破性的科技成果"开发出多种具有自主知识产权的产品。
数字式智能称重传感器具有输出信号大,数字信号是一组组高低电平信号,有格式、有规律的组成,一般为5V抗射频电磁场辐射等干扰能力强;信号传输距离远,一般可达150m,附加电源后可超过 600m,安装、调试方便;易实现智能化控制等特点,完全克服了模拟式称重传感器的缺点,是数字化电子衡器、自动称重计量与控制系统、需要自动校准的称重系统、复杂结构的各类配料秤、容积秤和超大型电子衡器的首选产品。
从电子衡器的品种、结构、用途上看,数字式智能称重传感器, 不可能完全取代模拟式称重传感器,在今后一个比较长的时期内,模拟式称重传感器,仍然是称重传感器发展与应用的主流。但我们必须重视并认真研究数字式智能化称重传感器及其在数字称重系统中的应用。
数字式智能称重传感器有两种实现方法或者说有两种结构形式"即整体型和分离型。
1,整体型数字式智能称重传感器
如前所述, 在称重传感器内部安装有放大、滤波、A/D转换,微处理器芯片和温度敏感元件等组成的数字处理电路,利用微处理器芯片已存入的软件, 实施各项数字补偿工艺.进行综合性能测试和检定。最后采用电子束焊或激光焊进行密封,因数字变换与补偿电路和称重传感器为一整体!故称为整体型数字式智能称重传感器,数字式智能称重传感器的制造工艺完全不同于模拟式称重传感器, 主要是两个环节!其一是在弹性元件组成惠斯登电桥电路后。通过试验、测试、建立数字补偿技术与工艺要求的各补偿项目的数学模型。形成便于程序化计算的公式!便于编制成补偿计算软件,主要是线性补偿!蠕变补偿!零点和灵敏度温度补偿等数学模型, 因为,数字补偿技术与工艺是建立在合理的物理模型和数学模型基础上,给出准确可靠的数学模型是保证数字补偿精度的前提,其二是根据数学模型编制出简单、实用、有效的补偿计算软件。存储在微处理器芯片中进行各项误差修正与补偿, 软件技术主要有$数字滤波技术一称传感器的模拟输出信号。经 A/D变换后进入微处理器时。常混进尖脉冲之类的随机噪声干扰。必须予以削弱和滤除;标度变换技术&称重传感器的模拟信号,经A/D变换后得到一系列的数码.必须将其换算成带有量钢的数据后才能运算#显示%数字调零技术一采用各种程序来实现零点漂移、增益漂移等偏差校准,温度补偿技术一建立表达温度的数学模型,如多项式等。用差值等数学处理方法,便可有效的实现温度补偿;非线性补偿技术,根据测得的特性曲线,进行分段插值,只要插值点数取得合理和足够多,就可获得优良的线形。
2,分离型模块化数字称重传感器系统
在分析了整体型数字式智能称重传感器的存在问题,应用经验和市场要求的基础上!美国 STS公司于 4BB7 年推出分离型 7788 系列数字式称重传感器模块,它是将原先放置在称重传感器内部的A/D转换数字处理电路,移至一个外部接线盒内, 将具有A/D转换模块的接线盒称为数字接线盒, 将普通的模拟式称重传感器接入数字接线盒后,的输出便以数字信号传输给与其配套的称重显示控制仪表,常将模拟式称重传感器加数字接线盒的模式.称为模块化数字称重传感器系统.即保留了模拟式称重传感器的综合性能指标,又具备整体型数字式智能化称重传感器的所有特点和功能。 同时最大限度的改善了A/D路的工作环境,模块化数字称重传感器系统的特点是:
(1)在模拟式称重传感器无任何改变的条件下,经数字接线盒,变模拟信号输出为数字信号输出,使其具有整体型数字式智能称重传感器的特点和功能;
(2) 用模块化数字称重传感器系统,可在不改变原有电子衡器结构的基础上,实现电子衡器数字化.
(3) 模拟式称重传感器可在-40~70环境条件下正常工作,配以数字接线盒可以使模块化数字称重传感器系统在较宽的温度范围内工作.
(4)与整体型相比,分离型模块化数字称重传感器系统的稳定性和可靠性都有较大提高.
(5)安装布线非常简单,从数字接线盒到数字式称重仪表只有一根电缆线.
(6)因接配普通模拟式称重传感器,便于维护、修理、维护成本也比整体型低。
结语
电子衡器和称重系统的需要就是称重传感器研究,开发的永久性课题。随着数字信息时代的到来,在工业过程检测和称重计量与控制系统中,数字化电子衡器和数字称重系统的应用愈来愈多,这就要求数字式智能称重传感器及其相关技术,配套仪表尽快发展。
早在 20 世纪 80 年代,美国、德国等工业发达国家,就开始了数字式称重传感器和数字称重系统的预先研究和初期开发工作,经过十余年的努力,推出了多种数字式智能称重传感器及其称重系统,在电子称重领域备受瞩目. 美国STS公司 2200系列模块化数字称重传感器% 美国 TOLEDO,CARDINAL公司摇柱型全密封数字式智能称重传感器,德国HBM公司 C16ic3 圆柱型全不锈钢激光焊接密封的数字式智能称重传感器,有力的推动了电子衡器数字化和数字称重系统的发展。
我国数字式智能称重传感器的研究开发始于20世纪 90年代中后期,在短短几年时间里,研制出安装在模拟式称重传感器内部的小型数字化单元,完成了模拟信号与数字信号之间的转换,变模拟式称重传感器为数字化称重传感器,并应用于大型电子汽车衡和电子配料秤等小型称重系统中,取得了 较好的测试结果。近年来,又在数字化称重传感器的基础上,研究与实践数字式智能化电路,数字补偿技术与数字补偿工艺,开发整体型数字式智能称重传感器和分离型模块化数字称重传感器系统,已经取得了阶段性成果。可以预计,很快就会在电子衡器数字化和数字称重系统中,见到国产的数字式智能称重传感器和模块化数字式称重传感器系统