原理及應(yīng)用

隨著技術(shù)的進(jìn)步,由稱(chēng)重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的快速、準(zhǔn)確的稱(chēng)量，特別是隨著微處理機(jī)的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度化的不斷提高，稱(chēng)重傳感器已成為過(guò)程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱(chēng)重的大型罐、料斗等重量計(jì)測(cè)以及吊車(chē)秤、汽車(chē)秤等計(jì)測(cè)控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動(dòng)檢測(cè)和粉粒體進(jìn)料量控制等，都應(yīng)用了稱(chēng)重傳感器，目前，稱(chēng)重傳感器幾乎運(yùn)用到了所有的稱(chēng)重領(lǐng)域。

1．高速定量分裝系統(tǒng)

本系統(tǒng)由微機(jī)控制稱(chēng)重傳感器的稱(chēng)重和比較，并輸出控制信號(hào)，執(zhí)行定值稱(chēng)量，控制外部給料系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)行自動(dòng)稱(chēng)量和快速分裝的任務(wù)。

系統(tǒng)采用MCS-51單片機(jī)和V/F電壓頻率變換器等電子器件，其硬件電路框圖如圖1所示，用8031作為處理器，BCD拔碼盤(pán)作為定值設(shè)定輸入器，物料裝在料斗里，其重量使傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與重量成正比的電信號(hào)，傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大器放大后，輸入V/F轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號(hào)直接送入8031微處理器中，其數(shù)字量由微機(jī)進(jìn)行處理。微機(jī)一方面把物重的瞬時(shí)數(shù)字量送入顯示電路，顯示出瞬時(shí)物重，另一方面則進(jìn)行稱(chēng)重比較，開(kāi)啟和關(guān)閉加料口、放料于箱中等一系列的稱(chēng)重定值控制。

圖1 原理框圖

在整個(gè)定值分裝控制系統(tǒng)中，稱(chēng)重傳感器是影響電子秤測(cè)量精度的關(guān)鍵部件，選用GYL-3應(yīng)變式稱(chēng)重測(cè)力傳感器。四片電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感器輸出信號(hào)與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而且，供橋橋壓U的變化直接影響電子稱(chēng)的測(cè)量精度，所以要求橋壓很穩(wěn)定。毫伏級(jí)的傳感器輸出經(jīng)放大后，變成了0-10V的電壓信號(hào)輸出，送入V/F變換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其輸出端輸出的頻率信號(hào)加到單片機(jī)8031定時(shí)器1的計(jì)數(shù)、輸入端T1上。在微機(jī)內(nèi)部由定時(shí)器0作計(jì)數(shù)定時(shí)，定時(shí)器0的定時(shí)時(shí)間由要求的A/D轉(zhuǎn)換分辯率設(shè)定。

定時(shí)器1的計(jì)數(shù)值反映了測(cè)量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時(shí)，計(jì)算機(jī)還根據(jù)設(shè)定值與測(cè)量值進(jìn)行定值判斷。測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較，取差值提供PID運(yùn)算，當(dāng)重量不足，則繼續(xù)送料和顯示測(cè)量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口輸出控制信號(hào)，控制外部給料設(shè)備停止送料，顯示測(cè)量終值，然后發(fā)出回答令，表示該袋裝料結(jié)束，可進(jìn)行下袋的裝料稱(chēng)重。

圖2所示為自動(dòng)稱(chēng)重和裝料裝置。每個(gè)裝料的箱子或袋子沿傳送帶運(yùn)動(dòng)，直到裝有料的電子稱(chēng)下面，傳送帶停止運(yùn)動(dòng)，電磁線(xiàn)圈2通電，電子稱(chēng)料斗翻轉(zhuǎn)，使料全部倒入箱子或袋子中，當(dāng)料倒完，傳送帶馬達(dá)再次通電，將裝滿(mǎn)料的箱子或袋子移出，并保護(hù)傳送帶繼續(xù)運(yùn)行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源，與此同時(shí)，電子稱(chēng)料箱復(fù)位，電磁線(xiàn)圈1通電，漏斗給電子秤自動(dòng)加料，重量由微機(jī)控制，當(dāng)電子秤中的料與給定值相等時(shí)，電磁線(xiàn)圈1斷電，彈簧力使漏斗門(mén)關(guān)上。裝料系統(tǒng)開(kāi)始下一個(gè)裝料的循環(huán)。當(dāng)漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時(shí)，這個(gè)過(guò)程可以持續(xù)不斷地進(jìn)行下去。必要時(shí)，工作人員可以隨時(shí)停止傳送帶，通過(guò)拔碼盤(pán)輸入不同的給定值，然后再啟動(dòng)，即可改變箱或袋中的重量。

圖2 自動(dòng)稱(chēng)重和裝料裝置

本系統(tǒng)選用不同的傳感器，改變稱(chēng)重范圍，則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業(yè)的自動(dòng)包裝中。

2．傳感器在商用電子秤中的應(yīng)用

目前，商用電子計(jì)價(jià)秤的使用非常普及，逐漸會(huì)取代傳統(tǒng)的桿稱(chēng)和機(jī)械案秤。電子計(jì)價(jià)秤在秤臺(tái)結(jié)構(gòu)上有一個(gè)顯著的特點(diǎn)：一個(gè)相當(dāng)大的秤臺(tái)，只在中間裝置一個(gè)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的傳感器來(lái)承擔(dān)物料的全部重量，如圖3所示。常用的電子計(jì)價(jià)秤傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中圖4（a）為雙連橢圓孔彈性體，秤盤(pán)用懸臂梁端部上平面的兩個(gè)螺孔緊固；圖4（b）為梅花型四連孔彈性體，秤盤(pán)用懸臂梁端部側(cè)面的三個(gè)螺孔堅(jiān)固，中間支桿上粘貼補(bǔ)償用的應(yīng)變片。這兩種形式的傳感器，在計(jì)價(jià)秤中用得最多。圖4（c）為三梁式彎曲彈性體，采樣彎曲應(yīng)力，對(duì)重量反應(yīng)敏感，宜用來(lái)制作小稱(chēng)量計(jì)價(jià)秤。圖4（d）為三梁式剪切彈性體，采樣中間敏感梁的剪切應(yīng)力，宜用來(lái)制作幾百公斤稱(chēng)量范圍計(jì)價(jià)秤。

圖3 計(jì)價(jià)秤內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 計(jì)價(jià)秤用彈性體結(jié)構(gòu)

用這些復(fù)梁型高精度傳感器來(lái)支承一個(gè)大的稱(chēng)重平臺(tái)，被稱(chēng)重物又可能放置在任何稱(chēng)臺(tái)的任意位置上，必然會(huì)產(chǎn)生四角示值誤差，對(duì)圖4（a），（b）兩種結(jié)構(gòu)形式的傳感器，可通過(guò)銼磨的形式進(jìn)行角差修正。對(duì)圖4(c)，(d)，它有上下兩根局部削弱的柔性輔助梁，使傳感器對(duì)側(cè)向力、橫向力和扭轉(zhuǎn)力矩具有很強(qiáng)的抵抗能力，可以通過(guò)銼磨輔助梁的柔性部位來(lái)調(diào)整傳感器的靈敏系數(shù)和四角誤差。圖5為一種商用電子計(jì)價(jià)秤的電路框圖。傳感器采用的是圖4（b）所示的梅花型四連孔結(jié)構(gòu)，該秤具有置零、自動(dòng)清除單價(jià)、零位自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)去皮、次數(shù)累計(jì)和金額累計(jì)、打印輸出等功能，7段綠色熒光數(shù)碼管顯示，使用十分方便。

圖5 電子計(jì)價(jià)秤的電路框圖

圖6是采用CHBL3型號(hào)S型雙連孔彈性體稱(chēng)重傳感器制作的便攜式家用電子手提秤的原理圖，由稱(chēng)重傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換和液晶顯示四部分組成。圖中，E為9V的疊層電池，R1-R4是稱(chēng)重傳感器的4個(gè)電阻應(yīng)變片，R5、R6與W1組成零點(diǎn)調(diào)整電路。當(dāng)載荷為零時(shí)，調(diào)節(jié)RW1使液晶顯示屏顯示為零。A1，A2為雙運(yùn)放集成電路LM358中的兩個(gè)單元電路，組成了一個(gè)對(duì)稱(chēng)的同相放大器，A/D轉(zhuǎn)換器采用ICL7106雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，液晶顯示采用3 1/2液晶顯示片。該電子秤精度高，簡(jiǎn)單實(shí)用，攜帶方便。

稱(chēng)重傳感器是一種高精度的傳感器，必須按規(guī)定的規(guī)格使用。若不按規(guī)定的規(guī)格使用，不僅不能發(fā)揮稱(chēng)重的作用，而且容易損壞，尤其是不準(zhǔn)超過(guò)負(fù)荷安全值使用。

圖6 手提秤的電路框圖

對(duì)于因溫度變化對(duì)橋接零點(diǎn)和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會(huì)因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對(duì)要求精度較高的傳感器，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動(dòng)補(bǔ)償片，并從外部對(duì)它加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

非線(xiàn)性誤差是傳感器特性中最重要的一點(diǎn)。產(chǎn)生非線(xiàn)性誤差的原因很多，一般來(lái)說(shuō)主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定，通過(guò)線(xiàn)性補(bǔ)償，也可得到改善。

滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱(chēng)重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。

在露天下使用傳感器，還應(yīng)考慮陽(yáng)光直射產(chǎn)生的溫度影響和風(fēng)壓的影響。