稱重傳感器制作的地磅已被廣泛地應用到各行各業(yè)，敘述國內(nèi)外稱重傳感器的發(fā)展情況，介紹了稱重傳感 器在高速定量分裝系統(tǒng)的應用。

1.緒論

稱重傳感器是電子稱重系統(tǒng)的核心部件，是電子稱重技術 的重要基礎。隨著技術的進步，由稱重傳感器制作的地磅已被廣泛地應用到各行各業(yè)，實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱 量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化 的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝 置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計量以及吊車秤、汽 車秤等計量控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝 中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應用了稱重傳感器。 目前，稱重傳感器幾乎被運用到了所有的稱重領域。

2.稱重傳感器的發(fā)展

自從20世紀40年代初利用粘貼式電阻應變計的模擬式 稱重傳感器問世以來，經(jīng)過多年的種種改進與發(fā)展，其從結構 設計、制造工藝到綜合性能指標穩(wěn)定性和可靠性都達到較高的 水平，在各種地磅和稱重計量與控制系統(tǒng)中得到了廣泛的 應用。隨著科學技術的進步，工業(yè)過程自動化水平的提高，特別 是數(shù)字技術與信息技術的發(fā)展，在稱重計量與控制系統(tǒng)中，數(shù) 字技術與數(shù)字系統(tǒng)的需求愈來愈多，對衡器行業(yè)提出了地磅數(shù)字化、智能化，用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)的局限 性等要求。眾所周知，數(shù)字稱重系統(tǒng)要求稱重傳感器和稱重儀 表系統(tǒng)以數(shù)字形式輸出。目前在用的模擬式稱重傳感器，由于 電阻應變轉(zhuǎn)換原理決定了無論采用何種電阻應變計進行制造， 其本身都不能產(chǎn)生具有數(shù)字特征的輸出信號，而且存在著輸出 的模擬信號小，一般為20?40mV，傳輸距離短，抗干擾能力 差，稱重顯示控制儀表復雜，安裝調(diào)試不方便等先天缺陷，根本 適應不了地磅數(shù)字化，智能化的要求。因此，這引起了人 們對模擬式稱重傳感器與數(shù)字稱重系統(tǒng)接口和數(shù)字式智能稱 重傳感器的重視，國外一些著名稱重傳感器生產(chǎn)廠，對此開展 了許多研宄工作，并取得了突破性的科技成果，開發(fā)出多種具 有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。

數(shù)字式智能稱重傳感器具有輸出信號大，數(shù)字信號是由一 組組高低電平信號，有格式、有規(guī)律的組成，一般為5V抗射頻 電磁場輻射等干擾能力強，信號傳輸距離遠，一般可達150m， 附加電源后可超過600m，安裝、調(diào)試方便；易實現(xiàn)智能化控制 等特點，數(shù)字稱重系統(tǒng)能保障生產(chǎn)的連續(xù)性，實現(xiàn)不間斷工 作，儀表不但時刻監(jiān)測著各個數(shù)字稱重傳感器的工作狀況，而 且在發(fā)現(xiàn)某個傳感器故障時，儀表可以自動啟動不間斷工作方 式，仍然能保障一定時間一定精度下的稱重，不至于造成生產(chǎn) 停機。同時儀表會發(fā)出信號給用戶，定位故障傳感器要求更換， 模擬稱重傳感器系統(tǒng)一旦傳感器有故障就無法稱重，從而造成 停工停產(chǎn)的重大事件。數(shù)字稱重傳感器完全克服了模擬式稱重 傳感器的缺點，是數(shù)字化電子衡器、自動稱重計量與控制系統(tǒng)、 需要自動校準的稱重系統(tǒng)、復雜結構的各類配料秤、容積秤和 超大型電子衡器的首選產(chǎn)品。因此，數(shù)字式智能稱重傳感器是 今后研究和發(fā)展的方向。

數(shù)字式智能稱重傳感器有兩種實現(xiàn)方法或者說有兩種結 構形式:整體型和分離型。

2.1整體型數(shù)字式智能稱重傳感器

如前所述，在稱重傳感器內(nèi)部安裝有放大、濾波、A/D轉(zhuǎn) 換，微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數(shù)字處理電路，利 用微處理器芯片已存入的軟件，實施各項數(shù)字補償工藝，進行 綜合性能測試和檢定。最后采用電子束焊或激光焊進行密封， 因數(shù)字變換與補償電路和稱重傳感器為一整體，故稱為整體型 數(shù)字式智能稱重傳感器，數(shù)字式智能稱重傳感器的制造工藝完 全不同于模擬式稱重傳感器，主要是兩個環(huán)節(jié)，其一是在彈性 元件組成惠斯登電橋電路后，通過試驗、測試、建立數(shù)字補償技 術與工藝要求的各補償項目的數(shù)學模型，形成便于程序化計算 的公式，便于編制成補償計算軟件，主要是線性補償、蠕變補 償、零點和靈敏度溫度補償?shù)葦?shù)學模型。因此，數(shù)字補償技術 與工藝是建立在合理的物理模型和數(shù)學模型基礎上，給出準確 可靠的數(shù)學模型是保證數(shù)字補償精度的前提，其二是根據(jù)數(shù)學 模型編制出簡單、實用、有效的補償計算軟件，存儲在微處理器 芯片中進行各項誤差修正與補償。軟件技術主要有數(shù)字濾波 技術，使傳感器的模擬輸出信號，經(jīng)A/D變換后進入微處理器 時，常混進尖脈沖之類的隨機噪聲干擾，必須予以削弱和濾除。 標度變換技術稱重傳感器的模擬信號，經(jīng)A/D變換后得到一系 列的數(shù)碼，必須將其換算成帶有量鋼的數(shù)據(jù)后才能運算。顯示數(shù)字調(diào)零技術采用各種程序來實現(xiàn)零點漂移、增益漂移等偏差 校準，溫度補償技術建立表達溫度的數(shù)學模型，如多項式等。用 差值等數(shù)學處理方法，便可有效的實現(xiàn)溫度補償；非線性補償 技術，根據(jù)測得的特性曲線，進行分段插值，只要插值點數(shù)取得 合理和足夠多，就可獲得優(yōu)良的線形。

2.2分離型模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)

在分析了整體型數(shù)字式智能稱重傳感器的存在問題，應用 經(jīng)驗和市場要求的基礎上，美國STS公司于1988年推出分離 型系列數(shù)字式稱重傳感器模塊，它是將原先放置在稱重傳感器 內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字處理電路，移至一個外部接線盒內(nèi)，將具 有A/D轉(zhuǎn)換模塊的接線盒稱為數(shù)字接線盒，將普通的模擬式 稱重傳感器接入數(shù)字接線盒后的輸出便以數(shù)字信號傳輸給與 其配套的稱重顯示控制儀表。常將模擬式稱重傳感器加數(shù)字接 線盒的模式，稱為模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)既保 留了模擬式稱重傳感器的綜合性能指標，又具備整體型數(shù)字式 智能化稱重傳感器的所有特點和功能，同時最大限度的改善 了 A/D路的工作環(huán)境。模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)的特點是：

（1）在模擬式稱重傳感器無任何改變的條件下，經(jīng)數(shù)字接 線盒，將模擬信號輸出為數(shù)字信號輸出，使其具有整體型數(shù)字 式智能稱重傳感器的特點和功能。

（2）用模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)，可在不改變原有電子 衡器結構的基礎上，實現(xiàn)地磅數(shù)字化。

（3）模擬式稱重傳感器可在-40?70°C環(huán)境條件下正常工 作，配以數(shù)字接線盒可以使模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)在較寬 的溫度范圍內(nèi)工作。

（4）與整體型相比，分離型模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和可靠性都有較大提高。

（5）安裝布線非常簡單，從數(shù)字接線盒到數(shù)字式稱重儀表 只有一根電纜線。

（6）因接配普通模擬式稱重傳感器，便于維護、修理，維護 成本也比整體型低。

地磅和稱重系統(tǒng)的需要就是稱重傳感器研宄，開發(fā)的 永久性課題。隨著數(shù)字信息時代的到來，在工業(yè)過程檢測和稱 重計量與控制系統(tǒng)中，數(shù)字化地磅和數(shù)字稱重系統(tǒng)的應用 愈來愈多，這就要求數(shù)字式智能稱重傳感器及其相關技術，配 套儀表盡快發(fā)展。

早在20世紀80年代，美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家，就開始 了數(shù)字式稱重傳感器和數(shù)字稱重系統(tǒng)的預先研宄和初期開發(fā) 工作，經(jīng)過十余年的努力，推出了多種數(shù)字式智能稱重傳感器 及其稱重系統(tǒng)，在電子稱重領域備受矚目。美國STS公司2200 系列模塊化數(shù)字稱重傳感器，美國TOLEDO，CARDINAL公 司搖柱型全密封數(shù)字式智能稱重傳感器，德國HBM公司 C16ic3圓柱型全不銹鋼激光焊接密封的數(shù)字式智能稱重傳感 器，有力的推動了電子衡器數(shù)字化和數(shù)字稱重系統(tǒng)的發(fā)展。

我國數(shù)字式智能稱重傳感器的研宄開發(fā)始于20世紀90 年代中后期，在短短幾年時間里，研制出安裝在模擬式稱重傳 感器內(nèi)部的小型數(shù)字化單元，完成了模擬信號與數(shù)字信號之間 的轉(zhuǎn)換，變模擬式稱重傳感器為數(shù)字化稱重傳感器，并應用于 大型電子汽車衡和電子配料秤等小型稱重系統(tǒng)中，取得了較好 的測試結果。近年來，又在數(shù)字化稱重傳感器的基礎上，研宄與 實踐數(shù)字式智能化電路，數(shù)字補償技術與數(shù)字補償工藝，開發(fā) 整體型數(shù)字式智能稱重傳感器和分離型模塊化數(shù)字稱重傳感 器系統(tǒng)，并且已經(jīng)取得了階段性成果。可以預計，很快就會在電 子衡器數(shù)字化和數(shù)字稱重系統(tǒng)中，見到國產(chǎn)的數(shù)字式智能稱重 傳感器和模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。

3.稱重傳感器的應用

稱重傳感器制作的地磅已廣泛地應用到各行各業(yè)，實 現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量，下面就稱重傳感器在高速定 量分裝系統(tǒng)的應用做介紹。本系統(tǒng)由微機控制稱重傳感器的 稱重和比較，并輸出控制信號，執(zhí)行定值稱量，控制外部給料系 統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，實行自動稱量和快速分裝的任務。

系統(tǒng)的工作原理，系統(tǒng)采用MCS- 51單片機和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 作為中央處理器，BCD拔碼盤作為定值設定輸入器，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，傳感器輸出信號經(jīng)放大器放大后，輸入V/F轉(zhuǎn)換器 進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號直接送入8031微處理器 中，其數(shù)字量由微機進行處理。微機一方面把物重的瞬時數(shù)字 量送入顯示電路，顯示出瞬時物重，另一方面則進行稱重比較， 開啟和關閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。

在整個定值分裝控制系統(tǒng)中，稱重傳感器是影響電子秤測 量精度的關鍵部件，選用GYL- 3應變式稱重測力傳感器。四片 電阻應變片構成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感 器輸出信號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秤的測量精度，所以要求 橋壓很穩(wěn)定。毫伏級的傳感器輸出經(jīng)放大后，變成了 0- 10V的 電壓信號輸出，送入V/F變換器進行A/D轉(zhuǎn)換，其輸出端輸出 的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數(shù)、輸入端T1上。 在微機內(nèi)部由定時器0作計數(shù)定時，定時器0的定時時間由要 求的A/D轉(zhuǎn)換分辯率設定。

定時器1的計數(shù)值反映了測量電壓的大小即物料的重量。 在顯示的同時，計算機還根據(jù)設定值與測量值進行定值判斷，測 量值與給定值進行比較，取差值提供PID運算，當重量不足，則 繼續(xù)送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口 輸出控制信號，控制外部給料設備停止送料，顯示測量終值，然 后發(fā)出回答令，表示該袋裝料結束，可進行下袋的裝料稱重。

圖2所示為自動稱重和裝料裝置。每個裝料的箱子或袋子 沿傳送帶運動，直到裝有料的電子秤下面，傳送帶停止運動，電 磁線圈2通電，電子秤料斗翻轉(zhuǎn)，使料全部倒入箱子或袋子中， 當料倒完，傳送帶馬達再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出， 并保護傳送帶繼續(xù)運行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感 器的光源，與此同時，電子秤料箱復位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動加料，重量由微機控制，當電子秤中的料與給定 值相等時，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關上，裝料系統(tǒng)開 始下一個裝料的循環(huán)。當漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多 時，這個過程可以持續(xù)不斷地進行下去。必要時，工作人員可以 隨時停止傳送帶，通過拔碼盤輸入不同的給定值，然后再啟動， 即可改變箱或袋中的重量。

圖2自動稱重和裝料裝置 本系統(tǒng)選用不同型號的傳感器，改變稱重范圍，則可以用 到水泥、食糖、面粉加工等行業(yè)的自動包裝中。

4.結束語

20世紀90年代以來，在電子稱重技術和工業(yè)、商業(yè)、家用 電子秤快速發(fā)展的強力牽引下，稱重傳感器的設計技術、制造 技術和工藝技術都有很大提高，取得了許多令人矚目的成果。 總結工業(yè)發(fā)達國家特別是美、德、日稱重傳感器技術與產(chǎn)品的 發(fā)展與創(chuàng)新經(jīng)驗，概括起來就是設計技術虛擬化，制造技術柔 性化，生產(chǎn)工藝網(wǎng)絡化，企業(yè)管理信息化。稱重傳感器與地磅數(shù)字化是現(xiàn)代地磅發(fā)展最突出的熱點，電子技術的飛躍 進步，單片機的普及與推廣，為稱重傳感器提高性能、稱量自動 和智能化作出了貢獻;微電子、信息、智能卡等高新技術更加速 了稱重傳感器數(shù)字化、智能化、微型化、微功耗的進程。由于單 片機本身的嵌入式軟件技術及大規(guī)模集成電路等特點，具有三 電一體化(機電、電子、微電子）高新技術的地磅產(chǎn)品便會 應運而生，制造工藝的簡化、產(chǎn)品成本的降低、利潤空間的增 大，將會掀起新一代稱重傳感制造技術的革命與競爭，稱重傳 感器制作的地磅也會更廣泛的應用到稱重領域。