數(shù)字式智能稱重傳感器的應用

　　一、概述

　　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60多年的種種改進與發(fā)展，從結(jié)構(gòu)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，在各種電子衡器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(shù)的進步，工業(yè)過程自動化水平的提高，特別是數(shù)字技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展，在稱重計量與控制系統(tǒng)中，應用數(shù)字技術(shù)與數(shù)字系統(tǒng)的需求愈來愈多，對衡器行業(yè)提出了電子衡器數(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。根本適應不了電子衡器數(shù)字化、智能化的要求。因此，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)廠家，對此開展了許多研究工作，并取得突破性的科技成果，開發(fā)出多種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。

　　早在1983年為適應工業(yè)過程自動化的需要，美國TOLEDO（現(xiàn)METTLER TOLEDO）公司就引入了“數(shù)字式”（DIGITOL）概念并逐步將其應用于稱重領域。致力于研究采用微處理器技術(shù)、數(shù)字補償技術(shù)，使其與傳統(tǒng)的應變式稱重傳感器技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)過多年的努力，開發(fā)出搖柱型數(shù)字式智能稱重傳感器。美國STS公司也在1988年全美衡器展覽會上，推出了整體型數(shù)字式智能稱重傳感器。兩者都是以模擬式稱重傳感器的基本原理為基礎，利用現(xiàn)代電子技術(shù)及計算機軟件技術(shù)而開發(fā)出的新型稱重傳感器。即在模擬式稱重傳感器內(nèi)部增加放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器芯片和溫度敏感元件等10多個元器件，利用標度變換，數(shù)字濾波，數(shù)字調(diào)零，數(shù)字補償?shù)燃夹g(shù)與工藝制造完成。數(shù)字式智能稱重傳感器的制造工藝，檢測項目，試驗方法，配套的稱重儀表與模擬式稱重傳感器有很大區(qū)別。因此，數(shù)字式智能稱重傳感器是與稱重儀表等共同研制開發(fā)的一項系統(tǒng)工程。

　　數(shù)字式智能稱重傳感器具有輸出信號大，數(shù)字信號是一組組高低電平信號，有格式、有規(guī)律的組成，一般為士SV;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，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(jié)構(gòu)的各類配料秤、容積秤和超大型電子衡器的首選產(chǎn)品。

　　從電子衡器的品種、結(jié)構(gòu)、用途上看，數(shù)字式智能稱重傳感器，不可能完全取代模擬式稱重傳感器，在今后一個比較長的時期內(nèi)，模擬式稱重傳感器，仍然是稱重傳感器發(fā)展與應用的主流。但我們必須重視并認真研究數(shù)字式智能化稱重傳感器及其在數(shù)字稱重系統(tǒng)中的應用。

　　二、數(shù)早化與數(shù)早式稱重傳感器的區(qū)別

　　模擬式稱重傳感器的被測重量參數(shù)雖然最初是由敏感元件以模擬形式給出，但都還要轉(zhuǎn)換成模擬電壓或模擬電流。在制造工藝、電路補償與調(diào)整、信號調(diào)理、模一數(shù)轉(zhuǎn)換等方而已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗，因而應用而比較廣泛。但其輸出信號小，傳輸距離短，抗干擾能力差，各補償項目交互作用，電路補償與調(diào)整工藝復雜，不但耗時費力而且補償精度較低等缺陷，決定了模擬式稱重傳感器向數(shù)字式智能化方向發(fā)展，只能寄生于應變電橋之外的數(shù)字轉(zhuǎn)換單元，變模擬信號為數(shù)字信號。因而，出現(xiàn)了兩種數(shù)字轉(zhuǎn)換途徑，一種是將模擬式稱重傳感器的輸出信號，通過安裝在其內(nèi)部的數(shù)字變送器，變?yōu)閿?shù)字信號輸出，通常稱為數(shù)字化稱重傳感器。即：

　　模擬式稱重傳感器+數(shù)字變送器、數(shù)字化稱重傳感器

　　數(shù)字變送器可以作得很小，稱為數(shù)字變送模塊，一般都將它固定在模擬式稱重傳感器的接線盒內(nèi)，即方便調(diào)試又有利于密封。數(shù)字化稱重傳感器的力學和溫度性能指標，都是以模擬式稱重傳感器的制造工藝和電路補償與調(diào)整技術(shù)為基礎的，數(shù)字變送器只是將模擬輸出信號數(shù)字化，并不能提高各項性能指標。相反，如果數(shù)字變送器質(zhì)量不佳，還會損失一些固有的性能，因而生產(chǎn)廠家通常挑選那些電路補償精度高，綜合性能好的模擬式稱重傳感器進行數(shù)字化處理。

　　另一種是徹底脫離模擬式稱重傳感器的制造工藝和傳統(tǒng)的電路補償與調(diào)整技術(shù)，開發(fā)新型的數(shù)字式智能稱重傳感器。它是在彈性元件貼片、固化、后固化和布線組橋后，就脫離模擬式稱重傳感器的制造工藝。通過由放大，濾波，A/D轉(zhuǎn)換，微處理器芯片，溫度敏感元件等元器件組成的數(shù)字式電路，以及標度變換，數(shù)字濾波，數(shù)字調(diào)零，數(shù)字補償?shù)溶浖夹g(shù)，使稱重傳感器輸出的數(shù)字信號成為一組組有格式、有規(guī)律的高低電平信號，經(jīng)過效率高、可靠性好的接口實現(xiàn)遠距離傳輸。即：

　　彈性元件電橋電路+數(shù)字式智能化電路+數(shù)字補償技術(shù)與工藝、數(shù)字式智能稱重傳感器

　　典型的模擬式稱重傳感器系統(tǒng)的模一數(shù)變換器只有16-bit（比特），即有50000個可用計數(shù)，而數(shù)字稱重系統(tǒng)中的每一個數(shù)字式智能稱重傳感器的分辨率為20-bit，即有1000000個可用計數(shù)。所以，一個由4只數(shù)字式智能稱重傳感器組成的數(shù)字式稱重系統(tǒng)，可以提供4000000個可用計數(shù)的分辨率。這種高分辨率對數(shù)字稱重系統(tǒng)，特別是對那些大的死載，小的活載的稱重系統(tǒng)是至關重要的。這在傳統(tǒng)的模擬式稱重傳感器組成的稱重系統(tǒng)中是很難實現(xiàn)的。

　　模擬式稱重傳感器，基本上是手工化生產(chǎn)，人為的因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。零點溫度，靈敏度溫度，線性、滯后、蠕變等補償方法和補償工藝還不夠完善，各項補償之間交互作用，不可避免的產(chǎn)生殘余誤差，限制了準確度和穩(wěn)定性的進一步提高。 數(shù)字式智能稱重傳感器，基本上是自動化生產(chǎn)，人為的因素對產(chǎn)品質(zhì)量影響很小。其數(shù)字調(diào)零，標度變換，溫度補償，線性、滯后、蠕變補償?shù)?，都是通過內(nèi)部的微處理器收集、處理并存儲各種數(shù)據(jù)。由于采用“數(shù)據(jù)庫”技術(shù)，使得微處理器能不斷的對數(shù)據(jù)進行識別和校正，使其具有更多的智能，發(fā)揮更大的作用?？梢姅?shù)字處理電路和軟件設計是實現(xiàn)數(shù)字補償技術(shù)與工藝的重要環(huán)節(jié)。

　　三、數(shù)字式智能稱重傳感器

　　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(jié)構(gòu)形式，即整體型和分離型。

　　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J哇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(shù)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。因為，數(shù)字補償技術(shù)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(shù)主要有：數(shù)字濾波技術(shù)一稱重傳感器的模擬輸出信號，經(jīng)A/D變換后進入微處理器時，?；爝M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(shù)一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)后才能運算、顯示;數(shù)字調(diào)零技術(shù)一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(shù)一建立表達溫度的數(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(shù)一根據(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。

　　美國TOLEDO公司、STS公司、CARDINAL公司和德國HBM公司研制的數(shù)字式智能稱重傳感器，都有自己獨特的數(shù)字補償技術(shù)和工藝。在數(shù)字輸出消除電噪聲;數(shù)字電路實現(xiàn)自動溫度補償;解決抗射頻干擾（RF1）和電磁干擾（EMI）;實現(xiàn)自適應、自校準、自診斷功能和內(nèi)置過壓保護板以應付閃電引起的電瞬變等方而的技術(shù)與工藝均處于領先地位。整體型數(shù)字式智能稱重傳感器的特點是：

　?。?）產(chǎn)生、處理和存儲數(shù)字信號容易，輸出信號大，輸出信號是一組組高低電平信號，一般為士SV;

　?。?）具有很高的分辨率，一般為20-bit，可用計數(shù)高達1000000，且準確度高，穩(wěn)定性好;

　　（3）高電平數(shù)字信號抗外部射頻干擾和電磁干擾能力強;

　?。?）強信號輸出，傳輸距離遠，通?？蛇_150m ，附加電源后可超過600m ;

　?。?）可采用軟件運算方法調(diào)整四角誤差，利用數(shù)

　　字系統(tǒng)實現(xiàn)“自校準”，因此，安裝、調(diào)試、檢定非常方便，僅為傳統(tǒng)方法的1 /4 ;

　?。?）對大量程的電子衡器和無法加掛祛碼的稱重裝置，可進行無祛碼標定。利用數(shù)字稱重系統(tǒng)軟件，輸入各稱重傳感器的標定參數(shù)，即可保證電子衡器的稱量準確度和工作可靠性。

　　整體型數(shù)字式智能稱重傳感器存在的問題也比較突出，主要是：

　?。?）由于在內(nèi)部增加了A/D轉(zhuǎn)換的前級放大器和后級微處理器，溫度敏感元件等60多個電子元件和350個焊點，大大超過內(nèi)部只有11個電子元件和30個焊點的模擬式稱重傳感器。而稱重傳感器的平均無故障時間與其含有的電子元件和焊點數(shù)成反比，因此，穩(wěn)定性和可靠性必然有所下降;

　?。?）內(nèi)部的電子元件決定了工作溫度范圍小，一般為一10400C。如需在一10℃以下的環(huán)境工作時，應選用的低溫元器件，其成本將呈幾倍甚至10倍上升;

　?。?）將數(shù)字電路置于稱重傳感器內(nèi)部后，除按常規(guī)檢測、標定外，還應按稱重儀表的要求進行靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度和電快速瞬變脈沖群抗擾度等試驗;

　?。?）數(shù)字式智能化電路置于稱重傳感器內(nèi)部，降低了防爆等級，若滿足防爆要求，必須采用較昂貴的防爆和隔爆措施;

　?。?）制造和維修成本較高，無論是電阻應變計電橋電路部分還是數(shù)字式智能化電路部分出現(xiàn)故障，均需整體更換一個新的數(shù)字式智能稱重傳感器。

　　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1992年推出分離型2200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，它的輸出便以數(shù)字信號傳輸給與其配套的稱重顯示控制儀表。通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)。它即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轉(zhuǎn)換電路的工作環(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（稱重接線盒正確使用方法），變模擬信號輸出為數(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育旨;

　　（2）采用模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)，可在不改變原有電子衡器結(jié)構(gòu)的基礎上，實現(xiàn)電子衡器數(shù)字化;

　?。?）模擬式稱重傳感器可在一4070℃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;

　?。?）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：

　?。?）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;

　?。?）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。

　　美國STS公司模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)，主要技術(shù)指標如下：

　　（1） A/D通道：四個互相獨立20-bit ，叉-0A/D轉(zhuǎn)換通道。

　?。?）轉(zhuǎn)換數(shù)率：100取樣/秒。

　?。?）內(nèi)分辨率：1048000

　?。?）分度數(shù)分辨率200000

　?。?）信號靈敏度：0.1 }。，v/分度。

　　（6）信號范圍：O.Smv/v到6mv/v

　?。?）激勵電壓：10士O.SVDC

　　（8）校準：常規(guī)/數(shù)字（不需要祛碼）。

　　（9）串行口1：雙向RS232或20MA電流環(huán)。

　?。?0）串行口2：雙向RS232或RE485或20MA電流環(huán)。

　?。?1）數(shù)字口：6輸入，7輸出;TTL低電壓有效。

　　四、整體型和分離型數(shù)字式稱重傳感器的應用

　　整體型數(shù)字式智能稱重傳感器主要應用于實現(xiàn)工業(yè)過程自動化的數(shù)字稱重系統(tǒng)和數(shù)字化電子衡器。應用較多的是結(jié)構(gòu)比較復雜的電子料斗秤，電子配料秤，電子液罐秤，大量程的電子平臺秤、電子汽

　　車衡、動態(tài)軌道衡和具有大的死載，小的活載的特殊電子秤。前者主要是看重數(shù)字式稱重傳感器系統(tǒng)，可利用軟件輸入數(shù)字式智能稱重傳感器各標定參數(shù)實施無祛碼標定，后者則是利用數(shù)字式智能稱重傳

　　感器提供的1000000個可用計數(shù)的高分辨率，這都是，模擬式稱重傳感器根本不能實現(xiàn)的。

　　分離型數(shù)字式稱重傳感器具有配置靈活，應用范圍廣泛，安裝調(diào)試方便，檢定方法簡單，環(huán)境適應能力強等特點，市場占有率不斷增加。美國STS公司開發(fā)的2200系列中的2203，2204和2224數(shù)字式稱重傳感器模塊，就可以組成各種數(shù)字稱重系統(tǒng)。2203，2204和2224數(shù)字式稱重傳感器模塊，只是內(nèi)分辨率，分度數(shù)分辨率等有所不同，其它基本相同，都能連接3mv/v的模擬式稱重傳感器，最多可達12只。各稱重傳感器的模擬輸出信號通過帶有高速、高分辨的A/D變換器和微處理器的模塊，轉(zhuǎn)換為高電平數(shù)字信號，經(jīng)串行通信接口，傳輸?shù)健皵?shù)字過程稱重控制器”，經(jīng)此控制器可將數(shù)字和模擬數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸給集散控制系統(tǒng)、可編程控制器和個人計算機，這就組成了一個典型的數(shù)字稱重系統(tǒng)。由此不難看出，這種方案的突出特點是可以在對原有稱重系統(tǒng)不作任何改變，又不更換稱重傳感器的前提下，通過數(shù)字式稱重傳感器模塊，變模擬稱重系統(tǒng)為數(shù)字稱重系統(tǒng)。可以說這是對傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)進行數(shù)字化改造的一條捷徑，一定會有很好的發(fā)展前景。