文献综述-数字称重计量系统设计

毕业论文文献综述

机械设计制造及其自动化

数字称重计量系统设计

一、研究现状和发展趋势

电子衡器是指配有电子称重装置的衡器，主要由称重传感器、承载器、称重仪表这3部分所组成。其主要的工作原理是将作用在称重承载器上的力传递到称重传感器上，并将其转换成与之相对应的模拟信号（电压或电流），输出的模拟量信号再经过A/D转换器转换成数字量信号，并在仪表盘上显示出来。

我国是从20世纪60年代中期开始研制并生产电子秤的，模拟指针式的电子秤是早期电子秤主要形式，20世纪80年代中后期开始发展为数字式，20世纪90年代末至21世纪初已研制开发出微机式电子秤。而数字化传感器的推出则是在80年代末，美国SENSORTRONICS（STS）公司在88年全美衡器展览会上首次推出了一种能将A/D转换器放置于普通应变式称重传感器中的数字传感器，即整体型数字传感器，这种传感器在美国市场备受瞩目。

应变式称重传感器生产的工艺环节比较多，工艺比较复杂，尽管投入了大量物力、人力及精力，调整了像灵敏度、温度、零点、滞后、非线性、蠕变等性能的补偿及四角误差等的问题，但是要达到高质量的要求，补偿技术的设备却还难以做到，普遍存在着质量成本和生产成本一直居高不下的严重问题。然而随着电子技术的飞速发展，以及单片机技术的普及化，数字化称重传感器也就应运而生。它是一种将现代电子技术及计算机软件技术与传统应变式称重传感器相结合而发展起来的新型的电子称重技术。它采用的称重技术是在传感器内部采用了高智能化、高集成化的处理单元，将模拟重量信号进行A/D转换，自动对应变式称重传感器的滞后、零点、非线性、温度、蠕变性能等进行数字化补偿，最后输出数字信号。

电子技术的飞速发展也使衡器数字化得到了大大的发展，但电子衡器却还仍处在模拟电子技术的水平。在称重仪表与数字称重传感器产品的开发过程中，软件自动化补偿技术及其A/D转换技术的重复和混乱使用，造成了器件资源的严重浪费，增加的外围电路，系统软件的不统一和不完善，使得产品成本增加了不少，不能真正实现电子秤的微型化、低功耗、智能化和高可靠性的目的。自1986年大面积推广单片机技术以来，我国在单片机的应用、开发方面积累了非常丰富的实践经验，培养和造就了大批的传感器方面的技术人才。单片机已经成为计算机网络、智能仪器仪表、工业测控与通信设备领域

中最为理想的控制用微型计算机。所以说单片机的开发技术、应用技术已成为从事称重仪表、称重传感器专业的工程技术人员不可回避的一项非常重要技术手段。

由于原来的模拟式称重传感器的电阻应变转换原理决定了其固有的输出模拟信号小、抗干扰能力差、传输距离短以及安装调试都不方便等缺点。因此，人们早在二十世纪八十年代初就引起了对模拟式称重传感器缺点的高度重视，人们都在想能不能在不改变电阻应变式称重传感器称重机理的基础上，使上述缺点变为优点。为此国外一些称重传感器制造商推出了第一代“数字化称重传感器”，即把原本放在称重仪表内的A/D转换电路与放大电路，放置于称重传感器罩壳内或附近的接线盒内。数字化传感器主要由数字变送和模拟式传感器两部分组成。

上述传感器由于输出的是数字信号，所以就克服了模拟式称重传感器的信号小、抗干扰能力差、传输距离短等的缺点。但是其自身的制造、补偿、调整工艺决定了传感器的各项性能指标。也就是说，如果传感器自身的补偿、制造、调整工艺不合格，要靠数字信号的改变来补偿和提高整个传感器的力学与温度指标（注意不是数字变送电路自身的温度指标）是不可能的。目前众多的国内企业制造商与外资企业制造商主推的产品都属于此种类型的传感器，而此类传感器并没有突破原有功能。保证所设计和选用的数字变送电路以及器件不能降低整个传感器的温度与力学性能指标成为了要做到第一代“数字化称重传感器”的难点，也就是说必须使数字变送电路本身的温度漂移和时间漂移不影响传感器自身的补偿、制造、调整工艺所决定的力学与温度指标。另外，一些制造商虽然在局部的功能上有所改进。但总体上还是属于第一代“数字化称重传感器”。本阶段的数字化称重传感器主要特点是不改变传感器自身原本的制造、补偿、调整工艺，仅将原先在称重仪表内的A/D转换电路移至传感器内或接线盒内，实现称重数字信号的传送。

最新第三阶段的数字智能化称重传感器已应用于各种智能化闭环系统中以控制多用途、智能化多分量测量以及高速动态数字信号处理和网络通讯等场合，其发展趋势主要包括：

(1)智能化闭环控制

智能化闭环系统控制主要是指可以应用于各种高速高精度动态自补偿称重、智能化闭环等应用场合的控制系统。例如动态高速数字智能化称重传感器，除了用于标准的称重过程以外，还提供了定量灌装、分选等多用途的控制功能。内置信号处理模块使它可用于高精度、快速的称重环境。对于外部因素而引起的振动，称重传感器自带数字滤波器，可以消除这些振动所引起的误差。有些内置可编程的滤波器还能允许客户根据不同

的应用方式以改变滤波的参数。

(2)智能化多参量控制

智能化多参量测量是指称重传感器除了自身具有检测重量信息的功能之外，还能同时检测其它多参量信息。例如：完成动态加速度自动修正功能；电子吊秤传感器可检测加速度功能；汽车检测平台用称重传感器功能等，除了可以检测垂直方向的重量信息外还可以检测水平方向的侧向载荷，即多分力测量。

(3)高速动态信号处理技术

工业过程控制系统中，数字技术向网络化、智能化、开放性、信息化方向迅速发展。在利用目前工业过程控制系统中最为热点的现场总线控制系统FCS 中的工业控制软件的数据处理方法，首先救市对系统中的传感器结构以及数据处理的特性进行了分析，提出了FCS 的数据处理方法，据介绍该方法对处理平稳传感器数据和非平稳传感器数据都具有适应性。

可以看出，数字式智能化称重传感器已从原本传感器的单一检测和单一功能向多功能和多参量检测方向发展，由孤立一次仪表向系统化、集成化、网络化的方向发展，由开环数据传送向主动闭环数据控制和信息处理方向发展，这应该是我国数字式称重传感器制造行业目前和今后的主要发展方向。

国外数字计量系统发展现状

美国SENSORTRONICS/STS（STS）公司是世界上最具实力和规模的专业传感器制造厂商，它在22年推出了整体型数字传感器。但随着市场对数字传感器实用性和可靠性要求的不断提高和时间的推移，整体型数字传感器开始逐步露出由于结构设计所产生的技术缺陷，主要表现为：

（1）连接和布线都较为复杂，对于欲将数字信号进行远传的系统来说，如果需将数字信号远传10000 米，则要求每只传感器均需连上10000 米的电缆，使得施工连线非常复杂；此外如果将电子线路置于传感器内部则会降低传感器的防爆等级

（2）将复杂的A/D 转换电路置于传感器内部，并且与传感器同时工作在潮湿、充满粉尘、充满易燃、易爆介质的环境中，会降低整个传感器工作时的可靠性。

（3）制造和维修成本较高，整体型数字传感器中无论是应变部分或电子线路故障部分均需要更换整个数字传感器。

在九二年，美国SENSORTRONICS/STS（STS）公司在总结市场需求和经验的基础上推出了模块化数字传感器系统，取代了早期推出的整体型数字传感器，成为当今最先进的电子称量技术之一，在美国倍受广大用户的欢迎，目前在数字传感器市场上占有很大份