数字式智能称重传感器的发展与应用

发的热点 ! 本文结合国内外数字式智能称重传感器的发展与应用情况 " 重点介绍整体型 和分离型数字式智能称重传感器及其称重系统的基本原理 " 主要功能与特点 " 数字补偿 技术与工艺 " 并简要的介绍了整体型和分离型模块化数字式智能称重传感器在电子称重 技术中的应用 !
! 关键词 " 数字式智能称重传感器 # 模拟式称重传感器 # 数字称重系统 # 数字补偿
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智能称重传感器是与称重仪表等共同研制开发的 一项系统工程 ! 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 "!" $ 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 #!$% " 附加电源后可超 过 &$$%$ 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 ! 二 #数字化与数字式称重传感器的区别 模拟式称重传感器的被测重量参数虽然最初 是由敏感元件以模拟形式给出 " 但都还要转换成模 拟电压或模拟电流 ! 在制造工艺 #电路补偿与调整 # 信号调理# 模一数转换等方面已经积累了很多经 验 " 因而应用面比较广泛 ! 但其输出信号小 " 传输距 离短 " 抗干扰能力差 " 各补偿项目交互作用 " 电路补 偿与调整工艺复杂 " 不但耗时费力而且补偿精度较 低等缺陷 " 决定了模拟式称重传感器向数字式智能 化方向发展 " 只能寄生于应变电桥之外的数字转换 单元 " 变模拟信号为数字信号 ! 因而 " 出现了两种数 字转换途径 " 一种是将模拟式称重传感器的输出信 号 "通 过 安 装 在 其 内 部 的 数 字 变 送 器 "变 为 数 字 信 号输出 "通常称为数字化称重传感器 ! 即 % 模拟式称重传感器 ’ 数字变送器 ! 数字化称重 传感器 数字变送器可以作得很小" 称为数字变送模 块 " 一般都将它固定在模拟式称重传感器的接线盒 内 " 即方便调试又有利于密封 ! 数字化称重传感器 的力学和温度性能指标 " 都是以模拟式称重传感器 的制造工艺和电路补偿与调整技术为基础的 " 数字 变送器只是将模拟输出信号数字化 " 并不能提高各 项性能指标 ! 相反 "如果数字变送器质量不佳 " 还会 损失一些固有的性能 " 因而生产厂家通常挑选那些 电路补偿精度高 " 综合性能好的模拟式称重传感器 进行数字化处理 !
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#3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 #(4* 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 "
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科 技 应 用
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 $ 数字滤波技术一称重 传感器的模拟输出信号 ! 经 !"# 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 !"# 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
技术 # 数字补偿软件
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! ! 一 $概述 自从 +* 世纪 ,* 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
科 技 应 用
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数字式智能称重 传感器的发展与应用
中国运载火箭技术研究院第 &*+ 研究所
!摘
刘九卿
要 " 数字式智能称重传感器及数字称重系统是近些年来电子衡器领域研究开
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于采用 ’ 数据库 ( 技术 " 使得微处理器能不断的对数 据进行识别和校正 " 使其具有更多的智能 "发挥更大 的作用 ! 可见数字处理电路和软件设计是实现数字 补偿技术与工艺的重要环节 ! 三 # 数字式智能称重传感器 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 !
=8 个焊点的模拟式称重传感器 " 而称重传感器的平
均无故障时间与其含有的电子元件和焊点数成反 比 ! 因此 !稳定性和可靠性必然有所下降 % ’7 (内部的电子元件决定了工作温度范围小 ! 一 般为948#>8$" 如需在 948$ 以下的环境工作时 ! 应 选用的低温元器件 ! 其成本将呈几倍甚至 48 倍上 升% ’= (将数字电路置于称重传感器内部后 !除按常 规检测 # 标定外 ! 还应按称重仪表的要求进行静电放 电抗扰度 # 射频电磁场辐射抗扰度和电快速瞬变脉 冲群抗扰度等试验 % ’> (数字式智能化电路置于称重传感器内部 ! 降 低了防爆等级 !若满足防爆要求 !必须采用较昂贵的 防爆和隔爆措施 % ’5 (制造和维修成本较高 ! 无论是电阻应变计电 桥电路部分还是数字式智能化电路部分出现故障 ! 均需整体更换一个新的数字式智能称重传感器 "
科 技 应 用
另一种是彻底脱离模拟式称重传感器的制造工 艺和传统的电路补偿与调整技术 " 开发新型的数字 式智能称重传感器 ! 它是在弹性元件贴片 # 固化 #后 固化和布线组桥后 " 就脱离模拟式称重传感器的制 造工艺 ! 通过由放大 " 滤波 "()* 转换 " 微处理器芯 片 " 温度敏感元件等元器件组成的数字式电路 " 以及 标度变换 " 数字滤波 " 数字调零 " 数字补偿等软件技 术 " 使称重传感器输出的数字信号成为一组组有格 式 # 有规律的高低电平信号 " 经过效率高 # 可靠性好 的接口实现远距离传输 ! 即 % 弹性元 件 电 桥 电 路 + 数 字 式 智 能 化 电 路 ’ 数 字 补偿技术与工艺! 数字式智能称重传感器 典型的模拟式称重传感器系统的模一数变换器 只有 #&& ,-./比特 0 " 即有 !$$$$ 个可用计数 " 而数字 称重系统中的每一个数字式智能称重传感器的分辨 率为 1$& ,-. "即有 #$$$$$$ 个可用计数 ! 所以 " 一个 由 2 只数字式智能称重传感器组成的数字式称重系 统 " 可以提供 2$$$$$$ 个可用计数的分辨率 ! 这种 高分辨率对数字称重系统 " 特别是对那些大的死载 " 小的活载的称重系统是至关重要的 ! 这在传统的模 拟式称重传感器组成的称重系统中是很难实现的 ! 模拟式称重传感器 "基本上是手工化生产 " 人为 的因素对产品质量影响较大 ! 零点温度 " 灵敏度温 度 " 线性 # 滞后 # 蠕变等补偿方法和补偿工艺还不够 完善 " 各项补偿之间交互作用 "不可避免的产生残余 误差 " 限制了准确度和稳定性的进一步提高 ! 数字式智能称重传感器 " 基本上是自动化生产 " 人为的因素对产品质量影响很小 ! 其数字调零 " 标 度变换 " 温度补偿 " 线性 # 滞后 # 蠕变补偿等 " 都是通 过内部的微处理器收集 # 处理并存储各种数据 ! 由
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的需求愈来愈多 " 对衡器行业提出了电子衡器数字 化 $智 能 化"用 数 字 称 重 系 统 突 破 模 拟 称 重 系 统 的 局限性等要求 ! 众所周知 " 数字称重系统要求称重 传感器和称重仪表系统以数字形式输出 ! 目前在用 的模拟式称重传感器 " 由于电阻应变转换原理决定 了无论采用何种电阻应变计进行制造 " 其本身都不 能产生具有数字特征的输出信号 " 而且存在着输出 的模拟信号小 " 一般为 +*. ,!/0# 传输距离短 # 抗干 扰能力差 # 称重显示控制仪表复杂 # 安装 $ 调试不方 便等先天缺陷 ! 根本适应不了电子衡器数字化 $ 智 能化的要求 ! 因此 " 引起了人们对模拟式称重传感
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附加电源后可超过 @88? % ’5 (可采用软件运算方法调整四角误差 !利用数 字系统实现 ) 自校准 *! 因此 ! 安装 # 调试 # 检定非常方 便 !仅为传统方法的 4">% ’@ ( 对大量程的电子衡器和无法加挂砝码的称 重装置 ! 可进行无砝码标定 " 利用数字称重系统软 件 !输入各称重传感器的标定参数 !即可保证电子衡 器的称量准确度和工作可靠性 " 整体型数字式智能称重传感器存在的问题也比 较突出 ! 主要是 $ ’4 ( 由于在内部增加了 !"# 转换的前级放大器 和后级微处理器 !温度敏感元件等 @8 多个电子元件 和 =58 个焊点 !大大超过内部只有 44 个电子元件和
器与数字称重系统接口和数字式智能称重传感器的 重视 " 国外一些著名称重传感器生产厂家 "对此开展 了许多研究工作 " 并取得突破性的科技成果 "开发出 多种具有自主知识产权的产品 ! 早在 12#3 年为适应工业过程自动化的需要 " 美 国 $456748 现 96$$56: $45674; 公 司 就 引 入 了 % 数字式 &87<=<$45; 概念并逐步将其应用于称重领 域 ! 致力于研究采用微处理器技术 $数字补偿技术 " 使其与传统的应变式称重传感器技术相结合 " 经过 多年的努力 "开发出摇柱型数字式智能称重传感器 ! 美 国 >$> 公 司 也 在 12## 年 全 美 衡 器 展 览 会 上 " 推 出了整体型数字式智能称重传感器 ! 两者都是以模 拟式称重传感器的基本原理为基础" 利用现代电 子技术及计算机软件技术而开发出的新型称重传 感器! 即在模拟式称重传感器内部增加放大$滤 波 $ ?@7 转换 $ 微处理器芯片和温度敏感元件等 1A 多个元器件 "利用标度变换 " 数字滤波 "数字调零 " 数 字补偿等技术与工艺制造完成 ! 数字式智能称重传 感器的制造工艺 " 检测项目 " 试验方法 " 配套的称重 仪表与模拟式称重传感器有很大区别 !因此 "数字式