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1、第 1 章 引言 第 1 章 引 言 第 1 章 引 言 1.1 选题背景及研究意义 选题背景及研究意义 物体的质量计量渗透在生活的方方面面中，其发展也经过了漫长的历程。在 文献 1 中提到的最早发明的天平是公元前约 2500 年埃及所使用的天平，而将计 量器具天平作为科学研究的工具，用于定量测量，是十八世纪以后的事。 随着现代化工业的发展，称重技术也经历了一个极大的发展过程，其作用已 经不仅仅是一个单件的计量器具，更多的是在工业生产中起着调节和控制的作 用。流水化生产线初现于工厂时，生产线上物料或者产品的重量都由人工控制， 工人定时从生产线上抽取产品进行称量。这种停顿状态下的抽查方式，成了高
2、速 生产和质量管理的瓶颈。 而一个实时的在线称重系统在生产过程中快速地在线称 重，既省去了人力，同时还能对数据进行统计分析与处理，如输出实时的重量曲 线的波形图、直方图、重量的标准偏差、平均值，相关的参数报告、统计报告以 及按时间、数量或者重量分类的间隔报告等2。 在线称重系统在国外较早地应用于食品、制药、化工、机械工业以及农副产 品等领域。近几年，国内的相关行业也都引进了国外设备应用到生产线上，提高 了生产能力和生产质量。如福建南平南孚电池，宁波豹王电池等中国电池行业的 知名企业均采用在电池生产线上配置梅特勒-托利多仪器有限公司的 S2 自动检 重秤来控制电池正负极的填料量。 CCTV 中的
3、一段视频介绍了扬子江药业是如何 立足于本国与国际接轨的生产环境的，采用了先进的生产及包装设备，实现全自 动、规模化生产。值得一提的是，其采用的先进的产品检测设备，其中就包括梅 特勒-托利多 Garvens 的 S 系列自动检重秤，其高精度能保证检测到缺少说明书 （1-2g）的药盒，并且从生产线上自动剔除。蒙牛集团有液态奶利乐枕自动灌装 线若干条，每天提供大量的新鲜牛奶供应市场，牛奶的灌装量检验和控制一直是 生产上一个头疼的问题。德国碧彩公司通过对灌装机调节装置的改进，配合其 CWM750 自动检重和反馈控制系统的利用，有效控制了灌装重量，降低了企业 成本。 上述企业采用的在线称重系统均为国外产
4、品， 我国自主研制的自动在线称重 系统较少，在准确度和速度上也难以满足用户的需求，所以目前国内亟需要研制 出一套属于自己的能够满足用户需求的在线称重系统。另外，自从称重技术发展 以来，在学术上对静态称重作了大量的研究，对动态称重的学术研究开展的还是 不多，主要是准确度和速度这一对矛盾未能很好的解决，因此，探索新方法、寻 求高精度高速的在线称重系统在学术上颇具价值。 1 成都理工大学硕士学位论文 1.2 国内外研究动态及发展现状国内外研究动态及发展现状 1.2.1 国内外研究动态 在电子称重装置的研制和生产上，日本、德国、瑞士等国家起步较早。早在 上世纪八十年代初期，他们就已具备批量生产电子天平
5、的能力，如今其年产量有 几百万台以上， 占全世界电子天平产量的 90%以上， 其电子天平技术处于国际先 进水平。 我国从上世纪六十年代中期开始研制和生产电子称重装置， 初期为模拟指针 式，后来发展为数字式。由于早期技术条件的限制，产品准确率低、可靠性差， 适应工厂环境的能力差，故障率和损坏率也一直很高。八十年代以来，我国开展 了与国外的技术交流和合作，引进了一批样机、生产技术和加工测试设备，通过 消化、吸收和改造，使电子称重装置的综合水平有了很大提高。衡器的发展必须 建立在国内传感器行业的发展基础上。从 20 世纪 80 年代，我国 20 多家称重传 感器企业先后引进美、日等国的设计与制造技术
6、进行小批量生产。如今，中国传 感器行业已初具规模，步入快速发展阶段。称重装置中使用的传感器，其高端就 是电磁力平衡式传感器。 电磁力平衡式传感器是一项相对成熟的专利技术， 对传感器的生产条件要求 较高。目前，世界上只有为数不多的几家大厂掌握这种技术。这种高精度的电子 称重装置由于其独特的工作原理和成熟的工艺水平，精度非常高，主要用于高端 市场。 例如用高强度航空铝合金材料通过高精度电火花切割加工而成的单模块传 感器，瑞士梅特勒-托利多集团和德国赛托利斯都有该项专利技术，它将传统的 电磁力平衡式传感器中的杠杆、 上下导杆、 底座以及簧片等多个零部件融为一体。 由于内部无连接螺丝，从而大大提高其可
7、靠性同时，高效的机械传输性能和扭力 保护，提高了其使用寿命。值得一提的是，环境变化而引起的温度漂移是影响精 度的原因之一，由于单模块具有同一性的温度变化，使测量的可靠性得以大大提 高。 虽然国内也有几家企业掌握了电磁力平衡式传感器的称重技术， 但是在动态 和在线称重方面，目前国内的食品、药品、化工、机械及农副产品等多个行业中 用到大部分都是国外的进口设备。如瑞士 Mettler-Toledo 集团旗下的 Garvens 公 司推出的一系列高速度、高精度在线检重设备，包括堪称最新动态称重技术经典 之作的 S 系列自动检重秤，具有多种量程和精度范围，主要用于制药、日化、食 品、电池等行业；经济实用
8、的 E 系列自动检重秤；大件产品在线检重的 ID1 Plus 系列； 将 Garvens 自动检重秤和 SafeLine 金属检测器合为一体的金属异物检测的 Combichecker 金检/重检一体机等等。德国赛托利斯旗下也有很多的自动检重设 备，如 BOEKELS EWK 系列和 SYNUS 系列，均采用为动态检重秤专门开发的 2 第 1 章 引言 超级单体电磁力传感器，使产品具有极高的精度、超快的稳定时间、不可比拟的 稳定性和坚固的工业级结构。 1.2.2 动态称重技术的发展趋势及相关产品 称重技术集传感器技术、微电子技术、计算机控制及测试技术、机械制造自 动化技术、物料输送和管理技术等一
9、体3，是现代称重计量和控制系统工程的重 要技术基础。涉及到各行各业，其功能也不再是单纯的计量，而是向多参数、多 专业综合控制方面拓展，逐渐形成多元化的智能管理和控制系统。对于动态称重 技术的发展方向，大致可以概括为以下几个方面45： 1高速度、高精度、高性能； 2小型化、模块化、集成化、智能化及综合化； 3.稳定性、质量可靠性、长寿命、故障自诊断能力及可维护性； 4网络化管理，实现网上通讯和远程计量。 总之，智能化、自动化、多功能化将成为现代称重技术的发展方向6。 应用动态称重技术，主要可开发成产品类型有： 连续累计自动衡器(皮带秤)（国际建议 OIML-R50） ； 自动分检衡器（国际建议
10、OIML-R51） ； 重力式自动装料衡器（国际建议 OIML-R61） ； 自动轨道衡器（国际建议 OIML-R106） ； 非连续累计自动衡器(累计料斗秤)（国际建议 OIML-R107） ； 动态汽车衡（国际建议 OIML-R134） 。 1.3 动态称重系统的关键技术动态称重系统的关键技术 一个好的控制系统，关键是要解决动态特性和稳态误差的关系。在动态称重 系统中这两个关键问题就是准确度和速度的问题， 尽可能快的速度下还要得到尽 可能高的准确度度，是本次设计也是计量领域的难题之一。在本次设计中，该难 题分解为以下三个问题：称重传感器的调试，力学模型的建立和算法实现以及动 态称重信号的处
11、理。 称重传感器的调试主要是对传感器线圈电流的控制， 根据物体的重量大小来 调节电流， 同时线圈电流调节器又反过来控制电流的大小使传感器保持在一个平 衡位置。 对运动中的物体进行称重，除了需要考虑物体的静态特征外，更重要的是要 考虑到物体的运动特征，这使得动态称重的方法完全不同于静态称重。目前，动 态称重主要是用数据处理的方法来实现， 数据处理过程需要基于一种相应的运动 3 成都理工大学硕士学位论文 力学模型及其算法，需要解决运动物体的速度、加速度、运动方向、振动频率、 振动幅度等诸多方面的因素造成的称重误差。可以说，力学模型的建立和算法实 现是动态称重发展的最大阻力。 动态称重信号的处理主要
12、是对在振动过程中采集到的称重信号进行滤波平 滑、非线性等处理，并对系统进行动态特性分析，以得到一个精确的称重值。 1.4 课题来源及主要研究内容课题来源及主要研究内容 本次毕业设计来源于中国测试技术研究院的横向合作项目。 目的是设计一个实时高准确度的在线称量控制系统， 该系统基于电磁力平衡 传感器实现，得到高准确度的称重结果的同时，还能对称量的数据结果进行实时 分析及统计。论文的主要研究工作有以下几个方面： 1 调研、收集及查阅相关资料对系统进行整体规划，画出系统整体框图及 各功能模块。 2 设计系统硬件，绘制原理图及制作 PCB（Printed Circuit Board，印制板） 板，在静
13、态称量时能得到量程为 200g、检定分度值 e 为 1mg。 3 对系统运用经典控制理论的方法，建立系统传递函数，对其动态特性进 行分析，在动态变化的情况下估计出重量曲线，在皮带传输速度为 80 件/分时， 能得到1g 的分辨率。 4 系统软件设计，对采集到的称重信号进行滤波和线性处理，同时实现称 量过程的多功能化，包括去皮，检重，计件，累加，单位转换和数据传输功能。 5 编写上位机软件，对数据进行实时的直方图或折线图的绘制，手动或自 动保存数据至数据库，方便日后进行统计分析或查询。 4 第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析 第 2 章第 2 章 电磁力平衡传感器原理及特性分析电磁力平衡
14、传感器原理及特性分析 2.1 几种常用的称重传感器比较几种常用的称重传感器比较 称重传感器是整个称重系统的心脏， 不管是小型的台秤还是大型的程序控制 系统，它是最有可能影响系统准确性和可靠性的部分。称重传感器按转换方法分 为光电式、液压式、电磁力式、电容式、振动式、陀螺仪式、电阻应变片式等 7 类，以电阻应变片式使用最广。下面是几种常用的称重传感器的工作原理、特性 及优劣比较。 2.1.1 电阻应变式传感器 电阻应变片式传感器是将被测件上的应变片受力形变转换成为一种电信号 的敏感器件，应用最多的是金属电阻应变片（图 2-1）和半导体应变片。电阻应 变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生力学应变的
15、基体上， 当基体受力发生应 力变化时，应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻 上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应 变片都组成惠斯顿电桥（图 2-2） ，并通过后续的仪表放大器进行放大。 金属导体的电阻值可用下式表示： S L R= (2-1) 式中：金属导体的电阻率（cm2/m） S导体的截面积（cm2） L导体的长度（m） 图图 2-1 金属电阻应变片的结构 图图 2-2 惠斯顿电桥 5 成都理工大学硕士学位论文 电阻应变式传感器的称量范围为 300g 至数千 kg，计量准确度达 1/1000 1/10000，结构较简单，可靠性较好，
16、大部分电子衡器均使用此传感器。 电阻应变式传感器的优点是准确度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频 响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它 的缺点是机械滞后、蠕变和零漂、应变极限，对于大应变有较大的非线性、输出 信号较弱，但是可通过一定措施改进。由于电阻应变片式传感器的广泛使用，对 其的特性研究也是最多的，可以说是一项相对很成熟的技术。 2.1.2 电容式传感器 电容式传感器是一种把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的 传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器，其最常用的形式是由两个平 行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图 2-3） 。它利用电容器振荡电路的 振荡频率f与极板间距d的正比例关系工作7。 若忽略边缘效应，平板电容器的电容为 d
