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1、 中中国国计计量量学学院院硕硕 士士 学学 位位 论论 文文开开 题题 报报 告告 表表研究生姓名 ： 张 晟 入 学 时间： 2008 年 9 月 学 科： 精密仪器及机械 导 师： 叶 树 亮 开题报告日期： 2009 年 9 月 29 日 中国计量学院研究生部制2009 年 9 月 28 日- 1 -学位论文题目（暂定）面向电子皮带秤通用虚拟仪器测控平台的研制 理论研究应用研究用于生产其它论文类型考核小组负责人：考核小组成员：选题简介、目的和意义选题简介、目的和意义电子皮带秤是在皮带输送机输送物料过程中，同时进行物料连续、累积称重的一种计量设备1，其称重过程连续自动化、无需人工干预，被广
2、泛用于煤炭、冶金、矿山、化工、建材、烟草、港口运输等领域，是这些领域物料称重的重要衡器。电子皮带秤主要由测重传感器，测速传感器和二次仪表组成。测重传感器输出瞬时载荷信号，测速传感器输出瞬时输料速度信号，两路信号通过二次仪表内部的乘法电路，得出瞬时流量值，继续通过积分电路后，可计算出累计重量值。随着现代化智能测试监控系统的发展，这种基于模拟乘法、积分放大电路的传统二次仪表已经不符合人们对电子皮带秤继续发展的要求。目前还被广泛应用的这些电子皮带秤传统二次仪表，只具备对自动称重过程物料瞬时流量和累计重量的测量、显示，对象单一。其信号的处理能力差，精度较低，而且易受电磁干扰。它的智能化程度低，只能给出
3、测量结果而不能对自动测重过程进行实时监控，不利于人们完全掌握称重过程中的各种动态、瞬态信息（包括偶发的称重故障等） ；不利于提供大量信息定位和补偿电子皮带秤的所有误差源，提高测量准确度，致使国内大多数企业用电子皮带秤的测量准确度一直维持在 1.0%或以下水平并难以提高2。因此，提出一种智能化程度高、能够处理和反映各类称重动态信息的皮带秤测控系统，显得极为重要。随着微处理器的发展，人们已经将单片机、ARM 等微机系统应用到电子皮带秤二次仪表的设计当中。由于在皮带秤上加装了其他各种传感器，这类电子皮带秤设备实现了多变量同步测量和显示。它的数据处理能力有了很大的提升，可以对输料故障作简单的警报和处理
4、，但是仍然存在以下几方面的不足之处：(1)硬件方面包括电路板、仪器面板固化，若需要使设备增加新的功能，则须对整体硬件进行重新开发，成本很高；(2)软件方面模块化程度低，开发、更新不方便。这使得在企业对皮带秤设备的功能提出扩展要求时，就必须重新开发二次仪表的软硬件，耗时长、效率低，并且需要淘汰旧有产品。为改变这一现状，本课题拟引入虚拟仪器技术，搭建面向烟草行业用电子皮带秤的测控平台。基于计算机硬件的虚拟仪器可以做到硬件非固化、软件模块化、网络化、升级便捷，从而可延长皮带秤设备的使用寿命。它可以有效减小信号处理误差，以良好自定义的人机界面智能监控称量过程，多通道采集、显示人们关注的各种参数和警示信
5、号的瞬时变化。借助其数据存储、管理、波形或表格显示功能，可以更容易地分析物料瞬时流量和累计重量值在时域上随系统各类变量或影响因子（如输料速度、皮- 2 -带张力、环境温、湿度等）变化的响应曲线，为误差进行数学补偿提供足够信息量，为测重系统测量准确度的提高提供了很大便利。- 3 -文献综述 1 电子皮带秤概述皮带秤是一种重要的称重仪表，由于其具有动态测量和自动在线测量等优点，被广泛地应用于产品的定量包装和工业配料等工业现场。它可以起到减员增效、节支创收的作用，还可以提高管理、提高劳动生产率、降低劳动强度，大大提高了生产的自动化程度。皮带秤及其相关称重技术的研究一直受到世界各国的普遍关注，进一步采
6、用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确度，加强网络功能是当今各国发展的重点3。我国的皮带秤等衡器产业己初具规模，在世界衡器贸易中占有一定比例，但高档次衡器产品技术水平落后，积极开发具有自主知识产权的高档次衡器产品对发展我国的衡器产业具有重要意义。电子皮带秤按称重传感器的工作原理可分为：电阻应变式皮带秤、差动变压器式皮带秤、压磁式皮带秤、核子式皮带秤和陀螺式皮带秤等4。以秤架结构形式进行分类又可分为：单托辊式杠杆皮带秤、多托辊式杠杆皮带秤、平行板簧式皮带秤、悬臂式皮带秤、全悬浮式皮带秤等5。目前应用最广泛的是电阻应变式多托辊杠杆皮带秤6。1.1 电阻应变称重传感器的测量原理电阻应变式
7、传感器安装基于惠斯登电桥原理7，如图1。桥路由四片电阻应变片构成，当传感器受力作用时，应变片产生形变，桥臂电阻值发生变化。由于电桥平衡条件被破坏，当在传感器输入端加上恒定激励电压时，则其输出端产生比例于称重的输出电压，该电压信号即为瞬时载荷信号。 图 1 电阻应变式传感器结构原理1.2 旋转编码式测速传感器测量原理物料输送速度常采用旋转编码器来测量，运行中的输送带通过和编码器的摩擦转轮之间的摩擦作用，使其摩擦旋转，摩擦轮的旋转又拖动一个带有小孔的圆盘同步转动。光在圆盘转动时，间断地阻挡光敏元件接收光线，光敏元件的输出端输出脉冲信号，即瞬时输料速度。它的大小正比于脉冲的频率8。1.3 电子皮带秤
8、二次仪表传统皮带秤二次仪表一般分为模拟式和数字式两种9。它们将称重传感器在外加重物作用下输出的电信号以重量为单位给出重量示值。一般来说，电阻应变式称重传- 4 -感器输出的电信号幅度较小，为此除极个别直接用微安表进行测量外，大多数情况都要把传感器输出的电信号放大、处理后进行指示或显示。（1）模拟式仪表模拟式仪表是用仪表指针的行程大小来显示被称物的重量值。最简单的是采用磁电式仪表(微安表)或附有放大电路的毫伏变送器，也有采用自动平衡式指示仪(指示式或记录式)10。其优点是价格便宜、线路简单，但测量精度及分辨率低。（2）数字式仪表在电子称重系统中使用的数字式读取装置常用直流或交流数字电压表，与模拟
9、式读出装置比较，测量精度有所提高，读数直观，没有读数误差，配以数字记录装置后就能自动记录测量值。主要包括比较式数字电压表和积分式数字电压表两种。比较式数字电压表将输入的被测电压与仪器内部由数字编码控制的可变基准电压不断进行比较，直至两者相等，这时仪器内部的数字编码即可作为被测电压的数字量。积分式数字电压表是通过对被测信号电压和内部基准电压的积分，进行模-数变换。采用积分方式是为了消除串模干扰的交流成分叠加在直流被测信号电压上的影响11。然而，上述的二次仪表测量的对象单一，只能显示瞬时流量和累计流量的数值，对自动物料称重过程环境参数的测量和显示显得力不从心，不能远端实时监控皮带秤是否处于良好的工
10、作状态。总体概括有以下缺点：(1). 数据处理精度低；(2). 智能化程度低；(3). 不具备多通道、多变量采集和网络传输能力；为符合现代企业发展的需求，人们开发出了融合多传感器技术和微处理器技术的新型电子皮带秤测量系统，使得皮带秤的发展进入了模型化称量时代12。这类新型称重装置一般在皮带秤加装了温湿度传感器、若干皮带故障侦测传感器；根据选择的传感器的数量设计硬件电路采集通道数；它可以根据预先编制的程序对测量进行控制，完成自校准、自动调零、自选量程、自动逻辑判断、自动存取并更改调节值以及自动完成重量的测试；初步的通信与数据传输能力，可以实现上位机对多台电子皮带秤的统一监控与管理。比较成功的产品
11、主要有：瑞士哈斯勒公司的 VHRS 皮带秤，妙声力公司的 BW100 皮带秤，美国梅里克公司的 MC3 和日本尤尼帕斯公司的 F805-BC 皮带秤。MC3 是世界上第一台带触摸屏的皮带秤，其提供了友好的用户界面，以简单的模拟图画面反映称重过程，并显示趋势图、参数和时间等。日本尤尼帕斯公司的 F805-BC 皮带秤也采用了触摸屏做显示终端，能够显示瞬时流量、累计流量、皮带速度、参数趋势曲线图等13。一般来说，这些设备的仪器面板都具备复位、标定、自检、校时、去皮、清除、查询、设置、打印等功能按键。在国内，徐州三原公司的 SY2000-ZJP 采用了 ARM 作为控制器来实现对传感器数据的采集、处
12、理、显示及 PID 控制并通过RS485 与上位机通信14。虽然基于嵌入式微机系统的皮带秤实现智能化和多变量采集的能力比较突出，然而它仍然在开发灵活性、数据存储调取的便捷性、远程可监控性- 5 -方面显得不足。2 电子皮带秤系统误差的研究由于工业现场环境通常比较恶劣，电子皮带秤测量准确度的提高一直是人们关注但没有良好解决的问题。这使得误差的分析和补偿成为本课题研究的重点内容之一。系统可见的误差源主要包括： (1). 环境性质的变化：由于电子皮带秤安装在皮带输送机上，称重过程很难在环境性质发生变化时保持稳定，诸如震动、噪声、电磁场干扰、环境湿度等各类因素都会对系统造成影响15。(2). “皮带效
13、应”：由于受皮带重力称量原理决定，皮带秤在连续称重过程中始终存在“皮带效应”。 “皮带效应”涉及诸如称重托辊的非准直度，皮带张力及其变化、皮带运行阻力、皮带刚度、皮带自重的变化、以及皮带输送机的结构性能、皮带速度等方面，其最根本的因素是皮带张力16。(3). 此外，传感器自身性质以及传感器与秤架联接不合理也是导致误差的重要因素17。这些误差源共同造成了电子皮带秤测量的复杂性和准确度远低于静态衡器的现状。目前，国内外改善测量精度的途径主要有：日常维护、提高传感器输出精度和研究皮带秤的称量模型。 2.1 皮带秤维护理论瑞典和挪威非常重视皮带秤的现场维护技术，他们将皮带秤作为散料进出口贸易结算的公证
14、秤，使用中的计量准确度可达到0.2%18。他们认为，要保持皮带秤的长期稳定性和精度，维护保养非常重要。保证滚筒和托辊的润滑、调整皮带姿态防止跑偏、保持皮带清洁、拉紧装置工作正常、防物料泄漏、防止皮带意外划伤或皲裂、注重调整荷重传感器和测速传感器与秤架的联接姿态等等这些日常的维护都可以使皮带秤处于较为理想的工作条件下19。然而，对称重现场每日的繁琐维护，加重了人员的负担，这与减员增效、节支创收、加强物料称重过程自动化的企业初衷并不符合。因而，在定期的适当维护前提下，寻找提高测量准确度的方法，成为国内外相关领域研究的重点。2.2 传感器信号滤波技术荷重传感器输出信号在毫伏级，因而传输线上耦合进系统
15、的电磁干扰和秤架的机械抖动可以显著地影响测重的结果20。在充分屏蔽二次仪表及相关传输线之后，对采集的信号进行合理的滤波可使噪声达到最小。Halimic.M 引入了线性高斯法(LQG)、卡尔曼滤波(Kalmanfilter)、模糊逻辑估计(Fuzzy logic estimator)方法来解决数据滤波问题21。Almodamesi.S 等提出在动态称量过程中，引入特征提取和两层 Artificial neural networks 方法，实现振动噪声下的称量信号正确估计22。北京化工大学的吕新明等用自适应滤波法来稳定输出信号，使稳态输出基本与真实值相同23。2.3 皮带秤体的建模和误差分析理论-
16、 6 -针对“皮带效应”，现在采取的普遍做法是将秤架模型化，从构建的模型中寻求解决皮带秤误差问题。美国 Thager 衡器公司的 FHyer 用应变能法建立了皮带秤称重力测量的数学模型24。该模型的数学描述如下：(1)03224( )( )cosTDEIDF tF tnglqll式中，F(t)为传感器受力，F0(t)皮带自重，T 为皮带张力，D 为托辊非准直度，E为弹性模量。他认为，式中的第一项即为理想物料瞬时荷重，而第二、三项为“皮带效应”引起的误差。在 FHyer 的研究基础上，德国 HColijn 从简支梁假设出发推导出了以下的含误差项的计算公式25：(2)02( )( )cos( )TDF tF tnglqk xl式中 k(x)为皮带刚度系数。HColijn 认为式中第二项能够更好的表示“皮带效应”对称重结果的影响。武汉大学的孟新焕在假设皮带张力起决定作用的前提下，将测量误差
