軌道衡稱重傳感器原理稱重傳感器的原理及應(yīng)用

軌道衡稱重傳感器原理[稱重傳感器的原理及應(yīng)用]

稱重傳感器的原理及應(yīng)用隨著技術(shù)的進步,由稱重傳感器制作的電子衡器已廣泛地應(yīng)用到各行各業(yè),實現(xiàn)了對物料的快速、準確的稱量，特別是隨著微處理機的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過程自動化程度化的不斷提高，稱重傳感器已成為過程控制中的一種必需的裝置，從以前不能稱重的大型罐、料斗等重量計測以及吊車秤、汽車秤等計測控制，到混合分配多種原料的配料系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝中的自動檢測和粉粒體進料量控制等，都應(yīng)用了稱重傳感器，目前，稱重傳感器幾乎運用到了所有的稱重領(lǐng)域。1．高速定量分裝系統(tǒng)本系統(tǒng)由微機控制稱重傳感器的稱重和比較，并輸出控制信號，執(zhí)行定值稱量，控制外部給料系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，實行自動稱量和快速分裝的任務(wù)。系統(tǒng)采用MCS-51單片機和V/F電壓頻率變換器等電子器件，其硬件電路框圖如圖1所示，用8031作為中央處理器，BCD拔碼盤作為定值設(shè)定輸入器，物料裝在料斗里，其重量使傳感器彈性體發(fā)生變形，輸出與重量成正比的電信號，傳感器輸出信號經(jīng)放大器放大后，輸入V/F轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成的頻率信號直接送入8031微處理器中，其數(shù)字量由微機進行處理。微機一方面把物重的瞬時數(shù)字量送入顯示電路，顯示出瞬時物重，另一方面則進行稱重比較，開啟和關(guān)閉加料口、放料于箱中等一系列的稱重定值控制。圖1原理框圖在整個定值分裝控制系統(tǒng)中，稱重傳感器是影響電子秤測量精度的關(guān)鍵部件，選用GYL-3應(yīng)變式稱重測力傳感器。四片電阻應(yīng)變片構(gòu)成全橋橋路，在所加橋壓U不變的情況下，傳感器輸出信號與作用在傳感器上的重力和供橋橋壓成正比，而且，供橋橋壓U的變化直接影響電子稱的測量精度，所以要求橋壓很穩(wěn)定。毫伏級的傳感器輸出經(jīng)放大后，變成了0-10V的電壓信號輸出，送入V/F變換器進行A/D轉(zhuǎn)換，其輸出端輸出的頻率信號加到單片機8031定時器1的計數(shù)、輸入端T1上。在微機內(nèi)部由定時器0作計數(shù)定時，定時器0的定時時間由要求的A/D轉(zhuǎn)換分辯率設(shè)定。定時器1的計數(shù)值反映了測量電壓大小即物料的重量。在顯示的同時，計算機還根據(jù)設(shè)定值與測量值進行定值判斷。測量值與給定值進行比較，取差值提供PID運算，當(dāng)重量不足，則繼續(xù)送料和顯示測量值。一旦重量相等或大于給定值，控制接口輸出控制信號，控制外部給料設(shè)備停止送料，顯示測量終值，然后發(fā)出回答令，表示該袋裝料結(jié)束，可進行下袋的裝料稱重。圖2所示為自動稱重和裝料裝置。每個裝料的箱子或袋子沿傳送帶運動，直到裝有料的電子稱下面，傳送帶停止運動，電磁線圈2通電，電子稱料斗翻轉(zhuǎn)，使料全部倒入箱子或袋子中，當(dāng)料倒完，傳送帶馬達再次通電，將裝滿料的箱子或袋子移出，并保護傳送帶繼續(xù)運行，直到下一次空袋或空箱切斷光電傳感器的光源，與此同時，電子稱料箱復(fù)位，電磁線圈1通電，漏斗給電子秤自動加料，重量由微機控制，當(dāng)電子秤中的料與給定值相等時，電磁線圈1斷電，彈簧力使漏斗門關(guān)上。裝料系統(tǒng)開始下一個裝料的循環(huán)。當(dāng)漏斗中的料和傳送帶上的箱子足夠多時，這個過程可以持續(xù)不斷地進行下去。必要時，*作人員可以隨時停止傳送帶，通過拔碼盤輸入不同的給定值，然后再啟動，即可改變箱或袋中的重量。圖2自動稱重和裝料裝置本系統(tǒng)選用不同的傳感器，改變稱重范圍，則可以用到水泥、食糖、面粉加工等行業(yè)的自動包裝中。2．傳感器在商用電子秤中的應(yīng)用目前，商用電子計價秤的使用非常普及，逐漸會取代傳統(tǒng)的桿稱和機械案秤。電子計價秤在秤臺結(jié)構(gòu)上有一個顯著的特點：一個相當(dāng)大的秤臺，只在中間裝置一個專門設(shè)計的傳感器來承擔(dān)物料的全部重圖3計價秤內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖量，如圖3所示。常用的電子計價秤傳感器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中圖4（a）為雙連橢圓孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部上平面的兩個螺孔緊固；圖4（b）為梅花型四連孔彈性體，秤盤用懸臂梁端部側(cè)面的三個螺孔堅固，中間支桿上粘貼補償用的應(yīng)變片。這兩種形式的傳感器，在計價秤中用得最多。圖4（c）為三梁式彎曲彈性體，采樣彎曲應(yīng)力，對重量反應(yīng)敏感，宜用來制作小稱量計價秤。圖4（d）為三梁式剪切彈性體，采樣中間敏感梁的剪切應(yīng)力，宜用來制作幾百公斤稱量范圍計價秤。圖4計價秤用彈性體結(jié)構(gòu)用這些復(fù)梁型高精度傳感器來支承一個大的稱重平臺，被稱重物又可能放置在任何稱臺的任意位置上，必然會產(chǎn)生四角示值誤差，對圖4（a），（b）兩種結(jié)構(gòu)形式的傳感器，可通過銼磨的形式進行角差修正。對圖4(c)，(d)，它有上下兩根局部削弱的柔性輔助梁，使傳感器對側(cè)向力、橫向力和扭轉(zhuǎn)力矩具有很強的抵抗能力，可以通過銼磨輔助梁的柔性部位來調(diào)整傳感器的靈敏系數(shù)和四角誤差。圖5為一種商用電子計價秤的電路框圖。傳感器采用的是圖4（b）所示的梅花型四連孔結(jié)構(gòu)，該秤具有置零、自動清除單價、零位自動跟蹤、自動去皮、次數(shù)累計和金額累計、打印輸出等功能，7段綠色熒光數(shù)碼管顯示，使用十分方便。圖5電子計價秤的電路框圖圖6是采用CHBL3型號S型雙連孔彈性體稱重傳感器制作的便攜式家用電子手提秤的原理圖，由稱重傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換和液晶顯示四部分組成。圖中，E為9V的疊層電池，R1-R4是稱重傳感器的4個電阻應(yīng)變片，R5、R6與W1組成零點調(diào)整電路。當(dāng)載荷為零時，調(diào)節(jié)RW1使液晶顯示屏顯示為零。A1，A2為雙運放集成電路LM358中的兩個單元電路，組成了一個對稱的同相放大器，A/D轉(zhuǎn)換器采用ICL7106雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，液晶顯示采用31/2液晶顯示片。該電子秤精度高，簡單實用，攜帶方便。稱重傳感器是一種高精度的傳感器，必須按規(guī)定的規(guī)格使用。若不按規(guī)定的規(guī)格使用，不僅不能發(fā)揮稱重的作用，而且容易損壞，尤其是絕對不準超過負荷安全值使用。圖6手提秤的電路框圖對于因溫度變化對橋接零點和輸出，靈敏度的影響，即使采用同一批應(yīng)變片，也會因應(yīng)變片之間稍有溫度特性之差而引起誤差，所以對要求精度較高的傳感器，必須進行溫度補償，解決的方法是在被粘貼的基片上采用適當(dāng)溫度系數(shù)的自動補償片，并從外部對它加以適當(dāng)?shù)难a償。非線性誤差是傳感器特性中最重要的一點。產(chǎn)生非線性誤差的原因很多，一般來說主要是由結(jié)構(gòu)設(shè)計決定，通過線性補償，也可得到改善。滯后和蠕變是關(guān)于應(yīng)變片及粘合劑的誤差。由于粘合劑為高分子材料，其特性隨溫度變化較大，所以稱重傳感器必須在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)使用。在露天下使用傳感器，還應(yīng)考慮陽光直射產(chǎn)生的溫度影響和風(fēng)壓的影響。電子秤的設(shè)計摘要本系統(tǒng)采用單片機AT89S52為控制核心，實現(xiàn)電子秤的基本控制功能。系統(tǒng)的硬件部分包括最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)采集、人機交互界面三大部分。最小系統(tǒng)部分主要是擴展了外部數(shù)據(jù)存儲器，數(shù)據(jù)采集部分由壓力傳感器、信號的前級處理和A/D轉(zhuǎn)換部分組成。人機界面部分為鍵盤輸入，12864點陣式液晶顯示，可以直觀的顯示中文，使用方便。軟件部分應(yīng)用單片機C語言實現(xiàn)了本設(shè)計的全部控制功能，包括基本的稱重功能，和發(fā)揮部分的顯示購物清單的功能，可以設(shè)置日期和重新設(shè)定10種商品的單價，具有超重報警功能，由于系統(tǒng)資源豐富，還可以方便的擴展其應(yīng)用關(guān)鍵詞壓力傳感器單片機A/D轉(zhuǎn)換器LED顯示器第一部分：方案論證與比較一、控制器部分本系統(tǒng)基于51系列單片機來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)需要大量的控制液晶顯示和鍵盤。不宜采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷篊PLD、FPGA來實現(xiàn)。另外系統(tǒng)沒有其它高標準的要求，我們最終選擇了AT89S52通用的比較普通單片機來實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計。內(nèi)部帶有8KB的程序存儲器，在外面擴展了32K數(shù)據(jù)存儲器，以滿足系統(tǒng)要求。二、數(shù)據(jù)采集部分（1）、傳感器題目沒有要求具體的稱重范圍，我們選擇最大量值為20千克。我們選擇的是L-PSIII型傳感器，量程20Kg，精度為，滿量程時誤差0.002Kg?？梢詽M足系統(tǒng)的精度要求。其原理如下圖所示。稱重傳感器主要由彈性體、電阻應(yīng)變片電纜線等組成，內(nèi)部線路采用惠更斯電橋，當(dāng)彈性體承受載荷產(chǎn)生變形時，輸出信號電壓可由下式給出：（2）、前級放大器部分壓力傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，所以對運算放大器要求很高。具體方案：高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器。差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放(如OP07)做成一個差動放大器。電阻R1、R2電容C1、C2、C3、C4用于濾除前級的噪聲，C1、C2為普通小電容，可以濾除高頻干擾，C3、C4為大的電解電容，主要用于濾除低頻噪聲。優(yōu)點：輸入級加入射隨放大器，增大了輸入阻抗，中間級為差動放大電路，滑動變阻器R6可以調(diào)節(jié)輸出零點，最后一級可以用于微調(diào)放大倍數(shù)，使輸出滿足滿量程要求。輸出級為反向放大器，所以輸出電阻不是很大，比較符合應(yīng)用要求。缺點：此電路要求R3、R4相等，誤差將會影響輸出精度，難度較大。實際測量，每一級運放都會引入較大噪聲。對精度影響較大。（3）、A/D轉(zhuǎn)換器由上面對傳感器量程和精度的分析可知：A/D轉(zhuǎn)換器誤差應(yīng)在12位A/D精度：10Kg/4096=2.44g14位A/D精度：10Kg/16384=0.61g考慮到其他部分所帶來的干擾,12位A/D無法滿足系統(tǒng)精度要求。所以我們需要選擇14位或者精度更高的A/D。具體方案雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢(如：ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于），可自動調(diào)零，超量程信號，全部輸出于TTL電平兼容。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其以下對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們最終選擇了ICL7135具體方案、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：如：ICL7135、ICL7109。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器精度高，但速度較慢(如：ICL7135),具有精確的差分輸入，輸入阻抗高（大于），可自動調(diào)零，超量程信號，全部輸出于TTL電平兼容。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對50HZ的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。故而采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器可大大降低對濾波電路的要求。作為電子秤，系統(tǒng)對AD的轉(zhuǎn)換速度要求并不高，精度上14位的AD足以滿足要求。另外雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器較強的抗干擾能力，和精確的差分輸入，低廉的價格。綜合的分析其優(yōu)點和缺點，我們最終選擇了ICL7135三、人機交互界面顯示輸出：雖然ZLG7289具有控制數(shù)碼管顯示的功能，但考慮到本題目要求中文顯示，數(shù)碼管無法滿足，只能考慮用帶有中文字庫的液晶顯示器。由于可以分頁顯示，無需太大屏幕，我們選擇了點陣式128×64型LCD—OCM4X8C。第二部分：具體實現(xiàn)方案一、硬件組成：（一）、硬件結(jié)構(gòu)框圖如下：（二）、各部分硬件電路實現(xiàn)(1)、基于AT89S52的主控電路圖主控電路以89C52為核心擴展32KRAM；單片機使用6M晶振，P0口外接上拉電阻，增大了帶負載能力；A12～A15接74LS138譯碼器，輸出作外部片選信號。擴展了幾個接口用于其它部分于單片機的通信（2）前端信號處理INA126構(gòu)成的放大器及濾波電路：通過調(diào)節(jié)的阻值來改變放大倍數(shù)。微弱信號Vi1和Vi2被分別放大后從INA126的第6腳輸出。A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135的輸入電壓變化范圍是-2V～+2V，傳感器的輸出電壓信號在0～20mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在200～300左右，可將接成的滑動變阻器。由于ICL7135對高頻干擾不敏感，所以濾波電路主要針對工頻及其低次諧波引入的干擾。因為壓力信號變化十分緩慢，所以濾波電路可以把頻率做得很低。（3）A/D轉(zhuǎn)換器基準源選用芯片MC14032.5V分壓得到：由于ICL7135內(nèi)部沒有振蕩器，所以需要外接。但A/D轉(zhuǎn)換器精度與時鐘頻率的漂移無關(guān)。正向積分時間T1和反向積分時間T2按相同比例增加并不影響測量的結(jié)果。ICL7135的時鐘頻率典型值為200kHz最高允許為1200kHz，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快。每輸出一位BCD碼的時間為200個時鐘周期，選通脈沖位于數(shù)據(jù)脈沖的中部，如果時鐘頻率太高，則數(shù)據(jù)的接受程序還沒有接受完畢，數(shù)據(jù)就已經(jīng)消失了?？紤]到此系統(tǒng)頻率要求不是太高，且單片機的工作頻率也不是很高，因此我們?nèi)r鐘頻率的典型值：200kHz。由于頻率比較低，對時鐘漂移要求不高，我們采用阻容方式實現(xiàn)了基本的振蕩電路。如下：振蕩頻率約為160kHz。此外ICL7135外部還需要外接積分電阻、積分電容，但A/D轉(zhuǎn)換器精度與外接的積分電阻、積分電容的精度無關(guān)，故可以降低對元件質(zhì)量的要求。不過積分電容和積分電容的介質(zhì)損耗會影響到A/D轉(zhuǎn)換器的精度，所以應(yīng)采用介質(zhì)損耗較小的聚丙乙烯電容ICL7135還需要外接基準電源，這是因為芯片內(nèi)部的基準源一般容易受到溫度的