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一概述
自從20 世紀(jì),40年代初"利用粘貼式電阻應(yīng)變計(jì)的模擬式稱重傳感器問世以來" 經(jīng)過-* 多年的種種改進(jìn)與發(fā)展"從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)$制造工藝到綜合性能指標(biāo)$穩(wěn)定性和可靠性都達(dá)到較高的水平"在各種電子衡器和稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用! 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步"工業(yè)過程自動(dòng)化水平的提高" 特別是數(shù)字技術(shù)與信息技術(shù)的發(fā)展"在稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)中"應(yīng)用數(shù)字技術(shù)與數(shù)字系統(tǒng)的需求愈來愈多"對(duì)衡器行業(yè)提出了電子衡器數(shù)字化$智能化"用數(shù)字稱重系統(tǒng)突破模擬稱重系統(tǒng)的局限性等要求! 眾所周知"數(shù)字稱重系統(tǒng)要求稱重傳感器和稱重儀表系統(tǒng)以數(shù)字形式輸出! 目前在用的模擬式稱重傳感器"由于電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換原理決定了無論采用何種電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行制造"其本身都不能產(chǎn)生具有數(shù)字特征的輸出信號(hào)"而且存在著輸出的模擬信號(hào)小"一般為+*.,!/0#傳輸距離短#抗干擾能力差稱重顯示控制儀表復(fù)雜#安裝$調(diào)試不方便等先天缺陷! 根本適應(yīng)不了電子衡器數(shù)字化$智能化的要求! 因此"引起了人們對(duì)模擬式稱重傳感
器與數(shù)字稱重系統(tǒng)接口和數(shù)字式智能稱重傳感器的重視"國外一些著名稱重傳感器生產(chǎn)廠家"對(duì)此開展了許多研究工作"并取得突破性的科技成果"開發(fā)出多種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。
早在1983年為適應(yīng)工業(yè)過程自動(dòng)化的需要"美國公司就引入了數(shù)字式; 概念并逐步將其應(yīng)用于稱重領(lǐng)域! 致力于研究采用微處理器技術(shù)$數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)"使其與傳統(tǒng)的應(yīng)變式稱重傳感器技術(shù)相結(jié)合" 經(jīng)過多年的努力"開發(fā)出搖柱型數(shù)字式智能稱重傳感器!美國>$> 公司也在12## 年全美衡器展覽會(huì)上"推出了整體型數(shù)字式智能稱重傳感器! 兩者都是以模擬式稱重傳感器的基本原理為基礎(chǔ)" 利用現(xiàn)代電
子技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)而開發(fā)出的新型稱重傳感器。即在模擬式稱重傳感器內(nèi)部增加放大濾波轉(zhuǎn)換微處理器芯片和溫度敏感元件等多個(gè)元器件"利用標(biāo)度變換"數(shù)字濾波"數(shù)字調(diào)零"數(shù)字補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)與工藝制造完成! 數(shù)字式智能稱重傳感器的制造工藝"檢測項(xiàng)目"試驗(yàn)方法"配套的稱重儀表與模擬式稱重傳感器有很大區(qū)別!因此"數(shù)字式智能稱重傳感器是與稱重儀表等共同研制開發(fā)的一項(xiàng)系統(tǒng)工程!
數(shù)字式智能稱重傳感器具有輸出信號(hào)大"數(shù)字信號(hào)是一組組高低電平信號(hào)"有格式#有規(guī)律的組成"一般為"!"$抗射頻電磁場輻射等干擾能力強(qiáng)信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)"一般可達(dá)#!$%"附加電源后可超過安裝調(diào)試方便易實(shí)現(xiàn)智能化控制等特點(diǎn)"完全克服了模擬式稱重傳感器的缺點(diǎn)"是數(shù)字化電子衡器#自動(dòng)稱重計(jì)量與控制系統(tǒng)#需要自動(dòng)校準(zhǔn)的稱重系統(tǒng)#復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各類配料秤容積秤和超大型電子衡器的首選產(chǎn)品!
從電子衡器的品種結(jié)構(gòu)用途上看"數(shù)字式智能稱重傳感器" 不可能完全取代模擬式稱重傳感器"在今后一個(gè)比較長的時(shí)期內(nèi)"模擬式稱重傳感器"仍然是稱重傳感器發(fā)展與應(yīng)用的主流! 但我們必須重視并認(rèn)真研究數(shù)字式智能化稱重傳感器及其在數(shù)字稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用!
二數(shù)字化與數(shù)字式稱重傳感器的區(qū)別
模擬式稱重傳感器的被測重量參數(shù)雖然最初是由敏感元件以模擬形式給出"但都還要轉(zhuǎn)換成模擬電壓或模擬電流! 在制造工藝#電路補(bǔ)償與調(diào)整#信號(hào)調(diào)理# 模一數(shù)轉(zhuǎn)換等方面已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)"因而應(yīng)用面比較廣泛! 但其輸出信號(hào)小"傳輸距離短"抗干擾能力差"各補(bǔ)償項(xiàng)目交互作用"電路補(bǔ)償與調(diào)整工藝復(fù)雜"不但耗時(shí)費(fèi)力而且補(bǔ)償精度較低等缺陷"決定了模擬式稱重傳感器向數(shù)字式智能化方向發(fā)展"只能寄生于應(yīng)變電橋之外的數(shù)字轉(zhuǎn)換單元"變模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)! 因而"出現(xiàn)了兩種數(shù)字轉(zhuǎn)換途徑"一種是將模擬式稱重傳感器的輸出信號(hào)"通過安裝在其內(nèi)部的數(shù)字變送器"變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出"通常稱為數(shù)字化稱重傳感器! 即%模擬式稱重傳感器’數(shù)字變送器!數(shù)字化稱重傳感器數(shù)字變送器可以作得很小" 稱為數(shù)字變送模塊"一般都將它固定在模擬式稱重傳感器的接線盒內(nèi)"即方便調(diào)試又有利于密封! 數(shù)字化稱重傳感器的力學(xué)和溫度性能指標(biāo)"都是以模擬式稱重傳感器制造工藝和電路補(bǔ)償與調(diào)整技術(shù)為基礎(chǔ)的"數(shù)字變送器只是將模擬輸出信號(hào)數(shù)字化"并不能提高各項(xiàng)性能指標(biāo)! 相反"如果數(shù)字變送器質(zhì)量不佳"還會(huì)損失一些固有的性能"因而生產(chǎn)廠家通常挑選那些電路補(bǔ)償精度高"綜合性能好的模擬式稱重傳感器進(jìn)行數(shù)字化處理!
另一種是徹底脫離模擬式稱重傳感器的制造工藝和傳統(tǒng)的電路補(bǔ)償與調(diào)整技術(shù)"開發(fā)新型的數(shù)字式智能稱重傳感器! 它是在彈性元件貼片#固化#后固化和布線組橋后"就脫離模擬式稱重傳感器的制造工藝! 通過由放大"濾波"()* 轉(zhuǎn)換"微處理器芯片"溫度敏感元件等元器件組成的數(shù)字式電路"以及標(biāo)度變換"數(shù)字濾波"數(shù)字調(diào)零"數(shù)字補(bǔ)償?shù)溶浖夹g(shù)"使稱重傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)成為一組組有格式#有規(guī)律的高低電平信號(hào)"經(jīng)過效率高#可靠性好的接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸! 即%彈性元件電橋電路+數(shù)字式智能化電路’數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝!數(shù)字式智能稱重傳感器典型的模擬式稱重傳感器系統(tǒng)的模一數(shù)變換器只有#&&,-./比特0"即有!$$$$ 個(gè)可用計(jì)數(shù)"而數(shù)字稱重系統(tǒng)中的每一個(gè)數(shù)字式智能稱重傳感器的分辨率為1$&,-."即有個(gè)可用計(jì)數(shù)! 所以"一個(gè)由2 只數(shù)字式智能稱重傳感器組成的數(shù)字式稱重系統(tǒng)"可以提供可用計(jì)數(shù)的分辨率! 這種高分辨率對(duì)數(shù)字稱重系統(tǒng)"特別是對(duì)那些大的死載"小的活載的稱重系統(tǒng)是至關(guān)重要的! 這在傳統(tǒng)的模擬式稱重傳感器組成的稱重系統(tǒng)中是很難實(shí)現(xiàn)的!模擬式稱重傳感器"基本上是手工化生產(chǎn)"人為的因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大! 零點(diǎn)溫度"靈敏度溫度"線性#滯后#蠕變等補(bǔ)償方法和補(bǔ)償工藝還不夠完善"各項(xiàng)補(bǔ)償之間交互作用"不可避免的產(chǎn)生殘余誤差"限制了準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高!數(shù)字式智能稱重傳感器"基本上是自動(dòng)化生產(chǎn)"人為的因素對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響很小! 其數(shù)字調(diào)零"標(biāo)度變換"溫度補(bǔ)償"線性#滯后#蠕變補(bǔ)償?shù)?quot;都是通過內(nèi)部的微處理器收集#處理并存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)! 由于采用’數(shù)據(jù)庫(技術(shù)"使得微處理器能不斷的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別和校正"使其具有更多的智能"發(fā)揮更大的作用! 可見數(shù)字處理電路和軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝的重要環(huán)節(jié)!
三數(shù)字式智能稱重傳感器
數(shù)字式智能稱重傳感器有兩種實(shí)現(xiàn)方法或者說有兩種結(jié)構(gòu)形式"即整體型和分離型!
3整體型數(shù)字式智能稱重傳感器
如前所述" 在稱重傳感器內(nèi)部安裝有放大#濾波
4* 轉(zhuǎn)換"微處理器芯片和溫度敏感元件等組成
的數(shù)字處理電路"利用微處理器芯片已存入的軟件"實(shí)施各項(xiàng)數(shù)字補(bǔ)償工藝!進(jìn)行綜合性能測試和檢定!最后采用電子束焊或激光焊進(jìn)行密封" 因數(shù)字變換與補(bǔ)償電路和稱重傳感器為一整體!故稱為整體型數(shù)字式智能稱重傳感器"數(shù)字式智能稱重傳感器的制造工藝完全不同于模擬式稱重傳感器" 主要是兩個(gè)環(huán)節(jié)!其一是在彈性元件組成惠斯登電橋電路后!通過試驗(yàn)#測試#建立數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝要求的各補(bǔ)償項(xiàng)目的數(shù)學(xué)模型!形成便于程序化計(jì)算的公式!便于編制成補(bǔ)償計(jì)算軟件" 主要是線性補(bǔ)償!蠕變補(bǔ)償!零點(diǎn)和靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)葦?shù)學(xué)模型" 因?yàn)?數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝是建立在合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上!給出準(zhǔn)確#可靠的數(shù)學(xué)模型是保證數(shù)字補(bǔ)償精度的前提"其二是根據(jù)數(shù)學(xué)模型編制出簡單#實(shí)用#有效的補(bǔ)償計(jì)算軟件!存儲(chǔ)在微處理器芯片中進(jìn)行各項(xiàng)誤差修正與補(bǔ)償" 軟件技術(shù)主要有$數(shù)字濾波技術(shù)一稱重傳感器的模擬輸出信號(hào)!經(jīng)!"# 變換后進(jìn)入微處理器時(shí)!?；爝M(jìn)尖脈沖之類的隨機(jī)噪聲干擾!必須予以削弱和濾除%標(biāo)度變換技術(shù)&稱重傳感器的模擬信號(hào)!經(jīng)!"# 變換后得到一系列的數(shù)碼!必須將其換算成帶有量鋼的數(shù)據(jù)后才能運(yùn)算#顯示%數(shù)字調(diào)零技術(shù)一采用各種程序來實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)漂移#增益漂移等偏差校準(zhǔn)%溫度補(bǔ)償技術(shù)一建立表達(dá)溫度的數(shù)學(xué)模型$如多項(xiàng)式等%!用差值等數(shù)學(xué)處理方法!便可有效的實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償%非線性補(bǔ)償技術(shù)&根據(jù)測得的特性曲線!進(jìn)行分段插值!只要插值點(diǎn)數(shù)取得合理和足夠多!就可獲得優(yōu)良的線形"
 我國數(shù)字式智能稱重傳感器的研究開發(fā)始于!" 世紀(jì)#" 年代中后期!在短短幾年時(shí)間里!研制出安裝在模擬式稱重傳感器內(nèi)部的小型數(shù)字化單元!完成了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換!變模擬式稱重傳感器為數(shù)字化稱重傳感器!并應(yīng)用于大型電子汽車衡和電子配料秤等小型稱重系統(tǒng)中!取得了較好的測試結(jié)果" 近年來!又在數(shù)字化稱重傳感器的基礎(chǔ)上!研究與實(shí)踐數(shù)字式智能化電路!數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與數(shù)字補(bǔ)償工藝!開發(fā)整體型數(shù)字式智能稱重傳感器和分離型模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)!已經(jīng)取得了階段性成果" 可以預(yù)計(jì)!很快就會(huì)在電子衡器數(shù)字化和數(shù)字稱重系統(tǒng)中!見到國產(chǎn)的數(shù)字式智能稱重傳感器和模塊化數(shù)字式稱重傳感器系統(tǒng)"。

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