數(shù)字式智能稱重傳感器的應(yīng)用

　　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(wèn)世以來(lái)，經(jīng)過(guò)60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(guò)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(lái)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(wú)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20}40mv;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(guó)外一些著名稱重傳感器生產(chǎn)廠家，對(duì)此開(kāi)展了許多研究工作，并取得突破性的科技成果，開(kāi)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(guò)程自動(dòng)化的需要，美國(guó)TOLEDO（現(xiàn)METTLER TOLEDO）公司就引入了“數(shù)字式”（DIGITOL）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(guò)多年的努力，開(kāi)發(fā)出搖柱型數(shù)字式智能稱重傳感器。美國(guó)STS公司也在1988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(kāi)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、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器芯片和溫度敏感元件等10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(cè)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(kāi)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，一般為士SV;抗射頻電磁場(chǎng)輻射等干擾能力強(qiáng);信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)，一般可達(dá)150m，附加電源后可超過(guò)600m;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(zhǎng)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)早化與數(shù)早式稱重傳感器的區(qū)別

　　模擬式稱重傳感器的被測(cè)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)換等方而已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)，因而應(yīng)用而比較廣泛。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(guò)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的制造工藝和電路補(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(kāi)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(guò)由放大，濾波，A/D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(guò)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16-bit（比特），即有50000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20-bit，即有1000000個(gè)可用計(jì)數(shù)。所以，一個(gè)由4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4000000個(gè)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)?，都是通過(guò)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(kù)”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(jiàn)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(shuō)有兩種結(jié)構(gòu)形式，即整體型和分離型。

　　1.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、A/D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(cè)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J哇元件組成惠斯登電橋電路后，通過(guò)試驗(yàn)、測(cè)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)椋瑪?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(jiǎn)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)A/D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)一稱重傳感器的模擬信號(hào)，經(jīng)A/D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)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(lái)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)一根據(jù)測(cè)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。

　　美國(guó)TOLEDO公司、STS公司、CARDINAL公司和德國(guó)HBM公司研制的數(shù)字式智能稱重傳感器，都有自己獨(dú)特的數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)和工藝。在數(shù)字輸出消除電噪聲;數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度補(bǔ)償;解決抗射頻干擾（RF1）和電磁干擾（EMI）;實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自校準(zhǔn)、自診斷功能和內(nèi)置過(guò)壓保護(hù)板以應(yīng)付閃電引起的電瞬變等方而的技術(shù)與工藝均處于領(lǐng)先地位。整體型數(shù)字式智能稱重傳感器的特點(diǎn)是：

　?。?）產(chǎn)生、處理和存儲(chǔ)數(shù)字信號(hào)容易，輸出信號(hào)大，輸出信號(hào)是一組組高低電平信號(hào)，一般為士SV;

　　（2）具有很高的分辨率，一般為20-bit，可用計(jì)數(shù)高達(dá)1000000，且準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好;

　?。?）高電平數(shù)字信號(hào)抗外部射頻干擾和電磁干擾能力強(qiáng);

　　（4）強(qiáng)信號(hào)輸出，傳輸距離遠(yuǎn)，通?？蛇_(dá)150m ，附加電源后可超過(guò)600m ;

　?。?）可采用軟件運(yùn)算方法調(diào)整四角誤差，利用數(shù)

　　字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“自校準(zhǔn)”，因此，安裝、調(diào)試、檢定非常方便，僅為傳統(tǒng)方法的1 /4 ;

　?。?）對(duì)大量程的電子衡器和無(wú)法加掛祛碼的稱重裝置，可進(jìn)行無(wú)祛碼標(biāo)定。利用數(shù)字稱重系統(tǒng)軟件，輸入各稱重傳感器的標(biāo)定參數(shù)，即可保證電子衡器的稱量準(zhǔn)確度和工作可靠性。

　　整體型數(shù)字式智能稱重傳感器存在的問(wèn)題也比較突出，主要是：

　?。?）由于在內(nèi)部增加了A/D轉(zhuǎn)換的前級(jí)放大器和后級(jí)微處理器，溫度敏感元件等60多個(gè)電子元件和350個(gè)焊點(diǎn)，大大超過(guò)內(nèi)部只有11個(gè)電子元件和30個(gè)焊點(diǎn)的模擬式稱重傳感器。而稱重傳感器的平均無(wú)故障時(shí)間與其含有的電子元件和焊點(diǎn)數(shù)成反比，因此，穩(wěn)定性和可靠性必然有所下降;

　?。?）內(nèi)部的電子元件決定了工作溫度范圍小，一般為一10400C。如需在一10℃以下的環(huán)境工作時(shí)，應(yīng)選用的低溫元器件，其成本將呈幾倍甚至10倍上升;

　?。?）將數(shù)字電路置于稱重傳感器內(nèi)部后，除按常規(guī)檢測(cè)、標(biāo)定外，還應(yīng)按稱重儀表的要求進(jìn)行靜電放電抗擾度、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度和電快速瞬變脈沖群抗擾度等試驗(yàn);

　?。?）數(shù)字式智能化電路置于稱重傳感器內(nèi)部，降低了防爆等級(jí)，若滿足防爆要求，必須采用較昂貴的防爆和隔爆措施;

　?。?）制造和維修成本較高，無(wú)論是電阻應(yīng)變計(jì)電橋電路部分還是數(shù)字式智能化電路部分出現(xiàn)故障，均需整體更換一個(gè)新的數(shù)字式智能稱重傳感器。

　　2.分離型模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)

　　在分析了整體型數(shù)字式智能稱重傳感器的存在問(wèn)題、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和市場(chǎng)要求的基礎(chǔ)上，美國(guó)STS公司于1992年推出分離型2200系列數(shù)字式稱重傳感器模塊。它是將原先放置在稱重傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字處理電路，移至一個(gè)外部接線盒內(nèi)。將具有A/D轉(zhuǎn)換模塊的接線盒稱為數(shù)字接線盒。將普通的模擬式稱重傳感器接入數(shù)字接線盒后，它的輸出便以數(shù)字信號(hào)傳輸給與其配套的稱重顯示控制儀表。通常將模擬式稱重傳感器加數(shù)字接線盒的模式，稱為模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)。它即保留了模擬式稱重傳感器的綜合性能指標(biāo)，又具備整體型數(shù)字式智能化稱重傳感器的所有特點(diǎn)和功能。同時(shí)最大限度的改善了A/D轉(zhuǎn)換電路的工作環(huán)境。模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

　?。?）在模擬式稱重傳感器無(wú)任何改變的條件下，經(jīng)數(shù)字接線盒（稱重接線盒正確使用方法），變模擬信號(hào)輸出為數(shù)字信號(hào)輸出，使其具有整體型數(shù)字式智能稱重傳感器的特點(diǎn)和功育旨;

　?。?）采用模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)，可在不改變?cè)须娮雍馄鹘Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)電子衡器數(shù)字化;

　?。?）模擬式稱重傳感器可在一4070℃環(huán)境條件下正常工作，配以數(shù)字接線盒可以使模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)在較寬的溫度范圍內(nèi)工作;

　?。?）與整體型相比，分離型模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性都有較大提高：

　　（5）安裝布線非常簡(jiǎn)單，從數(shù)字接線盒到數(shù)字式稱重儀表只有一根電纜線;

　?。?）因接配普通模擬式稱重傳感器，便于維護(hù)、修理，維護(hù)成本也比整體型低。

　　美國(guó)STS公司模塊化數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

　　（1） A/D通道：四個(gè)互相獨(dú)立20-bit ，叉-0A/D轉(zhuǎn)換通道。

　?。?）轉(zhuǎn)換數(shù)率：100取樣/秒。

　?。?）內(nèi)分辨率：1048000

　　（4）分度數(shù)分辨率200000

　?。?）信號(hào)靈敏度：0.1 }。，v/分度。

　?。?）信號(hào)范圍：O.Smv/v到6mv/v

　　（7）激勵(lì)電壓：10士O.SVDC

　?。?）校準(zhǔn)：常規(guī)/數(shù)字（不需要祛碼）。

　　（9）串行口1：雙向RS232或20MA電流環(huán)。

　　（10）串行口2：雙向RS232或RE485或20MA電流環(huán)。

　?。?1）數(shù)字口：6輸入，7輸出;TTL低電壓有效。

　　四、整體型和分離型數(shù)字式稱重傳感器的應(yīng)用

　　整體型數(shù)字式智能稱重傳感器主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的數(shù)字稱重系統(tǒng)和數(shù)字化電子衡器。應(yīng)用較多的是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的電子料斗秤，電子配料秤，電子液罐秤，大量程的電子平臺(tái)秤、電子汽

　　車衡、動(dòng)態(tài)軌道衡和具有大的死載，小的活載的特殊電子秤。前者主要是看重?cái)?shù)字式稱重傳感器系統(tǒng)，可利用軟件輸入數(shù)字式智能稱重傳感器各標(biāo)定參數(shù)實(shí)施無(wú)祛碼標(biāo)定，后者則是利用數(shù)字式智能稱重傳

　　感器提供的1000000個(gè)可用計(jì)數(shù)的高分辨率，這都是，模擬式稱重傳感器根本不能實(shí)現(xiàn)的。

　　分離型數(shù)字式稱重傳感器具有配置靈活，應(yīng)用范圍廣泛，安裝調(diào)試方便，檢定方法簡(jiǎn)單，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，市場(chǎng)占有率不斷增加。美國(guó)STS公司開(kāi)發(fā)的2200系列中的2203，2204和2224數(shù)字式稱重傳感器模塊，就可以組成各種數(shù)字稱重系統(tǒng)。2203，2204和2224數(shù)字式稱重傳感器模塊，只是內(nèi)分辨率，分度數(shù)分辨率等有所不同，其它基本相同，都能連接3mv/v的模擬式稱重傳感器，最多可達(dá)12只。各稱重傳感器的模擬輸出信號(hào)通過(guò)帶有高速、高分辨的A/D變換器和微處理器的模塊，轉(zhuǎn)換為高電平數(shù)字信號(hào)，經(jīng)串行通信接口，傳輸?shù)健皵?shù)字過(guò)程稱重控制器”，經(jīng)此控制器可將數(shù)字和模擬數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給集散控制系統(tǒng)、可編程控制器和個(gè)人計(jì)算機(jī)，這就組成了一個(gè)典型的數(shù)字稱重系統(tǒng)。由此不難看出，這種方案的突出特點(diǎn)是可以在對(duì)原有稱重系統(tǒng)不作任何改變，又不更換稱重傳感器的前提下，通過(guò)數(shù)字式稱重傳感器模塊，變模擬稱重系統(tǒng)為數(shù)字稱重系統(tǒng)?？梢哉f(shuō)這是對(duì)傳統(tǒng)的稱重系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造的一條捷徑，一定會(huì)有很好的發(fā)展前景。