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1  動(dòng)態(tài)測(cè)量

人們常常希望稱(chēng)重測(cè)力在正常作業(yè)中同時(shí)完成, 即盡量不占用( 零停機(jī)) 或少占用時(shí)間。例如:軋鋼廠中從坯料加熱到軋制成材是一個(gè)連續(xù)的作業(yè), 為掌握加熱過(guò)程中的燒損率及產(chǎn)品的成材率,要求在不干擾正常生產(chǎn)的同時(shí)對(duì)鋼材進(jìn)行快速或短時(shí)稱(chēng)量。

在港口吞吐貨物的計(jì)量中, 為不影響裝卸速度, 常常要求貨物在輸送或吊運(yùn)過(guò)程中同時(shí)完成稱(chēng)量。此時(shí), 無(wú)論是皮帶秤上流經(jīng)的散料或是吊秤下懸掛的貨物, 均處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。有時(shí)要對(duì)高速公路上行駛的汽車(chē)或鐵道上運(yùn)行的火車(chē)進(jìn)行稱(chēng)量; 有時(shí)要對(duì)活的動(dòng)物, 諸如牛、 醫(yī)用小兔等進(jìn)行稱(chēng)量; 有時(shí)要在運(yùn)動(dòng)的或振動(dòng)的環(huán)境中, 諸如在遠(yuǎn)洋輪船、 飛機(jī)或貨車(chē)上對(duì)物體進(jìn)行稱(chēng)量[ 1]。

在機(jī)加工行業(yè)中, 與加工中心相結(jié)合的柔性制造系統(tǒng)( FMS) , 大大提高了機(jī)床的加工適應(yīng)性和加工效率。但刀具破損已經(jīng)成為系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要故障, 常常需要用動(dòng)態(tài)測(cè)力儀來(lái)連續(xù)地監(jiān)測(cè)回轉(zhuǎn)刀具的運(yùn)行狀況。安裝在機(jī)器人手臂與手爪之間的/ 關(guān)節(jié)0多分量傳感器或腕力傳感器, 在機(jī)械手操作時(shí)能提供三維的力和力矩, 它也是在運(yùn)動(dòng)條件下進(jìn)行測(cè)量的[ 2]。

所有上述情況形成了動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)力狀態(tài), 它們的主要特征可以歸納為:

(1) 被測(cè)對(duì)象處于非靜止?fàn)顟B(tài), 即被稱(chēng)重或測(cè)力的物體在運(yùn)動(dòng);

(2) 測(cè)量環(huán)境處于非靜止?fàn)顟B(tài), 即稱(chēng)重測(cè)力計(jì)量?jī)x器置于其中的測(cè)量床身、 臺(tái)面或支架等在運(yùn)動(dòng);

(3) 在短時(shí)內(nèi)進(jìn)行快速測(cè)量, 即測(cè)量時(shí)間短于稱(chēng)重測(cè)力計(jì)量?jī)x器的調(diào)定時(shí)間。

為了進(jìn)行快速、 連續(xù)、 準(zhǔn)確的測(cè)量, 求得被測(cè)量的穩(wěn)態(tài)示值, 就要求對(duì)稱(chēng)重測(cè)力傳感器、 信號(hào)適調(diào)、 處理、 顯示、 記錄及由此而組成的動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)力系統(tǒng) 進(jìn)行正確的描述和分析, 還要求減小動(dòng)態(tài)測(cè)量的不確定度、 提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、 解除多分量間的耦合, 以進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。比如: 對(duì)動(dòng)態(tài)吊秤, 有人提出為削弱縱向振動(dòng)所致的高頻干擾, 可進(jìn)行橋式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與閥值動(dòng)態(tài)補(bǔ)償; 為削弱橫向擺動(dòng)所致的低頻干擾, 可進(jìn)行三點(diǎn)式補(bǔ)償?shù)?。又? 為提高腕力傳感器的動(dòng)態(tài)品質(zhì), 可按主分量通道的特性要求設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器, 再按多分量解耦要求設(shè)計(jì)解耦環(huán)節(jié), 以便既能快速跟蹤輸入信號(hào)、 提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度, 又能去除耦合信號(hào)、 減小測(cè)量不確定度。

傳感器部分是測(cè)量系統(tǒng)的輸入端, 它與被測(cè)的重量或力、 過(guò)程或系統(tǒng)相連接, 并給出一個(gè)取決于被測(cè)量的輸出信號(hào)。信號(hào)適調(diào)部分將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行加工, 例如將電阻變換為電壓或電流、 信號(hào)放大或衰減、 濾波、 調(diào)制與解調(diào)、 阻抗變換、 線性化及轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號(hào)等, 以便成為適宜于進(jìn)一步處理的形式。信號(hào)處理部分接受適調(diào)部分輸出的信號(hào), 并對(duì)其進(jìn)行必要的運(yùn)算, 轉(zhuǎn)換成適宜于顯示或記錄的信號(hào)。顯示、 記錄部分是測(cè)量系統(tǒng)的輸出端或終端, 以觀測(cè)者便于認(rèn)識(shí)的形式來(lái)顯示、 記錄重量或力值。

稱(chēng)重測(cè)力系統(tǒng)的上述四個(gè)組成部分的劃分是相對(duì)的, 有時(shí)甚至可以不存在中間部分或某部分不止一次出現(xiàn); 但是對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行稱(chēng)重、 測(cè)力并給出具體量值的基本功能必須予以保證, 也包括保證靜態(tài)與動(dòng)態(tài)計(jì)量特性、 安全性能及消費(fèi)者利益的專(zhuān)用功能在內(nèi)。一個(gè)稱(chēng)重測(cè)力系統(tǒng), 可以由若干臺(tái)儀器組成; 也可將全套測(cè)量系統(tǒng)組裝成一臺(tái)整機(jī)。

眾所周知, 動(dòng)態(tài)測(cè)量是指為確定量的瞬時(shí)值及( 或) 其隨時(shí)間變化所進(jìn)行的測(cè)量, 即被測(cè)量是隨時(shí)間而變化的; 而靜態(tài)測(cè)量則是指測(cè)量期間其值可認(rèn)為是恒定的量的測(cè)量。顯然, 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中必須考慮信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間, 即考慮激勵(lì)受到規(guī)定突變的瞬間, 及響應(yīng)達(dá)到并保持其最終穩(wěn)定值在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間, 這兩者之間的時(shí)間間隔。而在靜態(tài)測(cè)量中, 通常并不考慮信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間,只關(guān)注測(cè)量結(jié)果的不確定度和隨時(shí)間的穩(wěn)定性或可靠性。

在研究動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)力時(shí), 通常的方法是同時(shí)或單獨(dú)測(cè)出對(duì)象的加速度、 位移與速度, 然后用數(shù)值積分方法或直接方法求解稱(chēng)重測(cè)力過(guò)程的微分方程, 以求得重量或力值。另一種方法則是把動(dòng)態(tài)測(cè)量作為一個(gè)參數(shù)估計(jì)和預(yù)測(cè)問(wèn)題來(lái)處理, 即首先根據(jù)有關(guān)稱(chēng)重測(cè)力系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí), 推導(dǎo)出一個(gè)含有未知參數(shù)的模型, 然后用該模型去擬合稱(chēng)重測(cè)力過(guò)渡過(guò)程信號(hào), 從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計(jì)[ 3]。由于被測(cè)重量或力值可以看成是稱(chēng)重測(cè)力過(guò)程的終值, 它們可以用模型參數(shù)加以估計(jì)或預(yù)測(cè)出來(lái)。

在動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)力技術(shù)方面, 盡管傳感器的最新硬件技術(shù)起著重要的作用, 但是基于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型的軟件技術(shù), 對(duì)于設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)測(cè)量的算法來(lái)說(shuō), 卻是更為本質(zhì)和更為重要的。這也就是說(shuō), 應(yīng)當(dāng)利用測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 把解決問(wèn)題的主要精力放在軟件方面; 誠(chéng)然, 硬件和軟件這兩條途徑, 對(duì)于研究動(dòng)態(tài)稱(chēng)重測(cè)力技術(shù)都是必要的。

 2  自動(dòng)在線測(cè)量

在1958 年自動(dòng)在線的連續(xù)稱(chēng)重裝置問(wèn)世之前, 生產(chǎn)線上產(chǎn)品的稱(chēng)重或重量控制都是人工進(jìn)行的, 即: 定時(shí)取出, 分別稱(chēng)量。這種/ 抽樣檢查0方法, 顯然已不適應(yīng)當(dāng)前高速生產(chǎn)、 質(zhì)量管理和切實(shí)保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益的要求。

為了不觸犯有關(guān)法規(guī), 例如在美國(guó)不觸犯NIST( 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究院) 第 44 號(hào)手冊(cè)5稱(chēng)重和測(cè)量裝置的規(guī)范、 允差及其它技術(shù)要求6[ 4]和130號(hào)手冊(cè)《法制計(jì)量和發(fā)動(dòng)機(jī)燃料質(zhì)量統(tǒng)一法律和法規(guī)》[5]規(guī)定的有關(guān)要求, 制造商們對(duì)直接銷(xiāo)售的產(chǎn)品已開(kāi)始采用 100% 重量檢驗(yàn)的原則。如果不能進(jìn)行在線自動(dòng)稱(chēng)重, 制造商寧可采用稍微超重裝料的原則, 以防份量不足而丟失信譽(yù)。

實(shí)際上, 在生產(chǎn)過(guò)程中需要快速而簡(jiǎn)易地在線采集和校驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 如果連續(xù)出現(xiàn)一組次品,生產(chǎn)者即應(yīng)關(guān)閉生產(chǎn)線并立即檢查原由。因此,傳統(tǒng)的抽查方式已不再適用, 有逐漸被在線檢測(cè)取而代之的趨勢(shì)。七十年代末微機(jī)引入稱(chēng)重計(jì)量?jī)x表, 給稱(chēng)重技術(shù)的發(fā)展注入了活力。當(dāng)前, 用于在線測(cè)量的自動(dòng)秤, 已不僅僅是為了剔除重量不足的產(chǎn)品, 更是為了進(jìn)行重量控制、 統(tǒng)計(jì)分析與處理。

稱(chēng)重計(jì)量?jī)x表與計(jì)算機(jī)相聯(lián)后可以編制出生產(chǎn)者想要的書(shū)面報(bào)告, 例如: 實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)的直方圖,重量的標(biāo)準(zhǔn)[ 偏] 差, 運(yùn)行的平均值, 相關(guān)的參數(shù)報(bào)告、 統(tǒng)計(jì)報(bào)告以及按時(shí)間、 數(shù)量或重量分類(lèi)的間隔報(bào)告等。因此, 生產(chǎn)者可以在遠(yuǎn)離計(jì)量站的質(zhì)量控制室里, 通過(guò)遙控面板來(lái)改變參數(shù), 而不必再在生產(chǎn)線上來(lái)回走動(dòng), 甚至還可以同時(shí)看管幾條生產(chǎn)線。對(duì)于食品、 化妝品、 藥品以及化工等行業(yè)而言, 這種在線測(cè)量的自動(dòng)秤無(wú)疑將使生產(chǎn)管理者的工作變得簡(jiǎn)煉、 準(zhǔn)確、 安全而高效。

用于重量在線測(cè)量的自動(dòng)秤主要有以下 5種[ 6]:

(1) 重力式裝料自動(dòng)秤。根據(jù) OIML( 國(guó)際法制計(jì)量組織) 第 R61 號(hào)國(guó)際建議, 它是通過(guò)自動(dòng)稱(chēng)量程序, 把物料分成預(yù)定的、 重量恒定的散狀物品( 載荷) 裝入容器的自動(dòng)秤, 通常包括選擇組合秤、 多斗組合秤及減量裝料秤三種。它們主要由一個(gè)或多個(gè)自動(dòng)給料器或者與一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)量單元相關(guān)的裝置, 以及適當(dāng)?shù)目刂蒲b置與卸料裝置組成。

( 2) 檢重自動(dòng)秤。根據(jù) OIML 第 R51 號(hào)國(guó)際建議, 它是對(duì)預(yù)包裝的分離載荷進(jìn)行稱(chēng)量或?qū)Ψ前b物的載荷進(jìn)行分類(lèi)的自動(dòng)秤, 國(guó)外直接稱(chēng)為抓料自動(dòng)秤。其中 X( x ) 級(jí)秤用于按照 OIML 第87 號(hào)國(guó)際建議對(duì)包裝品凈含量的稱(chēng)重; Y( y) 級(jí)秤則用于按照重量對(duì)物品進(jìn)行分類(lèi)( 例如: 檢驗(yàn)秤、分選秤等) , 也可以用于按重量對(duì)單個(gè)物品進(jìn)行計(jì)價(jià)并打上標(biāo)簽( 例如: 價(jià)格標(biāo)簽秤等) 。

( 3) 連續(xù)累計(jì)自動(dòng)秤。根據(jù) OIML 第 50 號(hào)國(guó)際建議, 它是安裝在皮帶輸送機(jī)的適當(dāng)位置上, 對(duì)散狀物料進(jìn)行連續(xù)、 累計(jì)稱(chēng)量的自動(dòng)秤, 簡(jiǎn)稱(chēng)皮帶秤。

(4) 非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)秤。根據(jù) OIML 第 107號(hào)國(guó)際建議, 它是把一批散料分成若干份分離的、不連續(xù)的載荷, 按預(yù)定程序依次稱(chēng)量每一份載荷后分別進(jìn)行累計(jì), 以求得該批物料總量的自動(dòng)秤,簡(jiǎn)稱(chēng)累計(jì)料斗秤。

(5) 自動(dòng)軌道衡。根據(jù) OIML 第 106 號(hào)國(guó)際建議, 它是在鐵路線上稱(chēng)量運(yùn)行中貨車(chē)重量的一種自動(dòng)秤。其稱(chēng)量臺(tái)面( 秤臺(tái)) 有足夠的工作長(zhǎng)度, 以保證列車(chē)通過(guò)臺(tái)面時(shí)有足夠的時(shí)間進(jìn)行有效的采樣。按其計(jì)量方式可分為軸計(jì)量、 轉(zhuǎn)向架計(jì)量以及整車(chē)計(jì)量 3 種。

總之, 檢驗(yàn)秤是將不同重量的物品, 按其重量與標(biāo)稱(chēng)設(shè)定值之差, 細(xì)分為兩組或多組的檢重自動(dòng)秤。分選秤則是按給定的重量范圍, 細(xì)分為若干組的檢重自動(dòng)秤。皮帶秤無(wú)需對(duì)物料按重量進(jìn)行細(xì)分, 輸送機(jī)的皮帶可按單一速度或多種速度運(yùn)轉(zhuǎn)。料斗秤在逐次稱(chēng)量時(shí)物料的重量通常各不相等, 在確定每斗的實(shí)際重量后即進(jìn)行累計(jì), 我國(guó)糧食行業(yè)( 例如: 儲(chǔ)備糧庫(kù)等) 也稱(chēng)它為散糧自動(dòng)秤。

另外, 帶有包裝機(jī)構(gòu)與相關(guān)控制裝置的選擇組合秤通常包括一個(gè)或多個(gè)稱(chēng)重單元, 并可計(jì)算出各稱(chēng)重單元的相應(yīng)載荷及由它們組合而成的灌裝載荷, 因而在我國(guó)通常稱(chēng)它們?yōu)槎堪b秤或灌袋秤。而自動(dòng)軌道衡已經(jīng)發(fā)展成為軌道載荷、車(chē)輛狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 能在較快速度下( 40~ 80kmP h) 測(cè)量車(chē)輛的輪重、 軸重、 超載、 偏載、 車(chē)輪扁疤, 以及識(shí)別車(chē)輪嚴(yán)重減載可能危及的行車(chē)安全,從而為列車(chē)提速、 保障安全提供了檢測(cè)手段[ 7]。

以上不同種類(lèi)的自動(dòng)秤, 在重量、 力值、 載荷的自動(dòng)在線測(cè)量中各具特色, 發(fā)揮著不同的作用。

 3  模型化測(cè)量

稱(chēng)重測(cè)力儀器作為一種常用的計(jì)量測(cè)試設(shè)備, 可以認(rèn)為近百年來(lái)經(jīng)歷了 4 個(gè)階段: 首先是延續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)的機(jī)械式的模擬儀器時(shí)代; 接著是機(jī)電式的電氣儀器和電子儀器時(shí)代; 然后于二十世紀(jì)七十年代末跨入近期的數(shù)字式儀器和微機(jī)化儀器時(shí)代; 隨之而來(lái)的便是九十年代開(kāi)始進(jìn)入的模型化測(cè)量( MBM) 儀器的新時(shí)代。

這是因?yàn)槿藗儾粌H要求得到測(cè)量結(jié)果, 還要求對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 即對(duì)被測(cè)的重量和力值進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)、 診斷或趨勢(shì)分析。人們實(shí)際面對(duì)的, 常常是需要實(shí)時(shí)測(cè)量的、 多變量的動(dòng)態(tài)過(guò)程或系統(tǒng)。所以, 僅僅采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法及數(shù)值處理手段是不夠的, 而需要借助于模型建立和參數(shù)估計(jì), 以實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量。

智能稱(chēng)重測(cè)力儀器與微機(jī)化稱(chēng)重測(cè)力儀器的顯著區(qū)別, 就在于智能儀器中無(wú)論是學(xué)習(xí)、 推理、判斷或自適應(yīng)等功能, 均需要各種數(shù)學(xué)模型構(gòu)成，智能儀表與微機(jī)化儀表的區(qū)別示意圖的知識(shí)層。 在這個(gè)層面上, 需要學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn), 獲取與記憶知識(shí), 推理、 判斷與解決問(wèn)題。例如: 需要進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償、 自動(dòng)校準(zhǔn)、 自選量程、 自尋故障、 雙向通信以及適應(yīng)外界環(huán)境等。具有這樣能力的測(cè)量, 方可稱(chēng)作是智能化測(cè)量。 

事實(shí)上, 利用數(shù)學(xué)模型或模型化測(cè)量的稱(chēng)重測(cè)力方法是很有前途的。它把測(cè)量視為一個(gè)過(guò)程, 把計(jì)量?jī)x器視為一個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)事先掌握的信息即先驗(yàn)知識(shí), 以及實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)即后驗(yàn)知識(shí), 利用系統(tǒng)辨識(shí)來(lái)建立計(jì)量?jī)x器的數(shù)學(xué)模型, 并通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)處理數(shù)據(jù)和全面地描述儀器,從而對(duì)其性能進(jìn)行狀態(tài)估計(jì), 或通過(guò)軟件來(lái)改善計(jì)量?jī)x器的硬件環(huán)境。

模型化測(cè)量為解決日趨復(fù)雜的動(dòng)態(tài)測(cè)量問(wèn)題開(kāi)辟了一條新路。例如: 稱(chēng)重系統(tǒng)采用二階系統(tǒng)的自回歸滑動(dòng)平均模型, 借助于這個(gè)模型和遞推的最小二乘法( RLS) , 即可由極短的稱(chēng)重階躍響應(yīng)估計(jì)出模型參數(shù)和被稱(chēng)的重量。仿真計(jì)算表明, 在輸入端有白噪聲干擾時(shí), 可用 RLS 估計(jì)出重量。該法要求的測(cè)量時(shí)間很短, 通常不超過(guò)一個(gè)振蕩周期即可得到良好的結(jié)果。

在微機(jī)化測(cè)力稱(chēng)重儀器中, 目前也有引入知識(shí)模型而構(gòu)成專(zhuān)家系統(tǒng), 即把優(yōu)秀的稱(chēng)重測(cè)力專(zhuān)家的思維過(guò)程固化到測(cè)量程序的軟件中, 與計(jì)算機(jī)修正程序結(jié)合起來(lái), 進(jìn)而提高計(jì)量?jī)x器的測(cè)試能力和故障檢測(cè)能力。由此可見(jiàn), 測(cè)量軟件對(duì)于稱(chēng)重測(cè)力技術(shù)未來(lái)發(fā)展的意義不可低估。

 

 4  數(shù)字化測(cè)量

為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的需要, 在稱(chēng)重測(cè)力系統(tǒng)中作為系統(tǒng)輸入端的傳感器至關(guān)重要。特別在需要智能化的場(chǎng)合, 傳感器的直接或間接數(shù)字化已必不可少, 此時(shí)測(cè)量不確定度和測(cè)量速度往往是一對(duì)矛盾, 兩者很難兼得, 而須根據(jù)實(shí)際情況作折衷選擇。在稱(chēng)重測(cè)力領(lǐng)域, 我國(guó)目前大量生產(chǎn)和應(yīng)用的都是傳統(tǒng)的模擬式傳感器。模擬信號(hào)的輸出較小, 以生產(chǎn)量最大、 采用電阻應(yīng)變?cè)淼姆Q(chēng)重測(cè)力傳感器為例, 一般最大輸出為 30~ 40 mV, 故其信號(hào)易受射頻干擾和電磁干擾, 電纜傳輸距離也短, 通常在 10m 以?xún)?nèi)。

而同樣是電阻應(yīng)變式的數(shù)字化傳感器, 其輸出信號(hào)可達(dá) 4V, 是模擬式傳感器的 100 倍。強(qiáng)信號(hào)的電纜傳輸距離可達(dá) 150 m, 附加電源后則可超過(guò) 600m。

人們一直在為改善模擬式稱(chēng)重測(cè)力傳感器性能所需的各種補(bǔ)償而耗時(shí)耗力, 特別是在尋求廉價(jià)的靈敏度溫度補(bǔ)償、 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償、 非線性補(bǔ)償、 滯后補(bǔ)償、 蠕變補(bǔ)償, 以及它們之間可能存在的交互( 耦合) 作用的補(bǔ)償機(jī)理和補(bǔ)償辦法。而數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)卻為此提供了新的解決途徑, 因?yàn)榧词故腔谖⑻幚砥鞯臄?shù)字化傳感器, 也能通過(guò)線路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償[ 8~ 10]。

在使用多個(gè)傳感器并聯(lián)的容器稱(chēng)重系統(tǒng)( 料斗秤或配料秤) 、 平臺(tái)稱(chēng)重系統(tǒng)或秤橋( 汽車(chē)衡或軌道衡) 中, 利用數(shù)字系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)/ 自校準(zhǔn)0。這是因?yàn)槎嗤ǖ赖臄?shù)字傳感器系統(tǒng), 不存在阻抗匹配問(wèn)題; 用戶(hù)輸入各傳感器的地址、 秤量和靈敏度,即可自動(dòng)進(jìn)行秤的/ 四角0或/ 邊角0平衡, 不必一次次地反復(fù)調(diào)整。而在模擬系統(tǒng)中多個(gè)傳感器并聯(lián)接線后, 每個(gè)傳感器的特性就不再是可辨別的了, 校準(zhǔn)時(shí)需在每一個(gè)傳感器上施加砝碼并利用接線盒中的分壓器進(jìn)行調(diào)整; 由于調(diào)整時(shí)存在著交互作用, 因而需反復(fù)多次。在數(shù)字系統(tǒng)中, 則允許分別復(fù)核作為單體的每一個(gè)傳感器。實(shí)際上,校準(zhǔn)裝有數(shù)字傳感器系統(tǒng)的秤所花費(fèi)的時(shí)間, 僅為模擬系統(tǒng)的 1 /4。

利用數(shù)字系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“自診斷”, 即診斷程序會(huì)連續(xù)地檢查各傳感器信號(hào)是否中斷、 輸出是否明顯超出范圍等。若有問(wèn)題, 在儀表或控制器面板上會(huì)自動(dòng)顯示或報(bào)警, 用戶(hù)利用面板上的鍵即可尋找各個(gè)傳感器, 獨(dú)立地確定問(wèn)題原因并進(jìn)行故障排除。這種直覺(jué)診斷和故障排除能力, 對(duì)用戶(hù)顯然是一種重要優(yōu)點(diǎn); 而在模擬傳感器系統(tǒng)中則是很難以低成本實(shí)現(xiàn)的。

在稱(chēng)重測(cè)力領(lǐng)域中, 典型模擬傳感器系統(tǒng)的模數(shù)變換器的分辨力為 16比特, 即有 50000 個(gè)可用計(jì)數(shù); 而數(shù)字系統(tǒng)中每一個(gè)傳感器的分辨率為20 比特, 即有 1 000 000 個(gè)可用計(jì)數(shù)。所以, 一個(gè)裝有 4 個(gè)數(shù)字傳感器的系統(tǒng)即可提供 4 000 000個(gè)計(jì)數(shù)的分辨率。這種高分辨率的優(yōu)點(diǎn), 特別適用于秤架自重大而被稱(chēng)物重量小的場(chǎng)合。例如:在配料稱(chēng)重系統(tǒng)中, 有時(shí)其中某配方的物料僅占很小比例, 但準(zhǔn)確度要求卻仍然很高。這在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)中同樣是很難實(shí)現(xiàn)的。

目前, 傳感器數(shù)字化的方式通常有兩種。一種是將AP D變換器連同前級(jí)的放大器、 濾波器以及后級(jí)的微處理器芯片、 溫度敏感元件等一起, 放在傳感器殼體的內(nèi)部, 形成一個(gè)整體。由于傳感器的輸出已經(jīng)是數(shù)字信號(hào), 所以稱(chēng)重儀表中的模擬信號(hào)處理單元可以取消, 其結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。另一種方式是傳感器本身一切照舊, 而只是將 AP D變換器等放到附近的接線盒( 也稱(chēng)模塊) 中。前者稱(chēng)為整體型, 后者稱(chēng)為分離型。

一臺(tái)普通的雙剪切梁傳感器大約包括 11 個(gè)電子元件, 共有 30 個(gè)焊點(diǎn)。變成整體的數(shù)字式傳感器后, 目前包括約 60 個(gè)電子元件和 350 個(gè)以上焊點(diǎn)。傳感器的平均無(wú)故障時(shí)間( MTBF) 是與其包含的電子元件數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)成反比的, 因而整體型數(shù)字稱(chēng)重傳感器的可靠性顯然有所下降。

分散型數(shù)字稱(chēng)重傳感器, 或確切地說(shuō)數(shù)字稱(chēng)重系統(tǒng), 用基于微處理器的數(shù)字傳感器模塊替代了通常的接線盒。每個(gè)傳感器信號(hào)的高速和高分辨率的 AP D 變換, 就是在此模塊中完成的, 最多可以接12 只傳感器。數(shù)據(jù)或資料被數(shù)字化后, 通過(guò)串行通信接口, 傳輸?shù)? 數(shù)字過(guò)程稱(chēng)重控制器0。這種光耦合式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或資料的連結(jié), 可傳輸高電平數(shù)字信號(hào)而不受射頻干擾和電磁干擾等電噪聲的任何影響。
 

顯然, 分散型方式更適宜于在原有模擬稱(chēng)重系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 不必更換傳感器就可以向數(shù)字稱(chēng)重系統(tǒng)發(fā)展, 不失為對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)改造的一條捷徑。可以預(yù)見(jiàn), 數(shù)字傳感器和數(shù)字稱(chēng)重測(cè)力系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展將會(huì)是很快的。

 

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