数字式智能称重传感器的应用

　　一、概述

　　自从20世纪40年代初，利用粘贴式电阻应变计的模拟式称重传感器问世以来，经过60多年的种种改进与发展，从结构设计、制造工艺到综合性能指标、稳定性和可靠性都达到较高的水平，在各种电子衡器和称重计量与控制系统中得到了广泛的应用。随着科学技术的进步，工业过程自动化水平的提高，特别是数字技术与信息技术的发展，在称重计量与控制系统中，应用数字技术与数字系统的需求愈来愈多，对衡器行业提出了电子衡器数字化、智能化，用数字称重系统突破模拟称重系统的局限性等要求。众所周知，数字称重系统要求称重传感器和称重仪表系统以数字形式输出。目前在用的模拟式称重传感器，由于电阻应变转换原理决定了无论采用何种电阻应变计进行制造，其本身都不能产生具有数字特征的输出信号，而且存在着输出的模拟信号小，一般为20}40mv;传输距离短;抗干扰能力差;称重显示控制仪表复杂;安装、调试不方便等先天缺陷。根本适应不了电子衡器数字化、智能化的要求。因此，引起了人们对模拟式称重传感器与数字称重系统接口和数字式智能称重传感器的重视，国外一些著名称重传感器生产厂家，对此开展了许多研究工作，并取得突破性的科技成果，开发出多种具有自主知识产权的产品。

　　早在1983年为适应工业过程自动化的需要，美国TOLEDO（现METTLER TOLEDO）公司就引入了“数字式”（DIGITOL）概念并逐步将其应用于称重领域。致力于研究采用微处理器技术、数字补偿技术，使其与传统的应变式称重传感器技术相结合，经过多年的努力，开发出摇柱型数字式智能称重传感器。美国STS公司也在1988年全美衡器展览会上，推出了整体型数字式智能称重传感器。两者都是以模拟式称重传感器的基本原理为基础，利用现代电子技术及计算机软件技术而开发出的新型称重传感器。即在模拟式称重传感器内部增加放大、滤波、A/D转换、微处理器芯片和温度敏感元件等10多个元器件，利用标度变换，数字滤波，数字调零，数字补偿等技术与工艺制造完成。数字式智能称重传感器的制造工艺，检测项目，试验方法，配套的称重仪表与模拟式称重传感器有很大区别。因此，数字式智能称重传感器是与称重仪表等共同研制开发的一项系统工程。

　　数字式智能称重传感器具有输出信号大，数字信号是一组组高低电平信号，有格式、有规律的组成，一般为士SV;抗射频电磁场辐射等干扰能力强;信号传输距离远，一般可达150m，附加电源后可超过600m;安装、调试方便;易实现智能化控制等特点，完全克服了模拟式称重传感器的缺点，是数字化电子衡器、自动称重计量与控制系统、需要自动校准的称重系统、复杂结构的各类配料秤、容积秤和超大型电子衡器的首选产品。

　　从电子衡器的品种、结构、用途上看，数字式智能称重传感器，不可能完全取代模拟式称重传感器，在今后一个比较长的时期内，模拟式称重传感器，仍然是称重传感器发展与应用的主流。但我们必须重视并认真研究数字式智能化称重传感器及其在数字称重系统中的应用。

　　二、数早化与数早式称重传感器的区别

　　模拟式称重传感器的被测重量参数虽然最初是由敏感元件以模拟形式给出，但都还要转换成模拟电压或模拟电流。在制造工艺、电路补偿与调整、信号调理、模一数转换等方而已经积累了很多经验，因而应用而比较广泛。但其输出信号小，传输距离短，抗干扰能力差，各补偿项目交互作用，电路补偿与调整工艺复杂，不但耗时费力而且补偿精度较低等缺陷，决定了模拟式称重传感器向数字式智能化方向发展，只能寄生于应变电桥之外的数字转换单元，变模拟信号为数字信号。因而，出现了两种数字转换途径，一种是将模拟式称重传感器的输出信号，通过安装在其内部的数字变送器，变为数字信号输出，通常称为数字化称重传感器。即：

　　模拟式称重传感器+数字变送器、数字化称重传感器

　　数字变送器可以作得很小，称为数字变送模块，一般都将它固定在模拟式称重传感器的接线盒内，即方便调试又有利于密封。数字化称重传感器的力学和温度性能指标，都是以模拟式称重传感器的制造工艺和电路补偿与调整技术为基础的，数字变送器只是将模拟输出信号数字化，并不能提高各项性能指标。相反，如果数字变送器质量不佳，还会损失一些固有的性能，因而生产厂家通常挑选那些电路补偿精度高，综合性能好的模拟式称重传感器进行数字化处理。

　　另一种是彻底脱离模拟式称重传感器的制造工艺和传统的电路补偿与调整技术，开发新型的数字式智能称重传感器。它是在弹性元件贴片、固化、后固化和布线组桥后，就脱离模拟式称重传感器的制造工艺。通过由放大，滤波，A/D转换，微处理器芯片，温度敏感元件等元器件组成的数字式电路，以及标度变换，数字滤波，数字调零，数字补偿等软件技术，使称重传感器输出的数字信号成为一组组有格式、有规律的高低电平信号，经过效率高、可靠性好的接口实现远距离传输。即：

　　弹性元件电桥电路+数字式智能化电路+数字补偿技术与工艺、数字式智能称重传感器

　　典型的模拟式称重传感器系统的模一数变换器只有16-bit（比特），即有50000个可用计数，而数字称重系统中的每一个数字式智能称重传感器的分辨率为20-bit，即有1000000个可用计数。所以，一个由4只数字式智能称重传感器组成的数字式称重系统，可以提供4000000个可用计数的分辨率。这种高分辨率对数字称重系统，特别是对那些大的死载，小的活载的称重系统是至关重要的。这在传统的模拟式称重传感器组成的称重系统中是很难实现的。

　　模拟式称重传感器，基本上是手工化生产，人为的因素对产品质量影响较大。零点温度，灵敏度温度，线性、滞后、蠕变等补偿方法和补偿工艺还不够完善，各项补偿之间交互作用，不可避免的产生残余误差，限制了准确度和稳定性的进一步提高。 数字式智能称重传感器，基本上是自动化生产，人为的因素对产品质量影响很小。其数字调零，标度变换，温度补偿，线性、滞后、蠕变补偿等，都是通过内部的微处理器收集、处理并存储各种数据。由于采用“数据库”技术，使得微处理器能不断的对数据进行识别和校正，使其具有更多的智能，发挥更大的作用。可见数字处理电路和软件设计是实现数字补偿技术与工艺的重要环节。

　　三、数字式智能称重传感器

　　数字式智能称重传感器有两种实现方法或者说有两种结构形式，即整体型和分离型。

　　1.整体型数字式智能称重传感器

　　如前所述，在称重传感器内部安装有放大、滤波、A/D转换，微处理器芯片和温度敏感元件等组成的数字处理电路。利用微处理器芯片已存入的软件。实施各项数字补偿工艺，进行综合性能测试和检定，最后采用电子束焊或激光焊进行密封。因数字变换与补偿电路和称重传感器为一整体，故称为整体型数字式智能称重传感器。

　　数字式智能称重传感器的制造工艺完全不同于模拟式称重传感器。主要是两个环节，其一是在弹J哇元件组成惠斯登电桥电路后，通过试验、测试、建立数字补偿技术与工艺要求的各补偿项目的数学模型，形成便于程序化计算的公式，便于编制成补偿计算软件。主要是线性补偿，蠕变补偿，零点和灵敏度温度补偿等数学模型。因为，数字补偿技术与工艺是建立在合理的物理模型和数学模型基础上，给出准确、可靠的数学模型是保证数字补偿精度的前提。其二是根据数学模型编制出简单、实用、有效的补偿计算软件，存储在微处理器芯片中进行各项误差修正与补偿。软件技术主要有：数字滤波技术一称重传感器的模拟输出信号，经A/D变换后进入微处理器时，常混进尖脉冲之类的随机噪声干扰，必须予以削弱和滤除;标度变换技术一称重传感器的模拟信号，经A/D变换后得到一系列的数码，必须将其换算成带有量钢的数后才能运算、显示;数字调零技术一采用各种程序来实现零点漂移、增益漂移等偏差校准;温度补偿技术一建立表达温度的数学模型（如多项式等），用差值等数学处理方法，便可有效的实现温度补偿;非线性补偿技术一根据测得的特性曲线，进行分段插值，只要插值点数取得合理和足够多，就可获得优良的线形。

　　美国TOLEDO公司、STS公司、CARDINAL公司和德国HBM公司研制的数字式智能称重传感器，都有自己独特的数字补偿技术和工艺。在数字输出消除电噪声;数字电路实现自动温度补偿;解决抗射频干扰（RF1）和电磁干扰（EMI）;实现自适应、自校准、自诊断功能和内置过压保护板以应付闪电引起的电瞬变等方而的技术与工艺均处于领先地位。整体型数字式智能称重传感器的特点是：

　　（1）产生、处理和存储数字信号容易，输出信号大，输出信号是一组组高低电平信号，一般为士SV;

　　（2）具有很高的分辨率，一般为20-bit，可用计数高达1000000，且准确度高，稳定性好;

　　（3）高电平数字信号抗外部射频干扰和电磁干扰能力强;

　　（4）强信号输出，传输距离远，通常可达150m ，附加电源后可超过600m ;

　　（5）可采用软件运算方法调整四角误差，利用数

　　字系统实现“自校准”，因此，安装、调试、检定非常方便，仅为传统方法的1 /4 ;

　　（6）对大量程的电子衡器和无法加挂祛码的称重装置，可进行无祛码标定。利用数字称重系统软件，输入各称重传感器的标定参数，即可保证电子衡器的称量准确度和工作可靠性。

　　整体型数字式智能称重传感器存在的问题也比较突出，主要是：

　　（1）由于在内部增加了A/D转换的前级放大器和后级微处理器，温度敏感元件等60多个电子元件和350个焊点，大大超过内部只有11个电子元件和30个焊点的模拟式称重传感器。而称重传感器的平均无故障时间与其含有的电子元件和焊点数成反比，因此，稳定性和可靠性必然有所下降;

　　（2）内部的电子元件决定了工作温度范围小，一般为一10400C。如需在一10℃以下的环境工作时，应选用的低温元器件，其成本将呈几倍甚至10倍上升;

　　（3）将数字电路置于称重传感器内部后，除按常规检测、标定外，还应按称重仪表的要求进行静电放电抗扰度、射频电磁场辐射抗扰度和电快速瞬变脉冲群抗扰度等试验;

　　（4）数字式智能化电路置于称重传感器内部，降低了防爆等级，若满足防爆要求，必须采用较昂贵的防爆和隔爆措施;

　　（5）制造和维修成本较高，无论是电阻应变计电桥电路部分还是数字式智能化电路部分出现故障，均需整体更换一个新的数字式智能称重传感器。

　　2.分离型模块化数字称重传感器系统

　　在分析了整体型数字式智能称重传感器的存在问题、应用经验和市场要求的基础上，美国STS公司于1992年推出分离型2200系列数字式称重传感器模块。它是将原先放置在称重传感器内部的A/D转换数字处理电路，移至一个外部接线盒内。将具有A/D转换模块的接线盒称为数字接线盒。将普通的模拟式称重传感器接入数字接线盒后，它的输出便以数字信号传输给与其配套的称重显示控制仪表。通常将模拟式称重传感器加数字接线盒的模式，称为模块化数字称重传感器系统。它即保留了模拟式称重传感器的综合性能指标，又具备整体型数字式智能化称重传感器的所有特点和功能。同时最大限度的改善了A/D转换电路的工作环境。模块化数字称重传感器系统的特点是：

　　（1）在模拟式称重传感器无任何改变的条件下，经数字接线盒（称重接线盒正确使用方法），变模拟信号输出为数字信号输出，使其具有整体型数字式智能称重传感器的特点和功育旨;

　　（2）采用模块化数字称重传感器系统，可在不改变原有电子衡器结构的基础上，实现电子衡器数字化;

　　（3）模拟式称重传感器可在一4070℃环境条件下正常工作，配以数字接线盒可以使模块化数字称重传感器系统在较宽的温度范围内工作;

　　（4）与整体型相比，分离型模块化数字称重传感器系统的稳定性和可靠性都有较大提高：

　　（5）安装布线非常简单，从数字接线盒到数字式称重仪表只有一根电缆线;

　　（6）因接配普通模拟式称重传感器，便于维护、修理，维护成本也比整体型低。

　　美国STS公司模块化数字称重传感器系统，主要技术指标如下：

　　（1） A/D通道：四个互相独立20-bit ，叉-0A/D转换通道。

　　（2）转换数率：100取样/秒。

　　（3）内分辨率：1048000

　　（4）分度数分辨率200000

　　（5）信号灵敏度：0.1 }。，v/分度。

　　（6）信号范围：O.Smv/v到6mv/v

　　（7）激励电压：10士O.SVDC

　　（8）校准：常规/数字（不需要祛码）。

　　（9）串行口1：双向RS232或20MA电流环。

　　（10）串行口2：双向RS232或RE485或20MA电流环。

　　（11）数字口：6输入，7输出;TTL低电压有效。

　　四、整体型和分离型数字式称重传感器的应用

　　整体型数字式智能称重传感器主要应用于实现工业过程自动化的数字称重系统和数字化电子衡器。应用较多的是结构比较复杂的电子料斗秤，电子配料秤，电子液罐秤，大量程的电子平台秤、电子汽

　　车衡、动态轨道衡和具有大的死载，小的活载的特殊电子秤。前者主要是看重数字式称重传感器系统，可利用软件输入数字式智能称重传感器各标定参数实施无祛码标定，后者则是利用数字式智能称重传

　　感器提供的1000000个可用计数的高分辨率，这都是，模拟式称重传感器根本不能实现的。

　　分离型数字式称重传感器具有配置灵活，应用范围广泛，安装调试方便，检定方法简单，环境适应能力强等特点，市场占有率不断增加。美国STS公司开发的2200系列中的2203，2204和2224数字式称重传感器模块，就可以组成各种数字称重系统。2203，2204和2224数字式称重传感器模块，只是内分辨率，分度数分辨率等有所不同，其它基本相同，都能连接3mv/v的模拟式称重传感器，最多可达12只。各称重传感器的模拟输出信号通过带有高速、高分辨的A/D变换器和微处理器的模块，转换为高电平数字信号，经串行通信接口，传输到“数字过程称重控制器”，经此控制器可将数字和模拟数据通过网络传输给集散控制系统、可编程控制器和个人计算机，这就组成了一个典型的数字称重系统。由此不难看出，这种方案的突出特点是可以在对原有称重系统不作任何改变，又不更换称重传感器的前提下，通过数字式称重传感器模块，变模拟称重系统为数字称重系统。可以说这是对传统的称重系统进行数字化改造的一条捷径，一定会有很好的发展前景。