基于单片机的传输带动态称重系统设计与实现.pdf

摘要摘要随着传感器技术、电子技术和微机技术的崛起，动态称重技术得到了迅速发展。动态称重系统在数字化，智能化等方面有长足的进步，称重系统的研究与开发也进 入了一个崭新的阶段。传输带动态称重系统是对传输带上的散状固体物料或粉料进 行连续称量的系统，在电力、化工、煤炭、粮食等行业都有较广泛的应用，市场需 求巨大。但是，我国自行研制的相关产品普遍功能单一，精度不高。所以改善现有 称重装置、开发研究功能齐全的动态称重系统是势在必行的。本文论述了一套基于单片机的传输带动态称重系统，很好的解决了上述问题。首先对传输带动态称重系统的整体结构、系统模型及其工作原理进行详细分析，接 着针对应用广泛的单托辑式秤架的动态计量误差进行了分析，对传统误差分析方法 做了改进，从数学角度确认了皮带张力的影响，并且采用数学建模分析的方法对误 差进行校正，较好的解决了动态计量精度低的问题。具体提出了系统硬件和软件的 设计方法，给出了数据处理算法和其编程的设计。系统使用24位精度模/数转换芯片 AD7730转换称重传感器信号，保证了数据转换的高精度。经过实验证明，该系统能 够有效提高动态称重系统的计量精度，误差在0.2%以内。并且系统功能完善，实现 了计量数据的文时监控显示和保存打印，系统扩展了现场总线接口，很好的满足了 工业自动化和管理现代化的需求。关键词动态称重；传输带；AD7730；现场总线；I河北科技大学硕士学位论文AbstractWith the development of technology of sensor,electronic and computer,the dynamic weighing technology is developing rapidly.Weighing system made significant progress in the digital and intelligent,the research of Weighing system has entered a new phase.Belted dynamic weight equipment is designed for continuous weighing the bulk solids or powders on conveyor belt.And it is widely used in the fields of electricity,chemical,coal and food.However,our related products generally with single function and low precision.Therefore,the improvement of existing weighing devices,research and development functional dynamic weighing system is imperative.This paper presents a belted dyamic weighing system based on SCM,which is a good solution to this problem.In this paper,the overall structure of the weighing system is present first,and detailed analysis of the system model and working principle.It analyzes the cause of dynamic measurement errors,and builds a mathmematical model for dynamic measurement errors of single-idler electronic belt conveyor scale.According to the model,the proposed approach use algorithm to correct errors.Solved the problem of low dynamic measurement accuracy.Then the design of system hardware and software is present.And data processing algorithms and their programming design.System uses 24-bit precision A/D converter AD7730 convert the weighing signal to ensure high-precision measurement results.The result has shown the measurement errors are effectively reduced,and the measurement accuracy can up to 0.2%,The system presented in this paper is characterized by high precision,good stability and achieved the functions of real time monitoring and data preservation.And with the Profibus interface,this system was well positioned to meet the requirements of industrial automation and management modernization.Key words dynamic weighing;transmission belt;AD7730;Profibus;目录目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1 课题背景及研究意义.11.1.1 课题背景.1L1.2课题研究意义.11.2国内外研究发展现状.21.21国内外称重技术发展现状.”.21.2.2国内外称重技术发展趋势.31.3课题研究的主要工作及论文结构.5第2章系统整体设计.72.1 系统结构概述.72.2 动态称重计量原理.72.3 本章小结.9第3章 秤架和传感器的选择.103.1 几种常见秤架介绍与分析；.103.1.1 单托辐秤架.103.1.2 多托轮双杠杆秤架.143.1.3 悬臂式秤架.153.1.4 悬浮式秤架.163.1.5 秤架结构优越性对比.163.2 系统传感器介绍与分析.173.2.1 称重传感器介绍与分析.17322测速传感器介绍与分析.203.3 本章小结.22第4章 系统硬件设计.234.1 系统硬件概述.234.2 系统微处理器.2343系统模数转换器.234.3.1 AD7730的工作原理.24432 AD7730内部结构.244.3.3 AD7730与单片机的接口设计.264.4 数据采集电路通信接口设计.264.4.1 串口通信.26III河北科技大学硕士学位论文4.4.2 RS-232C 标准.274.4.3 MAX232 芯片简介.274.4.4 串口通信接口电路设计.274.5 程序下载线连接.284.6 传感器接口设计.:.294.7 Profibus-DP 接 口扩展.294.7.1 Profibus现场总线概述.294.7.2 Profibus现场总线传输方式.314.7.3 Profibus-DP 扩展接 口选择.314.8 本章小结.32第5章 单片机软件设计.335.1 Keil C51开发工具介绍.335.2 单片机系统软件设计.335.3 主程序模块设计.335.4 AD7730转换模块设计.345.4.1 AD7730 初始化.355.5 脉冲计数模块设计.365.5.1 测速信号的处理方法.365.5.2 脉冲计数的程序实现.375.6 串口通信模块设计.:.385.7 本章小结.38第6章 上位机软件设计.406.1 Visual C+6.0 简介.406.2 上位机软件整体设计.4063串口通信模块设计.426.4 数据处理模块设计.436.5 数据显示模块设计.456.6 数据库功能模块设计.476.7 参数设置模块设计.476.8 本章小结.49第7章试验结果.507.1 模拟测试结果.507.2 现场测试结果.5173本章小结.51结论.52附录.53参考文献.55S录攻读硕士学位期间所发表的论文.57致谢.58V第1章绪论第1章绪论1.1 课题背景及研究意义1.1.1 课题背景对物料重量的动态称重在工业生产和流通贸易中占据重要地位，其中动态称重 计量工具是不可缺少的计量工具。在各种大宗散装物料的传输带上，都广泛应用动 态称重计量工具，起到了提高计量精与 缩短作业时间、提高管理效率、节约资源 和改善经营等多方面作用。目前动态称、重计量工具已经遍及各个领域，带来了显著 的经济效益。随着国民经济迅速发展，贸易商品流通量不断扩大，传统的动态称重 计量工具已经不能适应时代的发展，需要新产品在自动化生产和现代化管理两方面 不断提高。随着近几十年计算机技术、微电子技术和传感器技术的崛起，动态称重 技术在智能化、数字化和计量迅速化方面都有了长足进步川。新型的动态称重计量工 具不仅仅是提供重量信息的独立仪表，而是现代工业一体化和管理自动化的重要组 成部分。所以新型动态称重系统不但要能快速、准确提供计量数据，还需要消除人 为和环境造成的误差，提高计量精度，并且应具备计量数据实时监控、数据保存和 数据管理等功能亿叫1.1.2 课题研究意义传输带动态称重设备是对传输带传送的散状固体物料或粉料进行连续称量的设 备，有着应用行业面广、使用目的广泛等特点，实现了物料储存、运输和称量的一 体化。广泛应用于大宗散状固体物料或粉料的运输、加工、储存行业，如港口、仓 库、冶金、煤炭、电力、建筑和烟草等行业。从使用目的方面而言，可以精确监管 生产环节，提高结算精度，还可用于组成各种自动化配料系统和工业控制系统。随 着目前企业工业生产自动化和管理自动化程度的不断提高，迫切需要提高自身的生 产效率，这就需要性能更好更完善的传输带动态称重设备。但是，目前国内的相关产品品种少，且功能单一，不能满足企业的迫切需要，所以改进传统设备，研究开发性能好功能完善的传输带动态称重系统是势在必行的。本课题正是针对这一问题，开发的动态称重系统具有计量精度高，稳定性好，并且 系统还实现了上位机实时计量数据可视化和数保存打印功能，其界面直观，便于使 用，从而杜绝不真实计量现象，维护了企业和客户的利益，方便了计量工作。另外 系统扩展了现场总线接口很好的满足了工业自动化和管理现代化的要求。1河北科技大学硕士学位论文1.2 国内外研究发展现状1.2.1 国内外称重技术发展现状动态称重技术的发展可分为以下四个阶段：(1)动态称重技术起源世界上最早的动态称重装置出现在19世纪末期的西 方国家，用于输送机对散状固体物料动态自动称重。1880年第一台动态称重装置获 得计量许可。1908年第一个动态称重专利在英国公布:自此，形成了较完整的动态 称重技术定义和动态称重装置，拉开了动态称重技术发展的序幕。(2)纯机械式动态称重装置第一代成熟的动态称重装置以纯机械式皮带秤为 主导，只有带配重物的秤架结构和增量式码盘结构的编码装置，实现了简单的速度 和重量数据的采集，但由于受到机械装置制造水平的限制，精度很差，而且计量过 程复杂繁琐。1970年英国制定了第一个系统的动态称重检验模式，标志着动态称重 行业走上规范化道路。(3)传感器和仪表结合式动态称重装置 二战后，随着传感器技术和电子技术 的飞速发展，出现了传感器和电子仪表结合的第二代动态称重装置。使用光电脉冲 式或磁电脉冲式传感器测量速度，电子仪表通过模拟积分放大电路或数字积分放大 电路实现配重平衡、启动识别和流量累加功能。第二代动态称重装置在计量精度和 计量过程简化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在计量精度较低和缺乏误差纠 正等缺陷。(4)传感器和微机结合式动态称重装置随着近十年来传感器制造工艺和微机 智能技术的崛起，为动态称重装置的性能大幅度提高创造了有力条件。第四代动态 称重装置不但在计量精度上有了长足进步，而且在机构集成化和功能完善化方面取 得了进步，可以根据企业现场环境的需求研制不同类型的传感器微机智能化动态称 重系统。目前正在使用的传输带动态称重装置种类繁多，结构形式不同，分类依据多种 多样。从秤架结构类型分有：单托轻秤架、多托辑双杠杆秤架、悬臂式秤架、悬浮 式秤架等结构，其中单托辑秤架由于结构简单、安装便捷等特点，市场占有率较高。从使用的称重传感器类型分有：电阻应变片式传感器、磁压式传感器、差动变压式 传感器和核子式传感器等，其中电阻应变片式传感器应用最为广泛。目前使用的动 态称重装置较为成熟的有：电子传输带称重装置、核子传输带称重装置和激光核子 传输带称重装置。(1)电子传输带称重装置电子传输带称重装置依靠称重传感器测量传输带上 的物料重量数据，一般使用接触式测速传感器测量传输带运行速度，这导致计量精 度受制于机械结构，计量结果误差来自传输带张力、自重、抖动等多种因素。所以 第1章绪论这种动态称重装置计量精度不稳定，维护工作繁琐，需要每隔一段时间对装置各项 参数进行调节，以达到所需精度。而且这种动态称重装置适用于大量散状物料较长 时间累积流量的连续计量，测量瞬时重量的精度不高，难以满足某些对物料瞬时重 量要求较高的使用场合。(2)核子传输带称重装置核子传输带称重装置是利用伽马射线对传输带上的 物料进行计量。当伽马射线强度一定时，射线穿过物料的衰减强度与物料的成分、密度、厚度等参数呈指数关系。计量时将载物时的射线强度的连续测量数据与传输 带空载时的测量数据进行比较，再与测量的传输带速度进行计算，可以直接得到物 料的瞬时载荷重量、累积物料流量等计量数据。由于核子传输带称重装置的工作原 理是基于伽马射线穿透物料时的衰减规律，是非接触式测量，有安装独立简便、后 期维护容易、计量精度不受机械装置影响等显著优点。但是，伽马射线的衰减强度 与射线方向上的物料厚度有直接关系，这使得核子传输带称重装置的计量结果受物 料形状影响很大。实验证明，相同载荷的同种物料不同的摆放形式下，计量的结果 相差很大，甚至高达17%,存在物料形状影响导致核子传输带称重装置计量精度较 差的问题。(3)激光一核子传输带称重装置激光-核子传输带称重装置工作原理是利用 伽马射线辐射测量传输带上物料的密度，利用激光图像分析来测量物料的堆积体积,进而计算出传输带上物料的重量。由于这两种测量技术都是非接触式测量，所以激 光核子传输带称重装置具有：装置结构简单、安装便捷、不受机械性能影响、后期 维护简便、能准确测量瞬时重量等显著优点。而且激光图像分析技术弥补了核子测 量技术的缺陷，测量结果不受传输带上物料摆放形状的影响，使得这种装置计量精 度较好。但是，这种装置的成本较高，而且伽马射线的辐射对物料内部结构的稳定 性和工作人员的身体健康都是不利的，所以激光.核子传输带称重装置应用并不普遍。传输带称重技术最早传入我国是在本世纪60年代，经过几十年来不断的发展与 完善，品种不断增多，在我国工业生产自动化中发挥了巨大作用。传输带称重方式 由静态发展到动态，计量方式由模拟量转变为数字量，测量参数由单个参数转变为 多个参数测量。随着传感器工艺的提高和微电子技术的崛起，我国传输带动态称重 技术的研究得到了进一步发展。但是，由于核心技术与工艺落后、机械设备与电子 仪表老化、新产品研发能力欠缺等因素困扰，我国相关产品的质量和品种都与发达 国家相差甚远，而且功能单一，可靠性差。所以目前相关产品的性能和品种，不能满足中国现在和未来的巨大市场需求，这就为传输带动态称重设备的研究开辟的广阔前景。1.2.2 国内外称重技术发展趋势随着传感器制作工艺和微机技术的不断发展，加之引入模糊控制理论、神经网 3河北科技大学硕士学位论文络、建立数学模型、人工智能、阻尼振动理论等技术，称重计量系统向着功能自适 应、智能化信息处理方向发展。国际上已经取得了动态称重技术的突破，称重技 术已经跨入了高科技领域。目前，称重技术的主要发展趋势为以下几个方面：(1)小型化 体积小、重量轻、便于安装调试。近几年称重装置的研究特点上,充分体现了秤架结构向小、轻、薄方向发展。为了适应低容量的计量场合，可将传 感器制成薄或超薄型称重传感器直接嵌入秤架受力的铝板或钢板底上与传感器外径 一致的盲孔内，从而组成低外形的秤架结构，通过秤架的力学要求和额定载荷可以 计算出称重传感器的安装位置和使用数量。秤架的铝板或钢板就是称重平台，称重 传感器既作为计量装置，又作为秤架支点存在，这种设计极大地精简了装置结构，减少了机械连接环节，不但缩减了制作成本，而且提高了装置的可靠性和稳定性。对于较大容量的平台称重装置和电子地上称重装置，采用长方形或正方形闭合截面 的薄壁钢排列成一个竹排式秤体结构，在最外边两根薄壁钢两端的切口内分别安装4 个称重传感器，称重传感器的固定支撑结构就是秤架的受力支点，这种设计既能简 化称体结构，又能缩减称体高度，是一种很有发展前景的设计方式。(2)集成化 对于一些特定结构的称重装置，如专用称重装置、小型电子秤、静态电子轨道秤以及便携式静动态轮轴秤等产品，可以实现称重传感器与钢轨，称 重传感器与秤架，称重传感器与轨道秤台的集成化。例如称重传感器与秤架集成化 的静动态便携式电子轮轴秤，其集成化结构由厚质硬铝合金板制成，主要原理是通 过固溶热处理来强化硬铝合金板，在合金板4个角通过铳槽或钻孔的方式安装4个 悬梁式称重传感器，或者在合金板的地面通过铳槽或钻孔的方式安装多个剪切梁式 称重传感器。从而使秤架与称重传感器高度集成化。(3)智能化称重装置的计量显示与控制部分与微型计算机相连，通过微型计 算机的智能化处理增加称重装置的显示和控制功能。使得称重装置在保留原有功能 基础上增加了自适应、自诊断、自组织、推理和判断等智能功能。这方面提高就是 智能化称重装置的显示与控制器与目前普遍使用的微机控制显示与控制器的主要区 别所在。(4)综合化称重技术未来的发展方向是在加强基础研究的基础上扩大应用范 围，扩展应用领域，向相关行业和学科渗透，应用各个学科的技术综合化的解决计 量称重、信息处理、自动控制等问题。对于某些应用场合，只具备计量、显示、量 化等功能的称重装置远远不能满足用户需求。随着生产自动化和管理一体化的进程 的不断推进，称重装置应具备：称重、计价、提供各项相关信息、出入库管理、网 络服务等各项功能。需要电子称重设备与计算机和互联网相连，共同组成一个综合 化生产控制系统。4第1章绪论(5)组合化 在某些重量计量场合或过程中，为满足实际需求，还需要电子称 重装置具备一定的组合能力。如机械部分根据实际场合的调整，与外围设备的组合，系统硬件与外围设备的连接，调节计量范围和精度，通过软件设置调整输入输出方 式、通信方式等功能。1.3 课题研究的主要工作及论文结构(1)进行系统整体设计规划 将软、硬件按实现的功能划分成不同的模块。分 析系统所用各传感器的性能，全面了解被采集信号的各项指标。(2)设计系统硬件及制作PCB板实现对系统称重传感器和测速传感器的数据 采集、上位机通信、在线编程等功能，通过Altium Designer Summer 08设计硬件电路原 理图及PCB板图，联系工厂制作电路板，成板后将元器件正确焊接。(3)硬件电路的调试系统硬件部分制作完成后，使用在线编程功能对系统编 写测试程序，借助sscom32端口监控软件调试系统，使该硬件系统能够正确、稳定 的完成重量数据的采集、在线编程以及上位机的通信等功能。(4)单片机软件程序设计及调试硬件调试成功后，根据系统功能需求和传感 器信号指标，使用Keil C51集成开发工具开发单片机软件程序，要求完成对称重传 感器信号的A/D转换，对测速传感器信号的脉冲计数和将采样数据按照规定协议由 串口发送至上位机等功能。借助sscom32调试程序，确保程序稳定工作，输出数据 准确。(5)上位机软件设计及调试上位机软件系统主要分为上下位机通信模块、计 量数据处理模块、数据显示模块、数据库模块和参数标定模块，按模块进行程序编 写及调试。使得该软件能够完成下位机数据的接收、数据的动态显示、数据的量化 处理与计算、系统各参数的标定以及基于数据库的数据访问、查询、统计、报表打 印等功能。软件编写工具为Visual CH6.0,数据库设计使用SQL Server 2000。(6)联机调试 将硬件电路与上位机通过串口连接，接入模拟传感器信号，使 上、下位机可以正确的进行通信，验证系统整体运行结果。最终在实际环境中连接 传输带装置，对系统进行参数标定和调整，使得该传输带动称重系统能够按要求正 确、稳定的运行。本论文结构如下：第1章为绪论部分。阐述了本课题的研究背景及意义，介绍了动态称重技术国 内外研究发展现状，最后总结了自己所做的工作，并且给出了论文整体结构。第2章为系统整体设计。提出了传输带动态称重系统的总体设计方案，阐述了 系统的基本结构和计量原理。详细说明了系统实现的功能。第3章为秤架和传感器选择。介绍了几种传输带动态称重系统目前使用的秤架 和传感器，对结构和原理做了详细分析，对比优缺点进行选择。5河北科技大学硕士学位论文第4章为系统硬件设计。详细介绍系统的硬件设计，主要包括单片机和数模转 换器的选择，数据采集电路和通信接口的设计和现场总线接口的扩展。着重阐述了 基于AD7730芯片的称重传感器数据采集电路的设计与实现。第5章为单片机软件设计。阐述了系统单片机软件设计，详细介绍了主程序模 块、AD7730转换、脉冲计数及串行通信4个主要模块的设计与实现。重点阐述了称 重传感器数据转换功能的实现，通过功能寄存器介绍和流程图详细说明了 AD7730 的各功能模式和初始化设置。第6章为上位机软件设计。介绍了上位机软件的功能和各功能模块的设计。在 数据处理模块的设计中详细说明了流最计量的原理和算法，在参数设置模块中阐述 了零点标定功能的设计。第7章为实验测试部分。阐述了使用模拟信号和实际传输带装置测试系统的结 果。6第2章系统整体改计第2章系统整体设计2.1 系统结构概述传输带动态称重系统由五部分构成：秤架、称重传感器、测速传感器、数据采 集电路和工控计算机。采用单托辄秤架、梁式称重传感器和接触式测速传感器的传 输带动态称重系统结构示意图如图21所示。图21传输带动态称亚系统结构示意图Fig.2-1 Structure of belted dynamic weighing system物料在传输状态下，称重传感器和测速传感器将传输带上物料的瞬时重量和瞬 时速度转换成电信号，数据采集电路采集该电信号并进行适当处理，然后送入工控 计算机进行量化和计算，最后显示流量累计结果。扩展功能通常是靠开发软件完成 的，如监控功能、报警功能以及数据库相关功能。2.2 动态称重计量原理通常情况下，计算传输带上物料的流量需要采集物料的瞬时重量数据和传输带 的瞬时速度数据。物料的瞬时重量需要连续采样或者周期采样计量区段传输带托辐 所受到的压力。传输带的瞬时速度可以通过接触式和非接触式两种方式获得，再经 过一定的算法来减小误差。物料的瞬时重量和传输带的瞬时速度进行运算，可得传 输带上物料的瞬时重量和累计流量同。瞬时重量为某一瞬间传输带上的物料重量,累计流量为某一段时间内传输带上所通过的物料总重量。目前主要通过积分法和累 加发计算物料的瞬时重量和累计流量。目前计算物料流量和累计重量主要采用的方法有积分法和累加法。7河北科技大学硕士学位论文(1)积分法积分法计量流量时，首先测量传输带上输送的物料的瞬时重量 g(kg/m)和相同时刻传输带的瞬时速度u(m/s),相乘可以得到传输带上物料的瞬时流 量 W(t)(kg/m)：W(t)=qu(2-1)式(21)算出的是传输带某一时刻的瞬时流量，但传输带上的物料瞬时重量和 传输带的瞬时速度都是随时间不断变化的，所以瞬时流量力切对时间的积分可以得 出T段时间内传输带的累积物料流量W；郎=(=(夕(。山(2-2)式中瞬时荷重值u(t)一瞬时皮带速度传输带的速度可由采样间隔距离6L和走过3A段程度所消耗的时间T来计算：8L(2-3)式中T走过占bL长度所需的时间5L采样间隔行程(2)累加法用累加法计量传输带上物料流量时，传输带每移动距离S时，就 对传输带的瞬时重量采集一次，这是传输带整体的加权重量，会与实际重量有一定 的差距。然后通过近几次的瞬时总量采样计算出S段的瞬时重量值。把段测量 的瞬时重量累加就读出传输带走过S段长度的累积流量IV：n=2(%+夕2+%+%)(2-4)/=1累加法计量原理如图2-2所示。图22累加法计算物料流量Fig.2-2 Using summation method calculate material flow，时刻传输带上物料的瞬时重量可以由力对时间微分求的：dw(0=(2-5)it使用累加法计算物料流量可以很好的减少皮带跳变和传感器转换误差对计量结 果的影响，并且经过大量实验证明使用累加法要比采用积分法的准确度高，所以对 8第2章系统整体设计计量精度要求严格的系统均采用累加法方式计量。本系统设计正是基于累加法计量 物料流量和累计重量。2.3本章小结本章提出了系统的设计方案，阐述了传饰带动态称重系统的基本结构和计量原 理。详细说明了本系统的组成结构和实现的功能，介绍两种基本计量算法，对优缺 点进行了对比，选择累加法作为系统的基本计量算法。9河北科技大学硕士学位论文第3章秤架和传感器的选择传输带动态称重系统的载重部分称为秤架。秤架安装在传输带输送机上，在完 成输送功能的同时实现传输带上物料的动态称重口叫物料流过传输带时，秤架上的 称重传感器和测速传感器将秤架瞬时重量和传输带瞬时速度值转换成电信号，并由 数据采集装置采集。科架和传感器的选择直接影响系统整体的计量精度和系统其它部分设计，故此 要综合各方面因素做考虑。3.1 几种常见秤架介绍与分析在系统计量过程中，由于运行中的传输带的张力，抖动和跑偏等因素对流量计 量结果的影响甚大，这种影响又称“皮带效应”【呵。为减轻这种影响，以及安装难 度和设备成本等考虑，秤架的种类繁多。如下介绍几种常见的秤架结构。3.1.1 单托辐秤架称重传感器只安装在一组托鞋上的秤架结构称为单托辐秤架如图31所示,单托轻秤架由安装了称重传感器的称重托辘，称重托轻相邻的两组过度托辑和秤架 支撑结构共同组成。其中秤架支撑结构分为平衡杠杆支撑和直接支撑，平衡杠杆支 撑结构还可以选择是否配置平衡重物。图31配置平衡重物的单托辑称架结构示意图Fig.3-1 Structure of single-idler receptor with balance weight配置平衡重物重量可以实现调节传输带空载时对承重传感器的压力，有利于系 统零点标定，确保计量精度。3.1.1.1 单托辑秤架计量区的构建计量区是保证整个传输带动态称重系统计量准确的关键所在，计量区上的物料 10第3章 秤型和传感器的选择重量通过称重托轻以某种函数关系形式直接反映到传感器的计量信号中。计量区的 设计直接影响到计量的精度。所以为了提高运行的稳定性，减小传输带张力影响，防止跑偏和偏载，提高计量精度，我们将计量区建立在一台只有2.5米长的短皮带机 上。用短皮带机和单托辑组合成的计量区如图32所示。图3-2短皮带机和单托混秤架组合成的计量区Fig.3-2 The measurement area composed by shon-belt machine and single-idler receptor3.1.1.2 计量区受力分析当现场单托轮秤架的计量区倾角不大于20。，计量区托馄为等间距，传输带挠度 不大于3%时，设物料离心力、称重托鞋的滚动摩擦系数和皮带速度变化率为零，且 物料载荷按传输带长度均匀分布。则计量区内的传输带受力可以等效成一条悬索。计量区传输皮带等效悬索如图3-3所示：图3-3短皮带机和单托混秤架组合成的计量区Fig.3-3 The measurement area composed by short-belt machine and single-idler receptor图33中，0”、方分别为等效悬索前后两段的最低点，设计量区就为水平，计量区前后两段斜面茄和团与水平面的倾角分别为以和忌，且均小于0.5,AB 和而长均为乙截取0”。段悬索，以。”点为坐标系原点，以水平线为x轴，以铅垂线为y轴,建立直角坐标系。11河北科技大学硕士学位论文悬索曲线形状及其受力分析如图3-4所示。图34 0”。段总索受力分析图Fig.34 Stress analysis of 0D图3中，加、7。分别代表。”和。点的张力，.为均布载荷,。点坐标为白仞。由于皮带扰度小于3%,故曲线的长度近似等于窄长度。因此可将载荷重心 当作32/1）点。又因为夕故曲线。|0长度近似等于在x轴投影长度x,所 以。”。悬索上的总载荷可记作px。由D点平衡条件可得：Ij-pxfopx2 y=(3-1)若设0口与点力的水平高度差为曲线OtlA在直线AC上的投影长为根据 公式（31）得：pa：=0 27(3-2)同理，若设。”与点6的水平高度差为瓦，曲线0“B在直线AC上的投影长为 如，则可得：*b 27；(3-3)设B至直线4C的高度差为人若B在4c上方6为正，反之h为负,则有:(3-4)因为，所以由（34）可得：入L矶”2 pL(3-5)12第3章 秤架和传感器的选择同理，设B&2在直线/C上的投影长为22,且设。22处的张力为722,则有：+第(34)2 pL截取Oi出。22段悬索，受力如图35所示。图35。1出。管段悬索受力分析图Fig.3-5 Stress analysis of 01出。图35中，B为称重托轴等效支点，M为支点5所受压力的反力，刈在x轴方 向和歹轴的方向的分力分别为乂族和乂如，因为摩擦力为零，故%和相等，且记 作T,叫做计量区张力。由于等托辐间距，且载荷按传输皮带长度均匀分布，故乐 和后在同一条水平线上，则有：5=0 3 弓-6=0得到：NB=NBy=(bll+a22)P(3-7)将(35)和(3-6)代入。7),可得：义=$广 Lp+岑：(3-8)设称重辐的所受压力为P,则P与大小相等，方向相反。可得：JLTP=Lp+q：(3-9)式(39)中一即为张力产生的向上的力。L在整个动态称重计量系统中，除去传感器和二次仪表的精度，皮带跑偏，抖动,环境温度变化所引起的误差，都可以归一化的归结为皮带张力的影响，没有张力校 正的计量的传统系统中只依据尸二Ap进行计量量化，没有考虑张力的影响。河北科技大学硕士学位论文3.1.2多托辑秤架包含多于两组称重托轻的秤架称为多托轮秤架，目前多托馄秤架有双杠杆式和 多杠杆两种支撑结构。而且每一种都可以选择是否配置平衡重物，这与单托轮秤架 相同。图36所示为一种两组称重托轻的双杠杆结构秤架的受力情况图。这种秤架由几根纵向吊梁和两组对称杠杆组成，杠杆上承载相同数量的称重托 轻，杠杆两端用弹簧片支点支撑在纵向吊梁上，中间两端连接在安装称重传感器的 纵向吊梁上，与连接纵向吊梁的框架共同组成了一个吊挂称重系统。通过配置平衡 重物，可以将称重托轻产生的重力通过平衡杠杆传递给纵向吊梁上的称重传感器【。由于称重传感器安装在吊梁上而不是改装的托辑中，所以安装和维护简便。这种双杠杆多托轻的秤架结构也会产生传输带的张力、抖动和跑偏等因素造成 的计量误差，但是由于采用了两组对称的平衡杠杆，使得构成影响计量结果主要因 素的水平分力”大大减小，从而提高了计量精度。如图3-6所示，N为加在称重托 轮上的压力，H为称重托轮压力的水平分力，/为称重托辐间的距离，P称重传感器 所受的向下的力，e为弹簧片支点到称重托轻重心的水平距离。n IN-He(3-10)14第3章 秤架和传感器的选择R+P产亚1 2 1.5/n IN+He E=FF(3-11)(3-12)式中N一称重托轮的正压力耳一手重托辐上的水平分力e一簧片支点中心到H力作用线的距离1称重托辑间距P-传感器所受的拉力这种对称杠杆结构能有效的平衡误差。即使每个杠杆上的传输带受力不均匀，但只要水平分力，与弹簧片支点共线，则水平力矩为零，不会影响计量结果。当称 重托辑装配不对称，而且水平分力H与弹簧片支点不共线时，只要两边杠杆上的传 输带受力均匀分布，则秤架两边力矩等大反向，合力仍然为零，同样不会影响计量 结果。如果水平分力月与弹簧片支点不共线，称重托辐装配不对称，且两边杠杆上 的传输带受力也不均匀时，则平衡杠杆两边力矩不等但反向，秤架会抵消很大一部 分计量误差，对最终计量精度也有显著提高。3.13悬臂式秤架悬臂式秤架主要由布料器、传输带、平衡重物、支架和传感器五个基本部分组 成，秤架示意图如图37所示。图37悬臂式秤架结构示意图Fig.3-7 Stnicture of cantilever receptor使用悬臂式秤架进行连续计量前，先要配置平衡重物，并在传输带空载时标定15河北科技大学硕士学位论文系统计量零点口刀。开始计量时，物料由布料器的料斗散放在传输带上，传输带处在 悬臂式秤架的悬臂段上，物料的重量通过悬臂下的称重传感器转换为电信号，再送 入数据采集电路。悬臂式秤架的计量精度受机械性能影响较大，要努力保证下料点 尽量远离计量点，且位置保持固定，下料时所引起的传输带抖动要尽量小，力臂设 计要尽量长，而且传输带进行张力调节时不能改变支点位置和受力力臂。11.4悬浮式秤架悬浮式秤架一般由传输带、称重托辐、称重平台、平衡重物和传感器五部分组 成，秤架示意图如图38所示。悬浮式秤架没有固定的支点，称重托辐布置在称重平 台上，称重平台则由多个称重传感器支撑，平台边缘延伸出平衡杠杆，可以选择配 置平衡重物来标定系统零点。使用悬浮式秤架计量物料流量时要注意传感器支点要 略高于称重托轻水平面。图3-8悬浮式秤架结构示意图Fig.3-8 Stnicture of suspended receptor在图38中去掉平衡杠杆，把称重传感器直接支撑在悬浮平台的两端，就成为不 带平衡重物的悬浮式秤架。一般簧片支点高度选在略高于水平托辐中心线的位置较 好。3.1.5秤架结构优越性对比(1)多托转秤架由于增多了称重托鞋数量，从而增长了计量区的长度，使得多 托辑秤架在动态称重过程中稳定性强、置信度高，整体稳定性较单托轮秤架有所改 善，而且有很好的抗干扰能力。但同时存在结构复杂、造价增高、称重传感器的安 装与后期维护工作量大等缺点。(2)悬臂式秤架的优点是计量精度较高，不需要单独配套给料装置。但悬臂式 16第3章 秤架和传感器的选择秤架的结构较复杂，不便安装调试，稳定性欠佳，而且物料块度大小不均等问题在 投料时会使传输带抖动，造成较大误差，所以适用场合有限。,(3)悬浮式秤架具有造价低，消除了水平力对称重的影响等优点。但设计增加 了称重平台，使得结构笨重。另外悬浮式秤架还有可动部件多，维护量大，秤架容 易变形等缺点。(4)单托辑秤架因其安装方便，维护量低，信号响应速度快等明显优点，占据 了市场份额的50%以上，但在秤架设计中没有消除传输带张力对称重结构的影响，需要设计算法来消除误差。为保证研究的普遍意义和实用价值，本系统选择单托轻秤架作为研究对象，并 通过算法有效消除了水平张力对计量结果的影响。3.2系统传感器介绍与分析3.2.1 称重传感器介绍与分析称重传感器是将作用在其上的压力转换为等比例的电信号的仪器。随着科学技 术的迅猛发展，称重装置因其能实现对被测对象的迅速、精确称量，在各行各业得 到广泛应用，而称重传感器正是称重装置的核心部件。尤其是传感器材料技术和传 感器制作工艺的不断提高，使