电子皮带秤在散装物料场的应用

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1、目 录第1章 概论31.1 皮带秤的国内外发展状况及趋势31.1.1 皮带秤的国内外发展状况31.1.2 皮带秤的发展趋势31.2 课题的来源及意义41.2.1 课题的来源及意义41.2.2 本文主要研究内容5第2章 电子皮带秤的总体方案设计62.1 电子皮带秤的应用设计条件62.2 电子皮带秤的方案选择72.2.1 皮带秤的发展阶段72.2.2 皮带秤的分类方法82.2.3 皮带秤的方案选择10第3章 皮带秤的测量原理及装置设计183.1 皮带秤的测量原理183.2 皮带秤的装置设计193.2.1 皮带秤的秤架设计193.2.2 称重传感器的称重原理及选型203.2.3 速度传感器的分类及选

2、型24第4章 皮带秤的电路设计324.1皮带秤的数学原理324.1.1 皮带秤的基本原理324.1.2 速度传感器的频率确定334.1.3 称重传感器的频率确定344.1.4 液晶显示器显示示数的确定344.2 皮带秤的硬件设计364.2.1 硬件结构及工作原理364.2.2 V/F型模数转换374.2.3 键盘输入及数据显示电路40第5章 皮带秤的软件设计425.1 非线性拟合程序445.2 数字滤波程序45总结47参考文献48附录:50英文原文59中文译文69致 谢75第1章 概论1.1 皮带秤的国内外发展状况及趋势1.1.1 皮带秤的国内外发展状况电子皮带秤是皮带输送机输送固体散状物料过

3、程中对物料进行连续自动称重的一种计量设备，它可以在不中断物料流的情况下测量出皮带输送机上通过物料的瞬时流量和累积流量.1908年，美国一个年轻人赫尔伯特梅里克(HerbertMerrick)发明了一种皮带输送机使用的称重设备，据称那是世界上第一台根据皮带速度和重量用机械方法进行计算的动态称重设备，这一发明完全改变了原有测量固体物料流量的方法.这种根据重力测量固体物料流量的设备后来被称为梅里克型机械式皮带秤.赫尔伯特梅里克用这项发明成立了梅里克(Merrick)公司，开始生产皮带秤.我们在德国申克(SCHENCK)公司的历史回顾资料中，曾看到1902年，皮带秤这一段产品编年史，表明该公司1902

4、年就有皮带秤产品，但未看到更详细的叙述. 国外从上世纪五十年代开始使用电子皮带秤，国内则从1965年开始研制生产电子皮带秤.时至今日，虽然核子皮带秤，固体质量流量计，冲量式流量计，失重式秤，转子秤等多种固体物料连续计量设备也有一定规模的应用，但他们仍无法与电子皮带秤抗衡，也无法撼动电子皮带秤作为固体物料连续自动称重主流计量设备的地位.1.1.2 皮带秤的发展趋势 随着传感器技术、电子仪表技术的发展，可以输出电信号的速度传感器及称重传感器迅速取代了机械式皮带秤的相应机构，而对速度、重量信号进行放大处理及实现各种运算都可以放在电子仪表中完成，称量精确度提高了，秤架结构简化了，因此电子皮带秤迅速全面

5、地取代了机械式皮带秤。但机械式皮带秤在其长达六十年左右的发展过程中也为皮带秤的使用积累了丰富的应用经验，没有机械式皮带秤的昨天，就没有电子皮带秤的今天。 回顾已经走过的一百年历史，我们看到皮带秤的应用已经越来越广泛，并且在各类涉及动态称重系统的衡器中占据主导地位。展望未来，皮带秤的发展应该集中体现在以下几个方面： 高精确度、高可靠性的新型速度传感器及称重传感器的应用； 类似倾角传感器、位置传感器等新检测内容的传感器将加入到皮带秤的应用中； 二次仪表的智能化、总线化、无线传输化； 皮带秤的检定方式的开发和实际应用； 皮带秤称重理论的深入研究。 1.2 课题的来源及意义1.2.1 课题的来源及意义

6、电子皮带秤是在皮带传送装置中安装的自动称重装置，它不但能称出某一瞬间传送带所输送的物料的重量，而且可以称出某段时间内输送物料的总和，广泛应用于矿山、矿井、码头及料场等。电子皮带秤集合了力学、电机学、电子技术、传感技术等各领域的先进技术。电子皮带秤作为一种用于动态检测物料重量的称量设备，广泛用于冶金、矿山、化工、建材等领域，有着广大市场。随着科技的进步，对皮带秤的要求也越来越高。影响其精度的主要因素有)个方面：机械结构、传感器（一次仪表）和显示仪器（二次仪表）。由于材料结构强度和刚度的限制，使得在力的传送过程中出现误差，而传感器输出特性存在的非线性，加之信号放大、模数转换等环节的一系列非线性，使

7、整个系统的非线性误差变得不可忽视。因此在高精度的称重场合，就需要皮带秤能在线自动校，正非线性。传统的电子皮带秤是由称重传感器、测速传感器、乘法器、积分器、积算器等部分组成，本文对传统的电子皮带秤的电路部分加以改进，省去了乘法器、积分器、积算器等部分，使设计更为简单、实用，是一种新型的电子皮带秤电子电路。电子皮带秤一般安装在输煤栈桥的皮带输煤机上其运行环境较差。振动、粉尘、噪声、电机启动电场和磁场干扰、环境湿度、原煤含水量变化、人为清洁冲洗等各种因素都对电子皮带秤的称重精度有很大影响。通过电子皮带秤生产厂家和用户的共同努力，近年来电子皮带秤的精度和使用情况有了一定的改善，但仍然存在运行维护量较大

8、，精度校核工作繁重、程序多等问题，远未能达到如静态电子衡器所能达到的使用精度和使用效果。1.2.2 本文主要研究内容（1）了解国内外发展状况及趋势（2）由已知条件确定方案选择；（3）分析测量原理及装置设计；掌握各种电子皮带秤优点和缺点；（4）进行电路设计。第2章 电子皮带秤的总体方案设计2.1 电子皮带秤的应用设计条件本设计采用定量带式输送机作为应用设计条件。该输送机是通用型系列产品，可广泛用于冶金、矿山、煤炭、港口、电站、建材、石油等各个行业。其具体参数如下所示： 多托辊皮带秤精度：+/-0.5% 系统精度：0.125% 称量范围：0-1278t/h 上托辊间距： 1.2 m 下托辊间距：

9、3 m 皮带宽度：1000 mm 上托辊槽角：35 下托辊槽角：0 皮带速度：3.15 m/s 远传传输：1000m 皮带输送机倾角：010 工作条件和安装条件： 环境温度：机械：-20+50仪表：040 电源电压：220V（+10、-15）50Hz2以上参数由运输机械设计选用手册确定。2.2 电子皮带秤的方案选择2.2.1 皮带秤的发展阶段 皮带秤起源于19世纪末、西方工业发展时期。它的称重原理最早来源于斗式输送机对散料连续自动称重的装置。这种装置于1880年获得了计量许可。1908年在英国公布了第一个皮带秤的专利。1970年由英国制订了一个自动秤的检定规程。二次大战后，尤其是近三十年来，由

10、于传感器制造工艺和电子技术的飞速发展，给整个称重技术注入了新的血液，激发了活力，为提高皮带秤的计量性能创造了有利条件。皮带 秤的发展大致经过了以下四个阶段: 最初的产品是纯机械式皮带秤，一般采用增量式编码器，机械式或光电式扫描码盘等，使皮带秤的机械杠杆具有平衡条件，识别记数和启动功能。这是第一代。第二代是传感器电子仪表皮带秤，检测部分一般有光电脉冲或磁脉冲变送器测速，二次仪表用模拟积分放大电路或数字系统积分电路来实现动态称重过程的平衡、识别和累积计算功能。这两代皮带秤只能测量、累积计算，对运行中计量性能的变化不能控制，因此动态计量准确度较低，稳定性差在用户中信誉不佳，逐渐被第三代、第四代皮带秤

11、取代。第三代、第四代是传感器微机式皮带秤和微机智能化的皮带秤。微处理机引入皮带秤使电子元器件结构、内容和集成化程度大大提高。生产厂家可以根据现场使用条件去满足用户的愿望。2.2.2 皮带秤的分类方法皮带秤的结构形式、种类较多，分类的方法多种多样，至今仍不统一。（1）以称重传感器的工作原理进行分类的有:电阻应变式皮带秤;差动变压器式皮带秤;压磁式皮带秤:核子式皮带秤和陀螺式皮带秤等。其中以电阻应变式的产品最多。（2）以秤架结构形式进行分类的有:单托辊式皮带秤;多托辊式皮带秤;平行板簧式皮带秤和悬臂式皮带秤等。（3） 对放置在皮带上并随皮带连续通过的松散物料进行自动称量的衡器。主要有机械式（常见的

12、为滚轮皮带秤）和电子式两大类。 滚轮皮带秤 由重力传递系统、滚轮、计数器和速度盘组成。速度盘转速正比于皮带速度。滚轮滚动的角速度正比于皮带上通过的物料量。滚轮在速度盘上滚动的位置由物料的重力大小来调整。当皮带上没有物料时，滚轮靠近速度盘中心，转速为零，计数器不累计；当皮带上有物料时，滚轮随着重力变大向周边移动，并带动计数器记下皮带上通过的物料总量。 图21 滚轮皮带秤使用最广泛的皮带秤。电子皮带秤，由秤架，测速传感器，高精度测重传感器，电子皮带秤控制显示仪表等组成，能对固体物料进行连续动态计量。称重时，承重装置将皮带上物料的重力传递到称重传感器上，称重传感器即输出正比于物料重力的电压（mV）信

13、号，经放大器放大后送模/数转换器变成数字量A，送到运算器；物料速度输入速度传感器后，速度传感器即输出脉冲数B，也送到运算器；运算器对A、B进行运算后，即得到这一测量周期的物料量。对每一测量周期进行累计，即可得到皮带上连续通过的物料总量。 图22 电子皮带秤（4）按皮带秤所配输送机的设计带速可分为：单速皮带秤、多速皮带秤和变速皮带秤。其中，多速皮带秤可以在预定的几种快慢不同的带速中换档，而变速皮带秤则能在一定的速度范围内无级变换。以上皮带秤若在使用中只用其中一种固定的设计带速，又称为恒速秤；若在使用中会需改变料流量而在其设计带速范围内调节的，又称为调速秤。（5）按皮带秤的主要用途可分为：计量皮带

14、秤和定量皮带秤。前者，以获得所称物料的连续累计重量为主要目的；后者，又称配料秤，以控制所称物料的重量流量为主要目的。注：同样的用途可采用不同的结构，同样的结构也可担当不同的用途。计量秤常为嵌装型的，但整机型也能承担；配料秤多数是整机型的，但嵌装型也并非绝对不能用。一台衡器在制造装配时也许还未知其预期的用途，但不能不先了解其机械结构。因而不宜用“计量秤”来称呼嵌装型秤，或用“配料秤”来称呼整机型秤，以避免造成沟通双方理解上的不一致。皮带秤分类的方式还有许多种，但不管如何分，须注意首先明确分类的依据，并按同一依据分类，否则就易造成概念上的交叉或混乱。2.2.3 皮带秤的方案选择（1）几种常见的称重

15、装置（秤架）分析皮带秤的称重装置是指皮带秤的负荷承受部分，简称为秤架。秤架装在皮带输送机上，对皮带上通过的物料重量由称重传感器和测速传感器进行迅号转换。在转换过程中，由于“皮带效应”对称重结果的影响甚大，为了减轻这种影响，人们研制、设计了各种各样的秤架。几种典型秤架的结构形式介绍如下。单托辊秤架是指皮带输送机上只有一组托辊对物料重量进行力电转换，我们称这组托辊为称重托辊。我们已有多种单托辊秤架的皮带秤。与它相邻的前后一组固定的托辊称为过渡托辊。其具体结构有直接支承式和杠杆式两种类型。在杠杆式中又分带配置平衡重物和不配平衡重物两种。单托辊秤架的受力状况如图23 的箭头线所示。 图23 单托辊秤架

16、的受力称重托辊的运行状态所受的力F，可分解成垂直分力N和水平分力H。e是杠杆支点到称重托辊中心的距离。称重传感器上的压力P可由力矩方程式导出。即: ( 21 ) 式中，力 H 是“皮带效应”引起的对称重结果有害的水平力。要想提高这种秤架的计量性能，唯一的出路应使秤架杠杆支点与称重托辊在设计上还可以做到，对三节槽形托辊就很难消除这种影响。这是单托辊皮带秤计量准确度不高、稳定性差的主要原因。由两组或两组以上称重托辊组成的秤架叫多托辊秤架，具体结构又分为双杠杆和悬浮式两种类型。与单托辊秤架一样，这两种类型的多托辊秤架，每一类型都有配置平衡重物和不配置平衡重物的两种型式。 双杠杆式秤架我们成功的设计和

17、生产出双杠杆式秤架的电子皮带秤，获得实用新型专利，售全国几十家烟厂共200多台。图24 是两组对称杠杆分别支承一组到四组称重托辊的结构图24 双杠杆秤架实物和示意图这种秤架的两组对称杠杆一般装在输送机纵梁的内侧。两杠杆的终端用簧片支点支承在输送机纵梁上，起始端通过吊挂系统与称重传感器一端连在一起。秤架中间，有一个和机架连在一起的龙门框架，框架上配置有平衡机构，与传感器另一端连接。或者有一根横向装在输送机纵梁上的支撑梁和传感器另一端连接，使对称杠杆机构(通过称重托辊)把承受物料的重力传递给称重传感器这两面三刀组杠杆与输送机组装时，不必截断输送机原有纵梁，称重传感器装。在输送机上方，维护方便。 双

18、杠杆多托辊秤架受力分析双杠杆多托辊秤架，同样因“皮带效应”产生水平分力而影响称重结果。但由于这两组杠杆对称，可以使水平分力H对称重结果的影响大小减小。理论分析如下:在图24 中，设 N1=N2=N3=N4=N(均匀分布的载荷)则 H1=H2=H3=H4=H现分别对簧片支点O1和O2取矩则 ( 22 ) ( 23 ) ( 24 )式 中 N 称重托辊的正压力;H 称重托辊上的水平分力:e- 簧片支点中心到H力作用线的距离:1 称重托辊间距 ;P- 传感器所受的拉力 ;从受力图 24 可知:当水平力H作用线与簧片支点中心在一条水平线上时，e=0。即使秤架两边负荷不均匀，水平力矩H.e=O，对称重结

19、果没有影响。当秤架两边载荷均匀分布，称重托辊组装对称，水平力H作用线与簧片支点中心不在一条水平线上，e0。秤架左、右力矩也相等，且方向相反，合力矩仍然等于零。对称重结果没有影响。当称架两边载荷不均匀分布，称重托辊组装不对称，水平力H作用线与簧片支点中心不在一条水平线上。在这种情况下，虽然秤架两边左、右矩不相等，但方向仍相反，大部分有害称重结果的力矩被抵消，对称重结果的影响大大减小。这是多托辊双杠杆秤架结构的计量性能优于单托辊秤架结构的理论依据。 悬浮式秤架我们成功的设计和生产出样机。悬浮式秤架与非自动平台秤相类似，称重平台由称重传感器支承，称重托辊装在平台上。悬浮式科也有配置平衡重物和不配置平

20、衡重物两种结构(见图25).图 25 配置平衡重物悬浮式秤架示意图在图 25 中去掉平衡杠杆，把称重传感器直接支承在悬浮平台的两端，就成了不带平衡重物的悬浮式秤架结构。一般簧片支点高度选在略高于水平托辊中心线的位置较好。 秤架结构优越性对比单托辊秤架有结构简单、造价低的优点，但计量准确度较低，运行稳定性较差。一般只适于准确度要求不高的配料控制计量。多托辊秤架是高准确度皮带秤采用最多的一类结构，目前应用这种秤架，配合先进的主控机，使皮带秤的计量检定最大允许误差优于p0.25%。主要优点有:计量性能稳定可靠，由于多托辊秤架使称重有效长度增长，称重托辊的组数增多，秤架的整体性能比单托辊秤架大大改善。

21、皮带在运行过程中零点和示值的稳定性增强，置信度增高。抗干扰能力强。通过试验，多托辊秤架物料流量变化的干扰、皮带跑偏干扰、物料块度大小不均的干扰等能力都比单托辊秤架要好。这种秤架的缺点是设计结构比较复杂，造价较高。由于准确度高，现场日常维护检测要求较严。电子皮带秤承重装置的秤架结构主要有双杠杆多托辊式、单托辊式、悬臂式和悬浮式 4种。双杠杆多托辊式和悬浮式秤架的电子皮带秤计量段较长，一般为28组托辊，计量准确度高，适用于流量较大、计量准确度要求高的地方。单托辊式和悬臂式秤架的电子皮带秤的皮带速度可由制造厂确定，适用于流量较小的地方或控制流量配料用的地方。总之，依秤架结构分析，本文设计选择多托辊式

22、秤架结构。（2）几种称重传感器安装的分析 传感器的联接装置，在皮带秤整个称重系统中占有相当重要的地位。在皮带秤动态计量时，如何克服振动，偏载等多种因素的影响，将重力准确地传递到传感器是一个不可忽视的环节。如果没有合理地安装称重传感器以及没有性能良好的联接装置，即使皮带秤秤架设计得最好，传感器准确度再高，也不能得到很高的系统准确度及其长期稳定性。对于同一个称重传感器，由于采用不同的联接器，其效果是大不一致的。甚至于采用同一种类型传感器而仅仅是联接器的加工和安装的准确度不一致时，可使准确度从0.01%-0.02%降为0.05%-0.1%。理论和实验表明，联接装置必须能将重力准确地传递到称重传感器上

23、，其作用力必须通过传感器的轴心(如图26所示)。图27显示了在FV未通过传感器的轴心，所产生的分力时情况，分力F造成了系统准确度的降低。对于皮带秤的传感器联接装置不仅在理论上需要有消除测向力的结构设计，而且在传感器联接器的加工和安装也要保证一定的精度。这是因为皮带秤是动态计量器具，在计量时，图27中的倾角是不断地抖一动，变大或变小，重力的作 26 力通过轴心 27 力未通过轴心用点在传感器轴线的四周一定的范围内游移，其分布规律呈正态分而特性。正常工作时，如果重力的作用点能在传感器轴线周围和某点周围自如地游移，并不影响皮带秤的准确度。但假若重力作用点产生了偏移，从某一点偏移到另一点而不能自如地游

24、移，即正态分布的均值发生了变化X0平均值X1平均值，那么就造成了系统的误差。所以，如何保证联接装置的加工和安装精度也是一个关键点，特别对于小量程的皮带秤来说，皮带秤的振动常使作用点产生偏移，在皮带秤动态计量过程中，从某点偏移到另一点，造成了系统误差。通常要求传感器的连接有如下要求: 能有效地消除测向力的影响; 在动态过程中，重力作用点不允许产生偏移只允许围绕某点产生呈正 态分布规律的游移。 于安装、维修; 准化、系列化和整体性好; 本低、加工简单。方法一，安装四个称重传感器，取平均值；电路设计时需四路输入值；方法二，安装二个称重传感器，取二倍值；电路设计时需一路输入值；方法三，安装一个称重传感

25、器，取二倍值。电路设计时需一路输入值。综上，方法三最简单。图28 承重结构示意图第3章 皮带秤的测量原理及装置设计3.1 皮带秤的测量原理一般人们在不同的场合均可以见到各种形式的计量装置，就是人们通常讲的秤。而最古老最简单的就是现在国家已经废止取消的，但日常又常见的杆秤。它是利用杠杆的原理，来实现一指抬千斤的目的。而我们见到的各种秤，磅均是分别将物体放在秤的承载装置上，然后再进行计量的，若需要继续计量，则需要将物体移开后才能重新计量。所以，常规的计量装置属于间断计量装置。而对于需要连续计量时，这些计量装置就难以实现，特别是对散装物料的连续计量更是无法实现。皮带秤就是专门针对散装物料的连续计量而

26、设计的。它也是根据杠杆原理，在连续运行的皮带下面安装杠杆装置，杠杆的承载面则是几个滚筒装置，用来满足皮带在上面走过时减小皮带与承载面的磨擦而造成的计量误差。同时计量部分也甩掉了传统的秤砣装置，而采用利用应变电阻制造的称重传感器来进行计量。皮带上面的物料通过杠杆装置的承载面时，会对承载面产生一定的压力，通过杠杆装置将该压力传送到称重传感器，而控制装置将称重传感器感应的重量压力信号进行放大处理后，以数字的方式进行显示。同时可以对显示的数字信号进行外部人为控制，使计量皮带秤按人们实际要求的喂料量自动改变皮带的速度快慢，对给定喂料量进行跟踪，从而形成皮带上料多时，速度变慢，料少时速度变快，无料时速度最

27、快，而超载时最慢甚至会停下来的控制特性。但皮带上面无料时速度最快也不是无限制的快速，皮带电机也不能直接带动皮带运转。所以，不同的物料喂料量，会采用不同的减速机构来控制皮带的最快速度，改变变速比也就改变了不同物料计量皮带秤的满量程的范围。电子皮带秤，由秤架，测速传感器，高精度测重传感器，电子皮带秤控制显示仪表等组成，能对固体物料进行连续动态计量。称重时，承重装置将皮带上物料的重力传递到称重传感器上，称重传感器即输出正比于物料重力的电压（mV）信号，经放大器放大后送模数转换器变成数字量A，送到运算器；物料速度输入速度传感器后，速度传感器即输出脉冲数B，也送到运算器；运算器对A、B进行运算后，即得到

28、这一测量周期的物料量。对每一测量周期进行累计，即可得到皮带上连续通过的物料总量。3.2 皮带秤的装置设计电子皮带秤，由秤架，称重传感器，速度传感器，电子皮带秤控制显示仪表等组成，能对固体物料进行连续动态计量。3.2.1 皮带秤的秤架设计 皮带秤的称重装置是指皮带秤的负荷承受部分，简称为秤架。秤架装在皮带输送机上，对皮带上通过的物料重量由称重传感器和测速传感器进行迅号转换。在转换过程中，由于“皮带效应”对称重结果的影响甚大，为了减轻这种影响，人们研制、设计了各种各样的秤架。单托辊秤架有结构简单、造价低的优点，但计量准确度较低，运行稳定性较差。一般只适于准确度要求不高的配料控制计量。多托辊秤架是高

29、准确度皮带秤采用最多的一类结构，目前应用这种秤架，配合先进的主控机，使皮带秤的计量检定最大允许误差优于p0.25%。主要优点有:计量性能稳定可靠，由于多托辊秤架使称重有效长度增长，称重托辊的组数增多，秤架的整体性能比单托辊秤架大大改善。皮带在运行过程中零点和示值的稳定性增强，置信度增高。抗干扰能力强。通过试验，多托辊秤架物料流量变化的干扰、皮带跑偏干扰、物料块度大小不均的干扰等能力都比单托辊秤架要好。这种秤架的缺点是设计结构比较复杂，造价较高。由于准确度高，现场日常维护检测要求较严。电子皮带秤承重装置的秤架结构主要有双杠杆多托辊式、单托辊式、悬臂式和悬浮式 4种。双杠杆多托辊式和悬浮式秤架的电

30、子皮带秤计量段较长，一般为28组托辊，计量准确度高，适用于流量较大、计量准确度要求高的地方。单托辊式和悬臂式秤架的电子皮带秤的皮带速度可由制造厂确定，适用于流量较小的地方或控制流量配料用的地方。总之，依秤架结构分析，本文设计选择多托辊式秤架结构。3.2.2 称重传感器的称重原理及选型 （1） 称重原理皮带秤是对散状物料自动地连续、累计称量的计量器具。连续、自动称重是皮带秤的主要特点。为了测行运动皮带上单位长度的瞬时流量，某一段距离的物料重量， 或一段时间和一段距离的累积重量。这些量在理论上的计算，可用积分法和累加法两种数学模式来演算。 积分法输送机输送物料时，主控机连续测量皮带上每单位长度的载

31、荷值q(kg/m)并与皮带在同一时刻的速度u(m/s)相乘，测得结果为物料的瞬时流量q.v(kg/s)。因物料输送的不均匀性和皮带速度随时间变化，所以在T时间间隔的累计流量可以用以下积分式表示。 ( 31 )式中:w一一T时间间隔的物料累计量kg或t;T 一物料通过秤的时间s或h;q(t) 皮带单位长度上的物料重量kg/m;u(t) 物料在皮带上的运行速度m/s.(注:按习惯将重量称为“Kg，而未用“Kgf) 累加法输送机输送物料时，我们约定每当皮带运行一段距离t时，累加器作一次称料重量的累加q，在一段时间内，皮带运行了n倍1的距离，累加器则有n次被称物料重量的累加w。 ( 32 ) （2）

32、称重特点实际物料称重过程有以下6个特点： 物料对秤架施加了实际荷重； 物料加在皮带上方，物料的重力通过皮带作用在秤架上； 不仅称量段有物料，邻近称量段的区域也有物料； 物料是施加在整条皮带的承载段上； 物料在皮带上是连续的； 物料是随皮带同步移动的。 （3） 称重传感器称重传感器是皮带秤力与电转换的核心部件，称重传感器按变换原理分类。主要有:电阻应变片式、差动变压器式、电容式、压磁式、压电式等。目前国内已能生0.02%-0.05%FS的电阻应变式传感器，国外技术水平在0.01% -0.02%FS之间，因此，目前在使用的皮带秤中，绝大多数采用了电阻应变片式称重传感器。本节以电阻应变片式传感器为代

33、表来论述其特性参数、结构特点及秤架的联接方式。 称重传感器的特性参数称重传感器是电子皮带秤的关键部件，它的性能指标在很大程度上决定了电子皮带秤的精度和稳定性。因此，当我们设计电子皮带秤时，应对称重传感器的基本特性有充分的认识。称重传感器性能参数，除零点不平衡输出外，对皮带秤的计量性能都有程度不同的影响。皮带秤是一动态计量器具，在运行中受皮带运输系统中多种因素的影响，所以在选用称重传感器时比其它种类的电子秤对称重传感器有更多的考虑。 称重传感器的选型图 31 ZRN602 称重传感器由以上述特性参数的要求，特选取型号为 ZRN602 的称重传感器： 产品简介 ZRN602系列应变片式力传感器，采

34、用S型弹性元件结构，具有优良的自然线性，其精度高，抗偏载侧向能力强，对称性好，可拉压两用，采用激光焊接密封，改善了传感器的防潮能力。应用于吊勾称、配料秤、皮带称、电子磅称中，以及各种工业系统中做力的分析和测量。 主要技术指标 传感器 承载方式 ： 拉式、压式、拉压一体、 输出灵敏度 ： 20.01mvv 、420mA、05VDC、1-5VDC 准确度 ：0.02FS、0.03FS、0.05FS（线性滞后重复性） 0.03FS、0.05FS、0.1FS （线性滞后重复性） 蠕变 ：0.03FS30min 温度对零点影响：0.03FS、0.03FS温度对量程影响 ：0.02FS、0.02FS输出电

35、阻：3503、9K 绝缘电阻：3000M、1000M供桥电压：915VDC、1036VDC 允许温度范围：307085允许过负荷：150FS 防护等级：IP673.2.3 速度传感器的分类及选型 测速传感器也是皮带秤称重系统中的一个重要环节。皮带秤称重系统，主要是检测两个物理量，一个由称重传感器拾取重力信号，另一个检测皮带的线速度，然后将这两个量进行积算。速度检测的准确程度，直接影响到皮带秤的准确度。测速传感器主要分数字式和模拟式两种。当前国内外普遍使用数字式测速传感器。过去使用的模拟式测速传感器来检测发电机输出电压的方式不再使用。在此不作讨论。数字式测速传感器以拾取速度信号的方式来讲，分接触

36、式和非接触式。从测量原理上来讲又分:测脉冲频率式(测频式)和测脉冲周期式(测宽式)。从信号转换方式上可分为:磁-电式和光-电式。接触式测速传感器的磨擦轮又分窄式和宽式，从测量磨擦轮的宽、窄的种种组合，形成了各式各样的测速传感器。国外有的厂家甚至采用“多谱勒”原理测速。我们已经在开发“多谱勒”原理的测速装置。 （1）几种常见皮带秤测速传感器 接触式测速传感器接触式测速传感器是目前最为流行的测速方式。基本方法是由一磨擦轮接触运输带，当运输带运动时，测速传感器的转轮依靠和运输带之问磨擦力转动，带动测速发电机或光-电转换装置，进行测速。这种测速方法的优点是结构简单易行。缺点是磨擦轮不能准确地反映皮带线

37、速度。造成测速误差大。 非接触式测速传感器非接触式测速传感器，无机械装置和运输带接触。工作方法为磁-电式和光-电式两种。磁-电式测速传感器非接触传感器中的磁-电式测速原理和光-电式测速传感器的测量原理相同 ，在理论上可以直接测出运输带的线速度，而且，相对光-电式非接触测速传感器具有一定的实用性。这种方法的缺点是:运输带在行进中不是平衡行进 ，一旦运输带发生跳动，磁接收器便不能正常工作，易遗失信号。磁阻脉冲式测速传感器中，线圈和磁铁部分都是静止的，与被测件连接而运动的部分是用导磁材料制成的，当转动件转动时，改变了磁路的磁阻，因而改变了贯通线圈的磁通，在线圈中产生了感生电势。磁阻脉冲式测速传感器从

38、结构上看有开磁路和闭磁路两种。开磁路结构如图32 所示，在一个型永久磁铁上装有两个相互串联的感应线圈，滚轮与皮带直接摩擦旋转并带动等分齿轮旋转。当等分齿轮的凸起部分与磁极相对时，回路磁通最大，当等分齿轮的凹陷部分与磁极相对时，回路磁通最小，感应线圈上便感应随磁通变化的感应电压。感应电压变化的频率f与皮带速度v成正比。这种测速传感器结构简单，但输出信号幅度小。图32 开磁路磁阻式测速传感器闭磁路结构见图33，当皮带运行时，通过摩擦使滚轮旋转，并带动转子磁杯转动，转子磁杯及定子磁杯相对安装，其圆周端面上都均匀地铣出多个齿槽。当两个磁杯的凸齿相对时，磁通最大，当两个磁杯的凸凹齿相对时，磁通最小，从而

39、在线圈中感应出随磁通而变化的感应电压。闭磁路测速传感器结构较复杂，但密封性能好，输出信号幅值大。磁阻脉冲式测速传感器用于高转速测量时，因磁路磁滞影响，使线圈中感应电压太小而不易测量。图33 闭磁路磁阻式测速传感器光-电式测速传感器光-电式的基本方法是在运输带表面嵌入许多光亮的金属薄片，当该金属薄片通过光源时，产生一个光的反射信号给光敏管或光电池，通过检测单位时间内反射信号的个数，或者测量两个信号之间的时间间隔，便求得运输带的实际线速度。实际应用问题表明，非接触光-电式测速方法。只能应用在特定的环境条件下，使用的局限性很小，所以在普通的皮带秤上很少采用。但可以应用在食品、商品等环境条件较好的皮带

40、运输计量上。 光电脉冲式测速传感器(见图34)由装在输入轴上的开孔圆盘、光源、光敏元件等组成。当圆盘转到某一位置时，由光源发射的光通过开孔圆盘上的孔照身到光敏元件上，使光敏元件感光，产生一个电信号。圆盘上的孔可以是1个或多个，取决于设备要求的脉冲数。 图34 光电脉冲式测速传感器通过对光-电式和磁-电式非接触式传感器的分析，可以认为，非接触式测速传感器在理论上是正确可行的，可以消除“打滑”等接触式测速传感器无法克服的问题。能达到直接检测运输带线速度的目的。但在实际使用时仍存在许 多实际问题，有待于进一步解决研究开发更具有实用性的非接触式测速传感器。所以到目前为止，在国内、外非接触式测速传感器尚

41、未广泛应用。 （2）测速信号的处理方法测速传感器对检测到的信号处理方法有两种。一种是检测单位时间内脉冲个数，称测频式。现以接触式测速传感器为例说明测频和测宽方式的基本原理。 测频法运行中的输送带通过和测速传感器的磨擦转轮之间的磨擦作用，使其磨擦旋转，磨擦轮的旋转又拖动一个带有小孔的圆盘同步转动。光在圆盘转动时，间断地阻挡光敏元件接收光线，光敏元件的输出端输出脉冲信号。当运输带线速度越高，圆盘旋转也越快，光敏元件输出端的脉冲宽度变的越窄，换言之，单位时间内脉冲个数也越多，反之就越少。采用测频法，可以直接计取单位时间内的脉冲数来表示速度值，但是由于机械加工的困难，很难在一个有限直径的圆盘上加工很多

42、孔，加工出100-200个孔己是比较困难了，采用磁-电转换同样也很难在有限的周长下发出1000个以上的脉冲。所以，通常的接触式测速传感器其分辩率小于0.02%，可见要提高测速准确度是十分困难的。 测宽法在采用电脑来处理测速信号后，出现了一种新的测速方法，即测宽法，在使用同样的测速装置，加上适当的硬件和软件便可大幅度提高测速的分辩率。这种测宽法的测速传感器，分辨率可达0.005%-0.01%。（3）测速传感器的选型从称重原理可知，电子皮带秤所测量物料的瞬时流量的大小取决于两个参数，即瞬时流量等于称重传感器测量的承载器上物料负荷值q(kg/m)和测速传感器测量的皮带速度值v(m/s)两个参数相乘所

43、得，即： ( 33 ) 由此可见，测速传感器的测量精确度和稳定性与称重传感器的测量精确度和稳定性是同等重要的。目前称重传感器的精确度普遍提高到万分之几，而测速传感器的精确度大多在千分之几，所以提高测速传感器精确度是提高电子皮带秤系统精确度有效的途径之一。 测速传感器的脉冲信号进入显示仪表后，通常以3种方式完成与称重传感器信号的相乘运算。第一种方式是测速脉冲信号经整形、放大后转换成010VDC模拟信号，并作为称重传感器的供桥电压，在称重传感器内实现乘法运算；第二种方式是测速脉冲信号经整形、放大后转换成模拟(或数字)信号，与称重传感器放大后的模拟(或数字)信号在专用的乘法器里进行乘法运算；第三种方

44、式是测速脉冲信号整形后直接作为显示仪表中累加器的触发信号，每接受一个测速脉冲信号，累加器就对称重传感器的输入信号进行一次采样，皮带速度越快，累加器采样的次数越多，采样值不断累加，因而以数字方式实行了乘法运算。 由以上分析，初步选定 60-12C 速度传感器.图35 60-12C速度传感器60-12C型测速传感器，它可以直接安装在尾部滚筒、测速滚筒或测速滚轮上，测速滚筒/滚轮安装在回程皮带的双表面，消除了皮带打滑造成的影响，该测速传感器为数字式无炭刷脉冲发生器，属于磁电式开磁路磁阻式测速传感器。皮带运行时，测速传感器发出一系列速度脉冲，每一个脉冲代表皮带行程的一个单位长度，脉冲频率和皮带速度成正

45、比。交流脉冲发生器不需要调整或更换炭刷。最新软连接技术，可有效提高安装过程中因偏心导致测速传感器受额外力的影响，大大提高测速传感器的使用寿命。测速传感器外壳材质为铸铝，能适用于露天工作环境。其特性参数为：型号：60-12C 检测范围：202000转/min 频率范围：0.25Hz1.2KHz 测速范围： 0.64.0m/s 外形尺寸：297-160-350mm (高宽深)工作电压：20264V AC/DC开关容量：5200 mA DC 5350mA AC 输出电压：5.7V环境温度：2570检测距离：46mm响应时间：100.4s（6150脉冲/min）输出信号：数字型防护等级：IP67第4章

46、 皮带秤的电路设计4.1皮带秤的数学原理4.1.1 皮带秤的基本原理 新型电子皮带秤测量系统简化框图如图41所示，其皮带驱动传送的机械部分仍然与传统电子皮带秤相同。皮带传动轮上装有齿轮盘，旁边装有磁电式速度传感器，用以测量传动轮转速即测量出皮带的运行速度V。在传送带中间的适当部位，有一个专门用做自动称量的框架，这一段的长度L称为有效称量段，下面装有应变式称重传感器。设某一瞬时t在L段上的物量重量为，经称量框架传给应变式称重传感器，使传感器产生应变。设有效长度L的单位长度的料重为G（t），图4-1 新型电子皮带秤测量系统简化框图即 ( 41 )此时皮带运行速度为V（t），则二者的乘积即为单位时间

47、皮带传送的料重W(t) ( 42 )在T时间内，皮带传送的物料总重量为 ( 43 ) 4.1.2 速度传感器的频率确定 设齿轮盘的齿数为B，皮带传送轮每转一周，磁电式速度传感器将产生B个脉冲，脉冲频率为fv，皮带传送皮带轮的直径为D，则皮带运行速度V为 ( 44 )则 ( 45 )图42 速度传感器测量的示意图 本次设计因速度传感器的选型确定其灵敏度S为0.3-0.42，又因速度滚筒直径设计越大，其惯性越大，跟随性也越大，故D设计的越小就有利于系统的稳定性。如图42所示，故设计D=100mm，B=94。由已知条件V=3.15m/s，代入式45，得： 由上式可以确定与V的关系。4.1.3 称重传

48、感器的频率确定 本设计将秤架物料重量WL经称重传感器输出电压为 ( 46 ) 式中为称重传感器的灵敏系数。由于考虑频率信号抗干扰性好，便于隔离、远距离传输，也可以调制，故使用电压/频率转换器转换成脉冲频率为 ( 47 )式中为电压/频率转换器的转换系数。由于是频率输出，运用锁相倍频电路来提高分辨率。则电压/频率转换器输出脉冲经过256倍的锁相倍频变为频率为f的计数脉冲 ( 48 )本次设计的电子皮带秤称重称量范围为1278 t/h 。4.1.4 液晶显示器显示示数的确定 将式（4-2）代入上式得 ( 49 ) 式中S为测量电路的总灵敏度 ( 410 ) 设在第i时间段Ti内，皮带传送的料重为M

49、i，单位时间皮带传送的料重为Wi，电压/频率转换器输出的频率为，则该段时间段的脉冲计数值为 ( 411 )在整个测量时期内，脉冲计数器的累积计数结果为 ( 412 )由上式可见，脉冲计数器的累积计数结果N与皮带传送的总重量M成正比。此计数结果在数字显示器上显示出来，因此显示数字的重量单位即N=1所代表的重量为 ( 413 )通常重量显示单位习惯采用吨或公斤。已知=0.33，=0.1，L=3.6m，代入公式410，得： 电路的总灵敏度 则显示器上的重量为 吨。4.2 皮带秤的硬件设计4.2.1 硬件结构及工作原理该电子皮带秤的硬件结构如图43所示，称量传感器输出信号（0-5V）经V/F转换后，再

50、进行锁相倍频，以提高分辨率。最后进入单片机进行数据采集，然后通过软件进行非线性校正、数字滤波等处理后，将结果送至液晶显示器进行显示。该系统具有先进的电源管理系统，保证单片机系统在恶劣工作环境中长期稳定运行，不需电池支持， 4-20mA标准信号输出，可方便地与其他控制设备连接；标准串行通讯接口；具有公斤累加和吨累加功能，并进行显示；可键盘编程设定参数；可通过键盘设定上（下）限报警。 图43 电子皮带秤硬件结构示意整个系统以AT89C51单片机作为中央处理单元，AT89C51内含4K存储单元，512个内存单元，32条I/O线，2个16位计时器/计数器，一个具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系

51、统，一个全双工的串行口、片内振荡器和时钟产生电路。此外，AT89C51的稳态逻辑设计使工作频率可以降为零，并支持两种软件可选的省电模式，在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、计时器/计数器、串行口与中断系统仍然起作用；在掉电模式下，只保存RAM 的内容，振荡器停振，关闭芯片的其他功能，直到下一次硬件复位到来。 系统配置的电源监控芯片对CPU的工作实时监控，欠压或过压，上电瞬间，自动复位信号。由于该芯片具有看门狗功能，就能在CPU死机、程序飞跳时，输出复位信号，使系统复位。4.2.2 V/F型模数转换由于考虑频率信号抗干扰性好，便于隔离、远距离传输，也可以调制，故使用电压/频率转换器。本系统采

52、用集成芯片LM331来实现模数转图44 称重传感器信号V/F的转换电路换。LM331是美国国家半体导公司生产的性能价格比高、外围电路简单、可单电源供电、低功耗的精密电压/频率转换器集成电路。LM331为一电压/频率转换器，由于其输出电压为频率精确地正比于输入电压的脉冲链。它具备电压/频率转换技术的所有固有优点，LM331动态范围宽达100dB，工作频率低到01Hz时尚有较好的线性度，数字分辨率达12位。LM331的输出驱动器采用集电极开路形式，因此可通过选择逻辑电流和外接电阻来灵活改变输出脉冲的逻辑电平，以适配TTL、DTL和CMOS等不同逻辑电路。LM331可工作在4.0V40V之间，输出可

53、高达40V，而且可以防止VCC短路。 特点： 保证线性：0.01（最大） 低功耗：15mW 5V 广泛的全面频率：1Hz to 100kHz 脉冲输出兼容所有的逻辑形式 宽动态范围：100db且还可得到只有昂贵的电压/频率转换模块才能得到的新的高水平的精度-温度特性。LM331使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V 的电源电压下都有极高的精度。当选择输入电压范围在0-10V时，满量程输出可达100kHz。 由于是频率输出，运用锁相倍频电路来提高分辨率。此锁相倍频电路采用了一片锁相环芯片74HC4046、一片累加计数器CD4040和低通滤波器。作为锁相倍频电路的输入信

54、号进入锁相环芯片74HC4046的14号引脚，4号引脚是74HC4046内部压控振荡器的输出端，其输出信号输入CD4040的10号引脚，进行256倍的倍频，其倍频信号从二进制计数器CD4040的13号引脚输出又进入74HC4046的3号引脚，即比较信号输入端，74HC4046内部的相位比较器对两个信号进行相位比较后，从相位比较器的输出端13号引脚输入，经过由、和组成的低通滤波器，将高频噪声滤除后，再进入74HC4046的内部压控振荡器，作为其控制信号，从上述过程可以看到这是一个闭环控制系统，经过不断的调节，使输出信号频率为输入信号频率的256倍，并且使输入信号与比较信号的频差为零。压控振荡器的

55、输入电压来自于低通滤波器的输出，所以输出频率会有一定的波动，此锁相倍频电路的输出频率范围在12.77kHz-12.82kHz。 图45 256倍的锁相倍频电路图 频率的测量由单片机内部计数器T0完成，其计数时间为0.25s。通过外中断INT0对计数器实施控制，T0为16位计数器，计数范围在0-65 535之间。根据T0的计数值，经线性校正、数字滤波、归一运算后，便可得到测量结果。对单片机AT89C51，当时钟振荡频率为12MHz时T0的最大输入频率为500kHz，如果在给定的闸门时间内计数脉冲超过65 535，可利用计数器T0的计数值和溢出(中断)次数来测定输入的频率。因此，此V/F型的模/数

56、转换可达到很高的分辨率。4.2.3 键盘输入及数据显示电路本系统选用OCMJ4X8C液晶。该款液晶采用台湾矽创电子公司生产的ST7920中文图形控制芯片。液晶屏幕为128X64点。其可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。内置2M中文字型ROM（CGROM）总共提供8192个中文字型（16X16点阵），16K半宽字型ROM（HCGROM）总共提供126个符号字型（16X8点阵），64X16位字型产生RAM（CGRAM），另外绘图显示画面提供个个64X256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混合显示。提供多功能指令：画面清除（Display clear）、

57、光标归位（Return home）、显示打开/关闭（Display on/off）、光标显示/隐藏（Cursor on/off）、显示字符闪烁（Display character blink）、光标移位（Cursor shift）、显示移位（Display shift）、垂直画面旋转（Vertical line scroll）、反白显示（By_line_reverse display）、待命模式（Standby mode）。在系统中74HCl65转换器利用了OCMJ4X8C液晶显示器2条串行接口线中的一条，以节省单片机管脚资源，实现数据的输入与输出。液晶显示和键盘电路原理如图46所示。显示控制

58、器的某些功能需要日期、时间参数，因此需要外接时钟芯片。图46 液晶显示和键盘电路 第5章 皮带秤的软件设计系统监控软件如图51 所示。整个软件包括数据采集、非线性拟合、数字滤波等子程序。现重点介绍非线性拟合、数字滤波子程序。初始化校正/运行采样计数液晶显示键盘管理程序显示管理程序数据输入存储器读写瞬时量计算脉冲复位结束图51 监控软件主程序框图5.1 非线性拟合程序系统机构结构，应变片式力传感器，V/F转换，显示仪表等环节造成的综合误差，最后反映为作用于传感器的实际值与仪器的显示值之间产生差值，我们把这种差值归结为整个系统的非线性误差。可通过对系统进行校正来消除系统的非线性误差。若设校正时作用于传感器的力为F(i)，对应仪器的显示值为M(i)(i为不同的校正点)，根据数组F(i)和M(i)，通过拟合，则可得到二者之间的关系式，即校正函数： ( 51 )由于系统的误差是由各个环节共同作用的结果，校正函数可能有多个拐点，为确保校正函数的拟合精度，采用分段最小二乘抛物线拟合法。分段的原则是：每段内的曲