基于单片机的传输带动态称重系统设计_本科毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的传输带动态称重系统设计_本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 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。 称架介绍 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”。 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。 单托辊秤架因其安装方便，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，本系统选择单托辊秤架作为研究对象，并通过算法有效消除了水平张力对计量结果的影响。 称重传感器只安装在一组托辊上的称架结构称为单托辊称架 .如图 31所示，单托辊称架由安装了称重传感器的称重托辊，称重托辊相邻的两组过渡托辊和称架支撑结构共同组成。 其中称架支撑结构分为平衡杠杠支撑和直接支撑，平衡杠杠 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辊称架结构示意图 配置平衡重物重量可以实现调节传输带空载时对称重传感器的压力，有利于系统过渡托辊 称重托辊 传输 称重传感器 支撑架 配置平衡重物 河北工程大学毕业设计说明书 10 10 零点标定，确保计量精度。 称重传感器介绍 与选择 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，使得基于称重传感器的称重装置的计量区间向大吨位和微 量物体两个方向不断延伸，并且在工业自动化控制领域中已经成为一种必须的设备。 而且目前几乎所有的领域应用的称重装置都使用了不同种类和规格的称重传感器。 称重传感器的分类 目前使用的称重传感器种类繁多，可按工作原理分类为：压力 电荷式、压力 电阻式、压力 电磁式和电阻应变式称重传感器。 下面分别介绍： (1)压力 电荷式称重传感器 压力 电荷式称重传感器的工作原理是基于一种离子电材料，当这种材料受到外力时，内部会产生极化效应，获得或失去一定量的电荷，从而带电，当加在其上的外力去掉时，材料恢复为不带电 状态。 这种特性称为材料的压电效应，这种材料称为压电材料。 压力 电荷式称重传感器的基本工作原理就是采用这种材料研制而成的，压力 电荷式称重传感器的固有频率较高，所以在适用高频响应的场合要优于其他种类的称重传感器。 (2)压力 电阻式称重传感器 压力 电阻式称重传感器的基本工作原理是基于一种具有压阻效应的材料，这种材料在收到外力后会产生形变，并且它的电阻会随之产生变化。 利用带有压阻效应的材料制成的传感器就称为压力 电阻式称重传感器。 根据具体材料性质的不同，可将压力 电阻式称重传感器分为半导体应变式称重传感器 和扩散型压力 电阻式称重传感器。 半导体应变式称重传感器的基本结构类似于电阻应变式称重传感器，不同点是利用半导体压电材料代理电阻应变式称重传感器的金属材料制成电阻应变片，虽然也容易损坏，但与金属材料相比具有灵敏度高和体积小等优点。 扩散型压力 电阻式称重传感器所采用的压电材料是半导体单晶硅。 由于单晶硅材料各项极性相异，所以要根据实际受力形变情况来加工特定的应变基片，因而测量精度稳定性较差。 河北工程大学毕业设计说明书 11 11 (3)压力 电磁式称重传感器 压力 电磁式称重传感器的基本工作原理是基于一种具有压磁效应的材料，这种材料在受外力时会 在内部产生机械应力，改变材料的磁导系数。 压力 电磁式称重传感器就是基于这种材料制成的。 (4)电阻应变式称重传感器 电阻应变式称重传感器的基本功能是基于电阻应变计实现的，电阻应变计由电阻丝在绝缘基片上制作而成，根据电阻大小与直径成反比于电阻长度成正比的基本原理，当应变基片受到外力作用是，其上金属丝直径和长度都会发生细微的变化，导致所在的应变基片的电阻阻值产生变化。 根据此原理，电阻应变式称重传感器可以将受力量转换为电信号。 由于电阻阻值只能产生细微变化，所以要使用惠斯顿桥式测量电路测量。 惠斯顿桥式测量电路要求 四个组成电阻的阻值相差量很小。 称重传感器的选择 传输带动态称重系统使用的称重传感器要具备以下几个特征： (1)具有较高的稳定应，能在投料或输送时造成的冲击或振动下正常工作，而且各项系数漂移量较小。 (2)零点漂移和温漂系数较小，可以在不同温度环境下使用。 (3)装卸简便。 传输带动态称重设备一般在大量散状物料输送过程中使用，不能允许整个进度停滞过长时间。 (4)密封性好。 防潮防粉尘，能够适应较恶劣的工作场合。 (5)较好的抗跑偏与偏载性能。 因为在传输过程中，物料分布是不均匀的，作用力偏离重心的 情况是不可避免的。 具备了以上几个特性的称重传感器，在实际使用时还要考虑多方面因素。 如传感器的类型、传感器的精度指标、传感器的使用数量和传感器的使用环境等诸多因素。 (1)传感器的类型 传感器类型的选择时首先要了解传感器各项信息，如性能指标、安装方法、原理结构、受力方式、材料材质等，这些一般由制造厂商提供。 然后主要考虑称重场合性质和安装空间问题，既要保证安装稳定，又要保证测量可靠安全。 如材质电桥传感器适用于汽车称量和轨道称量等；铝质悬梁式传感器适用于普通电子称、平台秤和案秤等；钢质柱式传感器适用于汽车称 量、动态轨道称量和大吨位料斗称量等。 (2)传感器的精度和量程 选择传感器的精度指标时不能盲目寻求高精度的传感器，要综合考虑实际称重场合的需求和成本等问题。 通常情况下，传感器指标包括蠕变系数、灵敏度、额定载荷、零点温漂、综合误差、滞后、不重复性和非线性等。 选用的传感器的不重复性、非线性和滞后三项指标的均方根的值要略高于系统需求精度。 传感河北工程大学毕业设计说明书 12 12 器的量程主要根据秤架自重、造成的最大偏载、安装传感器数量和动态计量等标准综合考虑来选择。 在传输带动态计量时，秤架分配到各个传感器的载荷量越接近传感器量程，计量精度和稳定性 越高。 在现场实际条件下，除了考虑分配到传感器的载荷量之外，秤架重量、传输带自重、动态振动、下料冲击等因素也会影响传感器的量程选择。 (3)传感器使用数量 在选择传感器的使用数量时，主要考虑电子称重装置的实际受力结构、秤架支撑点的数量和称重装置的用途等因素，其中秤架支点个数应由秤架实际重心和秤架几何重心重合的原理而定。 通常情况下，传感器的使用数量等于秤架支点的数量，但也存在特殊情况，如存在吊梁结构的秤架只能在吊梁连接点处使用一个传感器。 (4)传感器使用环境 传感器的使用环境是一项重要的考虑因素，实际 环境中的温湿度、粉尘、振动等要素对于正确选择传感器至关重要，而且关系到传感器的使用寿命、安全稳定性和测量精度。 在动态称重中，称重传感器的选择对整个系统的计量精度和响应速度有直接影响，所以要结合实际需求根据以上条件综合考虑。 由于悬梁式称重传感器是基于电阻应变原理将力矩产生的应变力转换成与其线性关系的电信号，而且承载方式为平面载重，抗偏载和抗侧向能力强。 固本系统的称重传感器选用宁波柯力电气制造公司的悬梁式传感器，该传感器是电阻应变片式传感器的一种。 其外形如图 32所示。 图 32 柯力电气制造公 司的悬梁式传感器 电阻应变式称重传感器 的基本功能是基于电阻应变计实现的，电阻应变计由电阻丝在绝缘基片上制作而成，根据电阻大小与直径成反比于电阻长度成正比的基本原理，当应变基片受到外力作用是，其上金属丝直径和长度都会发生细微的变化，导致所在的应变基片的电阻阻值产生变化。 根据此原理，电阻应变式称重传感器可以将受力量转换为电信号。 由于电阻阻值只能产生细微变化，所以要使用惠斯顿桥式测量电路测量。 惠斯顿桥式测量电路要求四个组成电阻的阻值相差量很小。 在各项参数指标中额定载荷、灵敏度、推荐激励电压三项为关键参数，直接关 系到河北工程大学毕业设计说明书 13 13 传感器的合理使用和转换数据的正确计算。 该传感器的灵敏度为 177。 ，表示当传感器受到额定载荷重量时，每 1V激励电压下，产生 177。 输出电压。 本系统实际采用激励电压为 10V 时，额定载荷为 2t，则在 2t满量程下，输出电压为 10 (177。 )mV。 其技术参数指标见表 31。 表 31称重传感器性能参数 项目性能 测试参数 项目性能 测试参数 额定载荷 2t 工作温度范围 30~+70℃ 灵敏度 177。 综合误差 177。 ％ 极限过载 200% 蠕变（ 30分钟） 177。 ％ 推荐激励电压 10~12V DC 零点平衡 177。 1％ 最大激励电压 15V DC 零点温度影响 177。 ％ ／ 10℃ 密封等级 Lp66 输出温度影响 177。 ％ ／ 10℃ 材质 合金钢 输入阻抗 400177。 10Ω 电缆 — 输出阻抗 352177。 3Ω — Length:4m 绝缘电阻 ≥ 5000MΩ — Diameter:φ 5mm 测速传感器介绍 与分析 传输带运行速度是计算动态称重结构 的关键指标，所以测速传感器是传输带动态称重系统的重要组成部分。 测速传感器按转换原理可分为数字方式和模拟方式，数字测速传感器目前国内外使用广泛，使用模拟测速传感器来检测传输带运行速度的方式基本不再使用。 测速传感器分类 单就数字测速传感器而言，其分类方式也很多。 按传感器采集速度信息的方式，可分为接触式测速传感器和非接触式测速传感器。 其中按接触式测速传感器的接触轮的大小又可分为宽式接触传感器和窄式测速传感器。 河北工程大学毕业设计说明书 14 14 接触式测速方式的基本原理是基于接触传输带的摩擦轮，当传输带行驶时，依靠于传输带之间的摩擦 带动自身运动，热按通过光 电或磁 电式将速度信号转换成电信号。 接触式测速传感器结构简单、安装方便、造价低廉，所以目前被广为采用。 但依靠摩擦力的原理限制了速度的测量精度。 非接触式测速传感器没有与传输带接触的机械装置。 非接触式测速传感器理论上是可以消除接触打滑、速度损耗等接触式传感器不能解决的问题，并且实现直接获得传输带速度的结果。 但实际使用中还有很多未能解决的问题，目前主要体现为测量稳定性差、影响结果因素多、结构复杂、造价较高等方面，所以尚未广泛使用。 按速度信息转换为电信号的实现原理分类，可分为光 电式测 速传感器和磁 电式测速传感器。 现在国外甚至出现了“多普勒”测量原理的测速传感器，国内也已经开发了相同原理测速传感器。 目前比较普遍的分类方式是分为光 电转换式测速传感器和磁 电转换式测速传感器。 (1)光 电转换式测速传感器 光 电转换式测速传感器的计量原理是由机械传动装置将传输带运行时的速度转换为光栅编码圆盘的转动速度，光栅圆盘的一边放置光源，另一边放置光感元件。 当传输带带动光栅圆盘转动时，速度转换为光栅对光线的遮挡频率，并通过光 电转化生成脉冲信号或具体数字编码。 故光 电转换式测速传感器又称为光 电编码器。 光 电转换式测速传感器体积小、安装简便、精度高、应用范围广，实现了数字测量和数字控制，连接计算机和相应显示设备后可以实现实时控制和实时测量角位置。 与其它种类测速传感器相比，有性价比高、可靠性好、维护简便等优点。 根据光 栅圆盘的光栅形式可将光 电转换式测速传感器分为增量式光 电编码器和绝 对式光电编码器。 增量式光 电测速传感器内部圆盘上的光栅是等间距的，每道光栅为一个分辨区，产生一个周期脉冲信号，采集电路使用计数器对脉冲进行累加运算，以零点为基准位置，正转累加，反转递减。 增量式光 电测速传感器具有体积小、重量轻、结构简单、响应速度快等优点，但是中途中断计数会造成测量数据的缺失，而且会造成误差积累。 绝对式光 电测速传感器内部圆盘上的光栅是按二进制码规律排列的，由于为每一个分辨区间设计了不同的二进制码，所以码盘转动的位置不 同，编码输出的值也不同。 基于这种设计原理，绝对式光 电测速传感器有固定零点、无误差的累积、中断后不会造成数据损失、输出量与角度符合一定函数关系和测量稳定性强等优点，但同时导致绝对式光 电测速传感器结构复杂、体积较大和安装繁琐。 目前使用并不广泛。 (2)磁 电式测速传感器 磁 电式测速传感器的工作原理与光 电式测速传感器相河北工程大学毕业设计说明书 15 15 同，也分为增量式和绝对式。 但是磁 电式测速传感器对环境要就较严格，传输带的震动等状况会导致传感器工作异常，造成测量数据损失。 测速传感器选择 综合各方面因素考虑， 本系统测速传 感器选用欧姆龙 E6B2CWZ6C 增量型旋转编码器，该编码器属于接触式轴光电编码器。 欧姆龙 E6B2CWZ6C 光电编码器。 外形如图 33所示 图 33 欧姆龙 E6B2CWZ6C增量型旋转编码器 接触式测速方式的基本原理是基于接触传输带的摩擦轮，当传输带行驶时，依靠于传输带之间的摩擦带动自身运。