称重传感器制作的地磅已被广泛地应用到各行各业，叙述国内外称重传感器的发展情况，介绍了称重传感 器在高速定量分装系统的应用。

1.绪论

称重传感器是电子称重系统的核心部件，是电子称重技术 的重要基础。随着技术的进步，由称重传感器制作的地磅已被广泛地应用到各行各业，实现了对物料的快速、准确的称 量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化 的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装 置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计量以及吊车秤、汽 车秤等计量控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺 中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器。 目前，称重传感器几乎被运用到了所有的称重领域。

2.称重传感器的发展

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，经过多年的种种改进与发展，其从结构 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，在各种地磅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，数 字技术与数字系统的需求愈来愈多，对衡器行业提出了地磅数字化、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 适应不了地磅数字化，智能化的要求。因此，这引起了人 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，对此开展 了许多研宄工作，并取得了突破性的科技成果，开发出多种具 有自主知识产权的产品。

数字式智能称重传感器具有输出信号大，数字信号是由一 组组高低电平信号，有格式、有规律的组成，一般为5V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，数字称重系统能保障生产的连续性，实现不间断工 作，仪表不但时刻监测着各个数字称重传感器的工作状况，而 且在发现某个传感器故障时，仪表可以自动启动不间断工作方 式，仍然能保障一定时间一定精度下的称重，不至于造成生产 停机。同时仪表会发出信号给用户，定位故障传感器要求更换， 模拟称重传感器系统一旦传感器有故障就无法称重，从而造成 停工停产的重大事件。数字称重传感器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。因此，数字式智能称重传感器是 今后研究和发展的方向。

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:整体型和分离型。

2.1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，其一是在弹性 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。因此，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，使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据后才能运算。显示数字调零技术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，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。

2.2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1988年推出分离 型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。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。这种系统既保 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，将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能。

（2）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，实现地磅数字化。

（3）模拟式称重传感器可在-40?70°C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。

地磅和称重系统的需要就是称重传感器研宄，开发的 永久性课题。随着数字信息时代的到来，在工业过程检测和称 重计量与控制系统中，数字化地磅和数字称重系统的应用 愈来愈多，这就要求数字式智能称重传感器及其相关技术，配 套仪表尽快发展。

早在20世纪80年代，美国、德国等工业发达国家，就开始 了数字式称重传感器和数字称重系统的预先研宄和初期开发 工作，经过十余年的努力，推出了多种数字式智能称重传感器 及其称重系统，在电子称重领域备受瞩目。美国STS公司2200 系列模块化数字称重传感器，美国TOLEDO，CARDINAL公 司摇柱型全密封数字式智能称重传感器，德国HBM公司 C16ic3圆柱型全不锈钢激光焊接密封的数字式智能称重传感 器，有力的推动了电子衡器数字化和数字称重系统的发展。

我国数字式智能称重传感器的研宄开发始于20世纪90 年代中后期，在短短几年时间里，研制出安装在模拟式称重传 感器内部的小型数字化单元，完成了模拟信号与数字信号之间 的转换，变模拟式称重传感器为数字化称重传感器，并应用于 大型电子汽车衡和电子配料秤等小型称重系统中，取得了较好 的测试结果。近年来，又在数字化称重传感器的基础上，研宄与 实践数字式智能化电路，数字补偿技术与数字补偿工艺，开发 整体型数字式智能称重传感器和分离型模块化数字称重传感 器系统，并且已经取得了阶段性成果。可以预计，很快就会在电 子衡器数字化和数字称重系统中，见到国产的数字式智能称重 传感器和模块化数字称重传感器系统。

3.称重传感器的应用

称重传感器制作的地磅已广泛地应用到各行各业，实 现了对物料的快速、准确的称量，下面就称重传感器在高速定 量分装系统的应用做介绍。本系统由微机控制称重传感器的 称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系 统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。

系统的工作原理，系统采用MCS- 51单片机和V/F电压 频率变换器等电子器件，其硬件电路框图如图1所示，用8031 作为中央处理器，BCD拔码盘作为定值设定输入器，物料装在 料斗里，其重量使传感器弹性体发生变形，输出与重量成正比 的电信号，传感器输出信号经放大器放大后，输入V/F转换器 进行A/D转换，转换成的频率信号直接送入8031微处理器 中，其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字 量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较， 开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。

在整个定值分装控制系统中，称重传感器是影响电子秤测 量精度的关键部件，选用GYL- 3应变式称重测力传感器。四片 电阻应变片构成全桥桥路，在所加桥压U不变的情况下，传感 器输出信号与作用在传感器上的重力和供桥桥压成正比，而 且，供桥桥压U的变化直接影响电子秤的测量精度，所以要求 桥压很稳定。毫伏级的传感器输出经放大后，变成了 0- 10V的 电压信号输出，送入V/F变换器进行A/D转换，其输出端输出 的频率信号加到单片机8031定时器1的计数、输入端T1上。 在微机内部由定时器0作计数定时，定时器0的定时时间由要 求的A/D转换分辩率设定。

定时器1的计数值反映了测量电压的大小即物料的重量。 在显示的同时，计算机还根据设定值与测量值进行定值判断，测 量值与给定值进行比较，取差值提供PID运算，当重量不足，则 继续送料和显示测量值。一旦重量相等或大于给定值，控制接口 输出控制信号，控制外部给料设备停止送料，显示测量终值，然 后发出回答令，表示该袋装料结束，可进行下袋的装料称重。

图2所示为自动称重和装料装置。每个装料的箱子或袋子 沿传送带运动，直到装有料的电子秤下面，传送带停止运动，电 磁线圈2通电，电子秤料斗翻转，使料全部倒入箱子或袋子中， 当料倒完，传送带马达再次通电，将装满料的箱子或袋子移出， 并保护传送带继续运行，直到下一次空袋或空箱切断光电传感 器的光源，与此同时，电子秤料箱复位，电磁线圈1通电，漏斗给电子秤自动加料，重量由微机控制，当电子秤中的料与给定 值相等时，电磁线圈1断电，弹簧力使漏斗门关上，装料系统开 始下一个装料的循环。当漏斗中的料和传送带上的箱子足够多 时，这个过程可以持续不断地进行下去。必要时，工作人员可以 随时停止传送带，通过拔码盘输入不同的给定值，然后再启动， 即可改变箱或袋中的重量。

图2自动称重和装料装置 本系统选用不同型号的传感器，改变称重范围，则可以用 到水泥、食糖、面粉加工等行业的自动包装中。

4.结束语

20世纪90年代以来，在电子称重技术和工业、商业、家用 电子秤快速发展的强力牵引下，称重传感器的设计技术、制造 技术和工艺技术都有很大提高，取得了许多令人瞩目的成果。 总结工业发达国家特别是美、德、日称重传感器技术与产品的 发展与创新经验，概括起来就是设计技术虚拟化，制造技术柔 性化，生产工艺网络化，企业管理信息化。称重传感器与地磅数字化是现代地磅发展最突出的热点，电子技术的飞跃 进步，单片机的普及与推广，为称重传感器提高性能、称量自动 和智能化作出了贡献;微电子、信息、智能卡等高新技术更加速 了称重传感器数字化、智能化、微型化、微功耗的进程。由于单 片机本身的嵌入式软件技术及大规模集成电路等特点，具有三 电一体化(机电、电子、微电子）高新技术的地磅产品便会 应运而生，制造工艺的简化、产品成本的降低、利润空间的增 大，将会掀起新一代称重传感制造技术的革命与竞争，称重传 感器制作的地磅也会更广泛的应用到称重领域。