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  • 可竹

    專注智能稱重
    助力中國工業5.0

    可竹-助力智能稱重工業5.0

    數字稱重傳感器智能化的發展過程

    返回列表 瀏覽:- 發布日期:2023-01-31 12:24:05【

    近年來,我國衡器行業的數字式稱重傳感器的應用發展較快,一些獨具遠見的外資企業與國內企業制造商均把目光瞄向了這一極具生命力的產品上來。不少企業把稱重系統中原本放在稱重儀表內的放大與A/D電路,前置于稱重傳感器罩殼內或接線盒內就稱其為智能化數字式稱重傳感器。其實,筆者認為這充其量只能稱為前置轉換式的稱重傳感器,當然也可以稱為“數字化稱重傳感器”。在本文的論述中,稱其為初始階段的“數字化稱重傳感器”,但是決不能稱其為“數字式智能化稱重傳感器”。為了更好地幫大家理清相關發展脈絡,本文就數字式智能化稱重傳感器功能演變過程,從初始階段的數字化前置轉換,到第二階段的智能化補償與校正,再到第三階段的稱重系統的智能化應用的演變,進行了較為詳細的論述。

    一、初始階段的數字化稱重傳感器

    傳統模擬式稱重傳感器的電阻應變轉換原理決定了其固有的一些缺點(如輸出模擬信號小、傳輸距離短、抗干擾能力差、安裝調試不方便等)。因此,早在20世紀80年代就引起了人們對模擬式稱重傳感器缺點的重視,在不改變電阻應變式稱重傳感器稱重機理的基礎上,使上述缺點變為優點。為此,國外一些稱重傳感器制造商推出了第一代“數字化稱重傳感器”,即把原本放在稱重儀表內的放大與A/D電路,置于稱重傳感器罩殼內或附近的接線盒內。其基本配置如下:

    模擬式傳感器+數字變送(放大與A/D電路)=初始階段的數字化傳感器

    上述傳感器由于輸出的是數字信號,因此克服了模擬式稱重傳感器的信號小、傳輸距離短、抗干擾能力差等缺點。但是其各項傳感器的性能指標,都受其本身的制造、補償、調整工藝所決定。也就是說,如果傳感器本身的制造、補償、調整工藝不過關,要靠數字變送來提高或補償整個傳感器的力學與溫度指標(注意:不是數字變送電路本身的溫度指標)是不可能的。目前,國內眾多的外資企業制造商與國內企業制造商,主推的產品都屬于此類型。此類傳感器沒有突破原功能。當然,要做到第一代“數字化稱重傳感器”也不容易。因為,首先要保證所設計和選用的數字變送電路及器件不能降低整個傳感器的力學與溫度指標,也就是說,必須使數字變送電路本身的溫漂和時漂不影響傳感器本身的制造、補償、調整工藝所決定的力學與溫度指標。另外,一些制造商的產品在局部的功能上有所提高。但總體上仍屬于第一代“數字化稱重傳感器”。此類傳感器比較有代表性的還可以分成以下3種形式:

    第一種,以國內制造商早期產品為代表,稱之為第一代初級“數字化稱重傳感器”,僅把原本放在稱重儀表內的放大與A/D電路,置于稱重傳感器罩殼內或附近的接線盒內,完全沒有突破原有的傳感器的力學與溫度指標。此類傳感器的數字變送電路一般分辨力可達到60000內碼,采樣速率可達到50/s,溫度漂移可達到200×10-6/10℃,而時漂指標一般不確定。

    第二種,以德國HBM公司C16i數字傳感器為代表,稱之為第一代高級“數字化稱重傳感器”。此類傳感器與第一種傳感器的最大區別是改善了傳感器的局部功能,數字變送電路的分辨力可達到100萬內碼,采樣速率可達到100/s,溫度漂移可做到100×10-6/10℃。據說時間漂移也可做到100×10-6/年。但其最大缺點是不能改變傳感器本身傳統的制造、補償、調整工藝所決定的力學與溫度指標,僅增加了線性補償功能。也就是說,如果傳感器本身的力學與溫度指標不好,同樣不能提高傳感器綜合性能指標。

    第三種,分離型模塊化數字傳感器,以美國SENSORTRONICS公司于1992年推出的產品為代表,用以取代早期推出的第一代初級整體型數字傳感器。模塊化數字傳感器是將原先在傳感器內部的A/D轉換電路移至接線盒內,通常將具有A/D轉換模塊的接線盒稱為數字接線盒,再將數字接線盒輸出的數字信號傳遞給顯示控制器。

    總之,本階段的數字化稱重傳感器主要特點是不改變傳感器本身傳統的制造、補償、調整工藝,僅將原先在稱重儀表內的A/D轉換電路移至傳感器內或接線盒內,實現稱重數字信號的傳送。

    二、第二階段數字式智能化稱重傳感器

    隨著計算機軟件技術的發展,人們設想傳感器本身的缺陷是否可以通過軟件技術來解決呢?也就是說,由計算機軟件來完成傳感器的諸如零點補償、溫度補償、線性補償、滯后補償、蠕變與恢復補償等幾乎全部的補償工藝。這樣可以使傳感器本身的制作工藝變得極其簡單,既不需要把大量的精力花在精細的制作工藝上,又可以大大提高傳感器彈性體與貼片的合格率。當然,由于要完成上述的各種軟件補償,需要建立各種數學模型,需要龐大的數據庫來支撐。沒有大量的試驗數據是不可能完成的。其基本配置如下:

    模擬式傳感器+數字變送(放大與A/D電路)+傳感器軟件智能化補償=第二階段數字式智能化傳感器。該類傳感器的數字變送部分包括放大、濾波、A/D轉換器、微處理器、溫度傳感器,通過數字補償電路和數字補償工藝,可進行線性、滯后、蠕變等補償;內裝溫度傳感器,通過補償軟件可進行實時溫度補償;地址可調,便于應用與互換;并可實現遠程診斷與校正。此類傳感器較為典型的代表就是美國TOLEDO公司的數字傳感器技術。其核心是傳感器軟件智能化補償技術。這種傳感器據說采用了模糊數學、人工智能等方面的理論,用合理數據處理方法實現傳感器誤差的數字補償,避免了傳統稱重傳感器中繁瑣的模擬補償方法。此類傳感器已具備了數字補償智能化技術的基本要求。一種采用神經網絡自學習功能,解決了因環境溫度的變化對傳感器橋臂之間的特性差異所造成的測量誤差影響。具體做法為:將電橋的兩個輸出電壓信號作為標定數據,采用神經網數據融合對標定數據進行處理,從而既提高了電橋測量的環境溫度適應范圍,又提高了其靜態特性。

    目前,國內稱重傳感器非線性主要依靠彈性體本身制造、補償、調整工藝來解決。而一種利用BP軟件算法具有的非線性映射能力對傳感器標定數據進行輸入-輸出特性的反非線性逼近,將其作為智能傳感器系統的非線性校正軟件,使傳感器在該軟件的支持下提高測量準確度。將傳感器實驗數據通過BP神經網絡,據介紹此方法可降低測量相對誤差。

    這種智能傳感器數據預處理方法,應用于傳感器的非線性校正溫度補償、數字濾波和標度變換,可實現工業現場傳感器測試數據的前端檢測與處理,從而提高了自動化檢測作業系統中傳感器的非線性質量。從上述數字式智能化傳感器的各種實例可以看出,總體上這一階段的數字式智能化傳感器主要體現在傳感器本身的智能化補償與校正上。

    三、第三階段數字智能化稱重傳感器

    嚴格意義上講,數字智能化稱重傳感器的智能化功能不僅反映在傳感器本身的智能化補償與校正上,更重要的是要實現應用的智能化。隨著數字稱重傳感器應用領域的不斷擴展,如何把數字傳感器的功能、特點發揮得淋漓盡致又提到了議事日程。為此適用于不同領域的真正意義上的“數字智能化稱重傳感器”應運而生。

    來源:互聯網

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