數字式稱重傳感器的智能化功能

1、<p>　　數字式稱重傳感器的智能化功能</p><p><b>　　演變與發(fā)展綜述</b></p><p>　　——當前衡器行業(yè)中數字傳感器熱點話題綜述之一</p><p>　　上海大和衡器有限公司 陳日興</p><p>　　【概 要】 本文就當前衡器行業(yè)中普遍關心的數字式稱重傳感器的熱點話題，提出了

2、“智能化”功能的概念、要求、演變過程和最新的發(fā)展趨勢。</p><p>　　【關鍵詞】 稱重傳感器 數字化 數字式 智能化</p><p>　　Evolvement of the intelligentized functions in digital load cells</p><p>　　Chen Rixing Shanghai Yamato Scal

3、e Co.，LTd</p><p>　　Abstract：Based on the hot topic of digital load cells recently in weighing industry ， the writer brings forward the concept， requirement and evolvement of the intelligentized functions in

4、digital load cells.</p><p>　　Key words：load cell，numeric convert，digital，intelligentize</p><p><b>　　概述</b></p><p>　　近幾年我國衡器行業(yè)的數字式稱重傳感器的應用發(fā)展較快，一些獨具遠見的外資企業(yè)與國內企業(yè)制造商均把目光瞄向了這

5、一極具生命力的產品上來。不少企業(yè)把稱重系統(tǒng)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”。關于數字式稱重傳感器的特點描述，以及“數字化”與“數字式”的區(qū)別，已有論述（見參考文獻[1]、[2]），本

6、文不再累述。本文僅想對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、到第三階段的稱重系統(tǒng)的智能化應用的演變，進行了較為詳盡的論述。</p><p>　　一、初始階段的數字化稱重傳感器</p><p>　　由于傳統(tǒng)的模擬式稱重傳感器的電阻應變轉換原理決定了其固有的輸出模擬信號小、傳輸距離短、抗干擾能力差、安裝調試不方便等缺點。因此，早在二十世紀

7、八十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?yōu)閮?yōu)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”（見參考文獻[1]），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。其基本配置為：</p><p>　　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。</p>&l

8、t;p>　　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，都是以本身的制造、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(yè)制造商與國內企業(yè)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

9、，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，一些制造商在局部的功能上有所提高。但總體上還是屬于第一代“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三種形式：</p><p>　　第一種以國內制造商早期產品為

10、代表的稱之為第一代初級“數字化稱重傳感器”。僅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率可做到60000內碼，采樣速率可做到50次/秒，溫度漂移可做到200×10-6/10℃，而時漂指標一般不確定。</p><p>　　第二種以德國HBM公司C16i數字傳感器為代表的可稱之為第一代高級“數字

11、化稱重傳感器”。此類傳感器與第一種傳感器的最大區(qū)別是改善了傳感器的局部功能，數字變送電路的分辨率可做到100萬內碼，采樣速率可做到100次/秒，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。但是最大的缺點是不能改變傳感器本身傳統(tǒng)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。</p

12、><p>　　第三種是分離型模塊化數字傳感器，以美國SENSORTRONICS公司為代表，于九二年推出，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。（見參考文獻[2]）</p><p>　　總之，本階段的數字化稱重傳感器主要特點是不改

13、變傳感器本身傳統(tǒng)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。</p><p>　　二、第二階段數字式智能化稱重傳感器</p><p>　　隨著計算機軟件技術的發(fā)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

14、藝。這樣可以使得傳感器本身的制作工藝變得極其簡單，一來不需要把大量的精力花在精細的制作工藝上，二來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。其基本配置為：</p><p>　　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。</p>

15、<p>　　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；遠程診斷與校正。</p><p>　　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

16、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(tǒng)稱重傳感器中繁瑣且的模擬補償方法。此類傳感器已具備了數字補償智能化技術的基本要求。</p><p>　　一種采用神經網絡自學習功能，解決了因環(huán)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(huán)境溫度適應范圍，也提高了其靜態(tài)特性（詳見

17、參考文獻[3]）。</p><p>　　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(tǒng)的非線性校正軟件，使傳感器在該軟件的支持下提高測量精度.用傳感器實驗數據通過訓練的網絡，據介紹此方法可提高測量相對誤差（詳見參考文獻[5]）。</p><p>　　一種

18、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(yè)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(yè)系統(tǒng)中傳感器的非線性質量（詳見參考文獻[7]）。</p><p>　　從上述的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。</p><p>　　三、第三階段數字智能化稱重

19、傳感器</p><p>　　嚴格意義上講，數字智能化稱重傳感器的智能化功能不僅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(fā)揮得淋漓致盡又提到了議事日程。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。</p><p>　　什么是“數字智能化稱重傳感器”，目前世界上比較一致的理論認

20、為：凡具有一種或多種敏感功能，能夠完成稱重信號檢測和處理、邏輯判斷、閉環(huán)控制、雙向通訊、循環(huán)自檢和自診斷、自動校正和補償、自動計算等全部或大部分功能的稱重傳感器叫做“數字智能化稱重傳感器”。從結構上看，它既可以是整體型集成化結構，也可以是分離型模塊化結構。</p><p>　　數字智能化稱重傳感器其基本配置為：</p><p>　　模擬式傳感器 + 數字變送（放大與A/D電路）+ 傳感器軟

21、件補償 + 智能化自控軟件 =第三階段數字智能化稱重傳感器。</p><p>　　最新第三階段的數字智能化稱重傳感器已應用于各種智能化閉環(huán)控制多用途、智能化多分量測量與高速動態(tài)數字信號處理以及網絡通訊等場合，其典型產品如下：</p><p><b>　　1．智能化閉環(huán)控制</b></p><p>　　智能化閉環(huán)控制主要指，可應用于各種智能化閉環(huán)

22、、高速高精度動態(tài)自補償稱重等應用場合。德國HBM公司的FIT系列動態(tài)高速數字智能化稱重傳感器，除了用于標準的稱重過程外，還提供分選、定量灌裝的多用途控制功能。內置信號處理模塊使其可用于快速，高精度的稱重場合。20-bit 分度，測量速率可以達到600 次/秒。外部因素會引起振動，FIT稱重傳感器有很好的數字濾波器可以消除這些振動引起的重量。內置可編程的濾波器允許客戶根據不同的應用改變?yōu)V波參數。</p><p>　

23、　2．智能化多分量控制</p><p>　　智能化多功能是指稱重傳感器本身除具有檢測重量信息的功能外，還能同時檢測其它多分量信息。例如：電子吊秤傳感器可檢測加速度，完成動態(tài)加速度自動修正；汽車衡傳感器可檢測水平方向的側向載荷，完成側向力自動修正。</p><p>　　日本大和制衡株式會社最新推出的TS-MLC系列智能化數字式汽車衡，在一個秤臺上，一次單向稱重過程，既可以完成整車稱重，又可以

24、同時得到軸組、軸重、輪重等所有的信號，而不需要多個縱向或橫向的秤臺和多次稱重的過程的組合，在稱重過程中一旦出現偏載即可報警，稱重過程15秒即可完成各種參數的打印，可稱為目前世界上打印速度最快的智能化數字式汽車衡之一。此產品難點在于，如何在一個秤臺上，建立不同車況狀態(tài)下的數學模型，通過計算軟件自動實現多分量控制與自適應修正以及大量信息、狀態(tài)碼輸出的快速響應問題。</p><p>　　3．高速動態(tài)信號處理技術<

25、/p><p>　　應用于動態(tài)智能化稱重傳感器的高速動態(tài)非線性修正，可通過系統(tǒng)的建模與軟件控制來實現。一種采用神經網絡仿射非線性系統(tǒng)的自適應控制理論，神經網絡的權值由Lyapunov穩(wěn)定性理論導出，并且在線調整。考慮到網絡逼近誤差和外部干擾的存在，利用滑動模態(tài)對參數和擾動不敏感的特點，可實現動態(tài)系統(tǒng)的非線性校正（詳見參考文獻[4]）。</p><p>　　工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，數字技術向智能化、開

26、放性、網絡化、信息化發(fā)展。利用目前工業(yè)過程控制系統(tǒng)中最為熱點的現場總線控制系統(tǒng)FCS（Fieldbus Control System）中工業(yè)控制軟件的數據處理方法，首先對系統(tǒng)中的傳感器進行結構與數據處理的特性分析，提出了FCS的數據處理方法，據介紹對處理平穩(wěn)傳感器數據和非平穩(wěn)傳感器數據都具有適應性（詳見參考文獻[6]）。</p><p>　　車輛動態(tài)稱重技術目前已成為我國衡器行業(yè)關鍵技術和發(fā)展方向。各類智能化電阻

27、應變彎板式、振弦式、電容式、石英晶體數字式傳感器，特別是光纖傳感技術已開始應用于車輛動態(tài)稱重檢測系統(tǒng)。一種基于高速數字信號處理DSP（Digital Signal Processing）技術的分布式光纖微彎壓力傳感器應運而生（詳見參考文獻[8]）。具有數據信號處理前沿技術的DSP是一種快速強大的微處理器，獨特之處在于它能即時處理數據，正是這項即時能力使得DSP最適合高速快響應的應用場合。光纖傳感技術從光波導的角度分析了光纖中傳輸時光纖中

28、衰減和距離的關系。采用DSP技術分析了被處理信號的特性，采用取樣積分器BOXCAR處理方法，提高了處理前后信噪比。根據最新報道，一種基于馬赫-曾德爾（Mach-Zehnder）干涉儀的頻率輸出型光纖動態(tài)稱重傳感器，與前面所提到的各種傳感器組成的動態(tài)稱重系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有測量精度高、抗干擾能力強、響應速度快、便于組網等優(yōu)點（詳見參考文獻[9]）。</p><p>　　4．網絡化通訊技術的應用</p>

29、<p>　　網絡化通訊技術是數字智能化稱重傳感器中智能化功能擴展的又一個領地。由于數字式稱重傳感器的不斷發(fā)展，即將掀起稱重技術的一場新的革命，其深度和廣度將超過歷史上任何一次。工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，基于現場總線的FCS是全分散、全數字化、全開放和可互操作取代現場一對一的4～20mA模擬信號線，采用雙絞線、光纜或無線電方式傳輸數字信號，減少大量導線，提高了可靠性和抗干擾能力。計算機通訊技術應用于傳感器稱重數據與各類控制信息的雙向

30、通訊、多機多單元通訊、聯網通訊、工業(yè)現場總線、無線通訊包括遠程SCADA技術、M2M技術（機器與機器無線通訊技術）、無線數據采集乃至無線網絡管理系統(tǒng)，使得數字式稱重傳感器智能化功能又邁出了更新的一步。</p><p><b>　　四、結尾</b></p><p>　　從上述文章中對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轉換、到第二階段的傳感器本身的智能

31、化補償、到第三階段的傳感器擴展稱重系統(tǒng)的應用，特別是“智能化”功能演變的論述中，可以看出數字式智能化稱重傳感器的功能，除了數字化或數字式的傳感器性能的補償與數字量的長距離傳送功能外，更不能忽視的是擴展其應用于各種智能化閉環(huán)控制多用途、智能化多分量測量與高速動態(tài)數字信號處理乃至網絡化通訊等場合?？傊?，數字式智能化稱重傳感器已從傳統(tǒng)傳感器的單一功能、單一檢測向多功能和多變量檢測，由開環(huán)數據傳送向主動閉環(huán)控制和信息處理，由孤立一次儀表向系統(tǒng)化

32、、集成化、網絡化方向發(fā)展。筆者認為，這應是我國數字式稱重傳感器制造行業(yè)目前和今后的發(fā)展方向。我相信在不遠的將來，我國稱重傳感器制造行業(yè)一定會有更多應用場合的、具有自主知識產權的、真正意義上的智能化數字式稱重傳感器如雨后春筍般地涌現，從而開創(chuàng)稱重技術的新紀元，這也是本文所期待的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　〔1〕劉九卿，《數字式智

33、能稱重傳感器的發(fā)展與應用》〔J〕《衡器》2004年第5期：P8。</p><p>　　〔2〕周祖濂，《數字稱重系統(tǒng)——稱重技術新概念》〔J〕《衡器》2005年第5期：P9。</p><p>　　〔3〕賈要勤，常炳國.《采用神經網絡數據融合改善傳感器的靜態(tài)特性》[J].《西安交通大學學報》，1999，（11）。</p><p>　　〔4〕唐英干，《神經網絡自適應控制理

34、論及其應用》〔D〕北京 燕山大學，2002：P1</p><p>　　〔5〕李力，田愛玲，高虹亮.《BP算法應用于智能傳感器的數據處理》[J].《三峽大學學報（自然科學版）》，2002，（4）。</p><p>　　〔6〕鄺小磊，《FCS中的智能傳感器的數據處理方法》〔J〕.《傳感器技術》，2002，（6）。</p><p>　　〔7〕楊曉婕，周云利，成明勝.《智能

35、傳感器數據預處理方法的研究》〔J〕.《測控技術》，2005，（3）。</p><p>　　〔8〕陳龍昌，《基于DSP的光纖微彎壓力傳感器的研究與實現》〔D〕.大連海事大學，2004：P1。</p><p>　　〔9〕吳奇峰，《基于光纖傳感的車輛動態(tài)稱重檢測系統(tǒng)的研制》〔D〕.大連海事大學，2006：P1。</p><p>　　通訊地址：上海市浦東新區(qū)慶達路368號&