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稱重儀表傳感器的歷史與現(xiàn)狀

發(fā)布日期： 2014-09-05

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       稱重儀表的應(yīng)用越來越多，本文主要談稱重儀表從早期的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在數(shù)字式稱重儀表的歷史，結(jié)合相關(guān)電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)要求簡單分析了稱重儀表的未來發(fā)展方向。電子稱重技術(shù)的出現(xiàn)，極大促進(jìn)了工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展。特別是稱重自動配料技術(shù)和產(chǎn)品，在工業(yè)生產(chǎn)過程的應(yīng)用，既提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，又提高了生產(chǎn)效率。工業(yè)稱重儀表的應(yīng)用越來越多，稱重儀表技術(shù)也得到了較快地發(fā)展，本文結(jié)合相關(guān)電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工業(yè)要求簡單分析了稱重儀表的未來發(fā)展方向。

      隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化的高速發(fā)展，對工業(yè)過程控制中的計(jì)量精度、準(zhǔn)確度的要求也更加嚴(yán)格。龍芯智業(yè)整理了本文，主要談稱重儀表從早期的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在數(shù)字式稱重儀表的歷程，并展望將來的稱重儀表會是具有智能化、人性化、多功能化、更具可靠性的“ 傻瓜式”儀表。

      一、稱重儀表的歷史與現(xiàn)狀

      早期的稱重儀表基于早期單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對稱重信號的放大和轉(zhuǎn)換處理，由于數(shù)字電路和模擬技術(shù)的發(fā)展水平較低，導(dǎo)致儀表非常復(fù)雜而且操作繁瑣：參數(shù)設(shè)置依靠數(shù)十個(gè)ＤＩＰ開關(guān)的位置來確定；多只傳感器需要串連接入儀表，以補(bǔ)償放大電路的不足，但由此帶來的角差調(diào)整問題一直無法解決；到上個(gè)世紀(jì)八十年代末九十年代初的時(shí)候，電子稱重技術(shù)經(jīng)歷了一次飛速的發(fā)展，現(xiàn)在普遍使用的稱重儀表基本成型：各種參數(shù)通過按鍵即可設(shè)置；通過按鈕即可進(jìn)行各種操作；由于放大電路和高速高精度Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換技術(shù)的突破，多稱重傳感器并聯(lián)接入稱重儀表，有效解決了傳感器角差問題，使得計(jì)量更準(zhǔn)確、可靠。

      上世紀(jì)九十年代末的時(shí)候，數(shù)字式稱重傳感器開始逐漸在國外應(yīng)用，出現(xiàn)了相應(yīng)的數(shù)字式稱重儀表：可將多路數(shù)字傳感器的信號同時(shí)輸入儀表，在檢測總重量的同時(shí)可分別看到各傳感器的資料，帶來了更換傳感器免標(biāo)定、總量數(shù)據(jù)更穩(wěn)定、傳輸距離更遠(yuǎn)等一系列優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化稱重的出現(xiàn)是稱重儀表產(chǎn)品和應(yīng)用的又一飛躍。

      二、微電腦處理技術(shù)的高速發(fā)展與現(xiàn)代工業(yè)的需求決定了未來稱重儀表的發(fā)展方向

      隨著工業(yè)過程稱量工藝的發(fā)展，對稱重儀表的要求也越來越高，其外延也逐漸擴(kuò)大，逐漸兼有ＰＬＣ、ＰＣ的部分功能。從之前的單一物理量發(fā)展到今天的多通道、多物理量發(fā)展；在性能上，向高速率、高靈敏度、高準(zhǔn)確度、高可靠性方向發(fā)展；在結(jié)構(gòu)上，向智能化、模塊化、可二次開發(fā)的方向發(fā)展；隨著現(xiàn)代工業(yè)信息化發(fā)展的要求，稱重儀表出現(xiàn)了各種總線、以太網(wǎng)等多種通訊接口，朝著接口豐富、便于與計(jì)算機(jī)、ＰＬＣ連接的方向發(fā)展；外觀和操作界面向更加美觀，更人性化、個(gè)性化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。

      電子技術(shù)的發(fā)展，無論ＭＣＵ性能的提升，數(shù)字電路和模擬電路技術(shù)的進(jìn)步，還是嵌入式系統(tǒng)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，都從各個(gè)方面極大促進(jìn)了稱重儀表的發(fā)展。

      模擬電路的發(fā)展使得穩(wěn)定可靠前置放大電路成為現(xiàn)實(shí)，電路噪聲大幅度減小使得進(jìn)入Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換模塊的信號更為真實(shí)，同時(shí)從１２位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換到２４位的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換模塊使得模數(shù)轉(zhuǎn)換精度大大提高，同時(shí)采樣速度的大幅提高，從１０次／ｓ到４０００次／ｓ使單位時(shí)間內(nèi)采集到更多數(shù)據(jù)，使稱重儀表實(shí)現(xiàn)高速率，高準(zhǔn)確度，高精度成為可能。

      從５１系列到高速５１系列芯片，發(fā)展到今天的ＡＲＭ９芯片，ＭＣＵ性能的大幅提升，可將Ａ／Ｄ采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)更為有效的控制算法（例如模型預(yù)測ＭＰＣ算法，該算法是一種典型的智能控制算法，它在上世紀(jì)８０年代就開始運(yùn)用在計(jì)算機(jī)，該算法具有自學(xué)習(xí)的能力），使得稱重儀表實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性。但這些算法需要大的運(yùn)算量和內(nèi)存，這在以前的嵌入式系統(tǒng)中無法實(shí)現(xiàn)，直到現(xiàn)在出現(xiàn)運(yùn)算能力達(dá)到２００ＭＩＰＳ以上，并支持虛擬內(nèi)存的ＡＲＭ９處理器出來后才可以在儀表上實(shí)現(xiàn)。ＡＤ４８２０就是這樣一個(gè)基于ＡＲＭ９芯片和嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理速度的提高也使得稱重儀表實(shí)現(xiàn)多通道、多物理量處理成為可能，如鋼鐵廠普遍需求卻無良好解決辦法的負(fù)壓補(bǔ)償儀表，以及廣泛應(yīng)用在測力分析系統(tǒng)中的高精度力－位移分析儀表等，都使稱重儀表更突出多過程量的處理了。

      近年新的高性能ＡＲＭ９、ＡＲＭ１１處理器的應(yīng)用，以及嵌入式操作系統(tǒng)如ｕＣＯＳ－ＩＩ、ＶＸＷＯＲＫＳ、ｌｉｎｕｘ、ＷｉｎＣＥ等在其上的移植，為儀表的嵌入式開發(fā)提供了強(qiáng)大的工作平臺。有了操作系統(tǒng)，就可以使儀表的開發(fā)分工化，可以把軟件和硬件的開發(fā)區(qū)分得更明顯。從而更有利于各方面人才的合作開發(fā)，從而可以開發(fā)更加復(fù)雜的儀表系統(tǒng)。隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，不僅使儀表的長期可靠性得到提高，也使得數(shù)據(jù)存儲量加大，在某些場合，稱重儀表甚至可以替代ＰＣ的部分功能。例如配方管理，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、歷史數(shù)據(jù)回放等功能。與此同時(shí)，現(xiàn)代嵌入式軟件技術(shù)使稱重儀表具有二次開發(fā)的平臺，在儀表上也可以象在ＰＬＣ或ＰＣ上按需進(jìn)行編程，使稱重儀表能滿足各種不同的工藝需求，更加人性化（圖１為ＡＮＤ－４８２０的界面圖）。網(wǎng)絡(luò)信息化的發(fā)展，要求稱重儀表的接口越來越豐富，在新型ＭＣＵ的支持下，除zui為常用的模擬量（０～１０Ｖ／４～２０ｍＡ）、串口（ＲＳ２３２／ＲＳ４８５）外，現(xiàn)在越來越多的Ｐｒｏｆｉ－ＢＵＳ，ＭＯＤ－ＢＵＳ，以及工業(yè)以太網(wǎng)等通訊接口均已在稱重儀表上實(shí)現(xiàn)。

      通訊接口的豐富，極大方便了稱重儀表與ＰＬＣ和ＰＣ等上位機(jī)系統(tǒng)的通訊。為方便數(shù)據(jù)存儲功能，現(xiàn)在新開發(fā)的稱重儀表已經(jīng)開始配備大容量存儲器，如微機(jī)硬盤以及可熱拔插的外置存儲器如ＣＦ卡、ＳＤ卡等，便于用戶將ＰＣ上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到ＰＣ上，或者到ＰＣ上進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。

      未來稱重儀表的發(fā)展趨勢

      未來稱重儀表從總體上講將根據(jù)稱重工藝的要求，研發(fā)和生產(chǎn)針對性更強(qiáng)的專業(yè)儀表，功能方面朝著實(shí)現(xiàn)多物理量，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力方向發(fā)展，可靠性、智能化、功能多樣化、網(wǎng)絡(luò)化、人性化，也是未來稱重儀表的發(fā)展趨勢；除了滿足稱重工藝的不斷發(fā)展需求外，稱重儀表在易用性方面也會有較大的突破“傻瓜式”儀表在不久的將來將廣泛應(yīng)用在各，種稱重場合。

      １。智能化

      隨著嵌入式系統(tǒng)運(yùn)算能力的大幅提升，以及嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用，使得許多的控制算法可以應(yīng)用到儀表上，例如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、迭代控制等等。使得儀表具有對各種工控環(huán)境自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的能力，從而使人們的操作更加方便，控制效果更加理想。

      ２。功能多樣化

      以前的儀表功能單一，而現(xiàn)代的儀表趨向于把以前整個(gè)控制系統(tǒng)放到儀表中。其中常常包括歷史數(shù)據(jù)存儲和回放，ＡＤ４８２０之類的儀表已相當(dāng)于高速信號采集器、無紙記錄儀、觸摸屏式人機(jī)界面、智能控制器、可編程邏輯控制器等的綜合。隨著技術(shù)的發(fā)展，這樣的需求會更加大。功能多樣化還表現(xiàn)為儀表向通用性、多用途方向發(fā)展。像ＡＤ４８２０和Ｆ８０５之類的表，只需要更換不同的板卡及軟件可實(shí)現(xiàn)皮帶秤、累加秤、失重秤、重量分選秤、減量秤等多種應(yīng)用。極大地方便了生產(chǎn)和使用。同時(shí)也降低了成本。

      ３。網(wǎng)絡(luò)化隨著現(xiàn)在工業(yè)電子技術(shù)水平的發(fā)展，對信息共享的需求越來越高，從而對工業(yè)稱重儀表的網(wǎng)絡(luò)化要求也在提高。這包括兩個(gè)方面：

      ①由多個(gè)稱重儀表以主從模式組成的獨(dú)立的控制網(wǎng)絡(luò)。

      ②儀表作為大型控制網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，通過總線或以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)與ＤＣＳ系統(tǒng)或ＭＩＳ系統(tǒng)連網(wǎng)。

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