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　　關(guān)鍵詞:稱重傳感器;高精度A/D采集卡;自動(dòng)檢測(cè)

    稱重傳感器是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的稱量器件之一.隨著科技的發(fā)展,對(duì)工業(yè)衡量、稱量技術(shù)和器材的要求日漸提高,在稱重傳感器的生產(chǎn)過程中,其精確度的檢測(cè)變得越來越重要.傳統(tǒng)的檢測(cè)方法是使用高精度萬用表測(cè)量稱重傳感器的輸出電壓,再由人工記錄檢測(cè)數(shù)據(jù),操作復(fù)雜而且速度慢、誤差大.本文介紹的稱重傳感器高精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng),使用可編程控制器(PLC)控制機(jī)械手完成檢測(cè)過程中的壓力加載和卸載動(dòng)作,并利用工控機(jī)通過高精度數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù),能高速檢測(cè)32路稱重傳感器的輸出電壓,實(shí)現(xiàn)了稱重傳感器檢測(cè)過程的自動(dòng)化.

　　1  高精度稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　1.1  稱重傳感器的測(cè)試原理
    稱重傳感器的測(cè)試流程如圖1所示.稱重傳感器的電壓輸出范圍為0～30mV.檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要有:未受力的零點(diǎn)電壓U0≤5mV;20min前后輸出電壓變化范圍和受力過程中最大電壓和最小電壓變化不超過0.006mV,即Uoe-U0≤0.006mV,Umax-Umin≤0.006mV;受力過程中輸出電壓每間隔5min的變化不超過0.003mV.整個(gè)測(cè)試過程中所有輸出電壓符合以上測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),則說明傳感器精確度達(dá)到要求,性能良好;否則,傳感器不能準(zhǔn)確反映出所受壓力,線性誤差大,傳感器不合格.

　　1.2  稱重傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)分析
    在傳統(tǒng)檢測(cè)中,通常使用高精度萬用表測(cè)量傳感器的輸出電壓,工作人員讀表記錄數(shù)據(jù).其最大缺點(diǎn)是每次只能讀取一支傳感器的數(shù)據(jù),而且每次切換測(cè)試機(jī)臺(tái)時(shí),萬用表需要3s的穩(wěn)定時(shí)間才能讀數(shù),記錄數(shù)據(jù)需要1s時(shí)間.導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生很大的時(shí)間誤差,進(jìn)而影響了合格品的判定.例如當(dāng)讀取U5時(shí),1號(hào)機(jī)臺(tái)讀取到的是1號(hào)傳感器5min時(shí)的精確值,而讀到32號(hào)機(jī)臺(tái)時(shí),實(shí)際時(shí)間已經(jīng)進(jìn)行到了(3s+1s)×32路+5min=422s,也就是說32號(hào)機(jī)臺(tái)上的傳感器的U5并不是5min時(shí)的電壓,而是422s的電壓.從第1路到第32路,產(chǎn)生了122s的時(shí)間誤差.稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用多路數(shù)據(jù)采集卡,可將每路輸出電壓的平均讀取時(shí)間降低到幾秒鐘之內(nèi),解決了傳統(tǒng)檢測(cè)中的時(shí)間誤差問題.

圖1    稱重傳感器測(cè)試流程圖

    由測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可以看出,稱重傳感器的輸出模擬信號(hào)變化范圍較小,模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)精度較高,為1μV(10-6V).因此,必須使用高精度及性能穩(wěn)定的A/D采集卡,A/D分辨率位數(shù)x由2x≥1/10-6解得x≥19.93.即采集卡的A/D分辨率位數(shù)要在20位以上.因此選用24位的高精度采集卡可滿足稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)需要.

　　1.3  對(duì)稱重傳感器的加載壓力與卸載壓力過程
    對(duì)傳感器加載和卸載壓力是整個(gè)檢測(cè)過程中必不可少的工作程序.如果使用人工施力和卸力,操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而搬運(yùn)機(jī)械手能模擬人手臂的部分動(dòng)作,按照設(shè)定的程序?qū)来a進(jìn)行抓取、搬運(yùn)操作,不受砝碼重量的限制,能在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)完成加載和卸載過程.機(jī)械手的移動(dòng)使用電磁閥驅(qū)動(dòng)氣缸來實(shí)現(xiàn),其操作是加載時(shí)將砝碼搬至傳感器測(cè)試機(jī)臺(tái)上,卸載時(shí)將砝碼搬回原處.搬運(yùn)機(jī)械手加載壓力的工藝流程如圖2,圖中的小方塊代表各個(gè)方向的限位開關(guān),當(dāng)機(jī)械手移動(dòng)時(shí)遇到限位開關(guān)停止當(dāng)前的運(yùn)動(dòng),進(jìn)行下一步的運(yùn)動(dòng).1)～8)是加載壓力過程中搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)步驟.卸載壓力過程的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)類似.

圖2    壓力加載流程示意圖

　　1.4  檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理
    稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能一次對(duì)32路機(jī)臺(tái)同時(shí)進(jìn)行檢測(cè),30min內(nèi)完成全部檢測(cè)過程,生產(chǎn)線統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,一天的檢測(cè)數(shù)據(jù)超過400個(gè)記錄,一年的檢測(cè)數(shù)據(jù)約10萬條.本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理龐大的檢測(cè)數(shù)據(jù),可以對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)組合查詢、合格率統(tǒng)計(jì),或?qū)⒉樵兊慕Y(jié)果打印成報(bào)表輸出.

　　2 稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1  稱重傳感器檢測(cè)系統(tǒng)硬件選擇
    工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)比較容易存在粉塵、高溫、潮濕、噪聲、沖擊、振動(dòng)、各種電磁信號(hào)干擾、輻射、腐蝕,要求計(jì)算機(jī)必須能長(zhǎng)期、無故障地連續(xù)運(yùn)行,一旦發(fā)生故障,能較快地修復(fù).工控機(jī)能提供多個(gè)板卡插槽,其較高的防磁、防塵、防沖擊、抗干擾能力,滿足了工業(yè)生產(chǎn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的高穩(wěn)定性的要求.因此本系統(tǒng)選用研華工控機(jī)作為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主機(jī).

    系統(tǒng)需同時(shí)檢測(cè)32路傳感器的輸出電壓,而高精度高分辨率采集卡的數(shù)據(jù)采樣通道一般為4路,系統(tǒng)選用8塊雙諾公司生產(chǎn)的PCI總線系列A/D采集卡AC6040,該采集卡技術(shù)指標(biāo)如下:
　　1)4路雙端模擬差分輸入,24位的高A/D分辨率;
　　2)可選采樣頻率10Hz、25Hz、50Hz、100Hz,4通道時(shí)A/D最大通過率=(采樣頻率/4);
　　3)可選增益:1、2、4、8、16、32、64、128倍,對(duì)應(yīng)輸入幅度為:±2500mV、±1250mV、±625mV、±312.5mV、±156.25mV、±78.125mV、±39.0625mV、±19.53125mV.

    因?yàn)橄到y(tǒng)要求檢測(cè)分辨率<1μV,所以對(duì)于AC6040選用10Hz的采樣頻率和128倍增益.AC6040的4個(gè)通道同時(shí)工作時(shí),單通道采樣頻率為2.5Hz,忽略工控機(jī)對(duì)8塊AC6040采集數(shù)據(jù)的處理時(shí)間,整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取速度約為2.5Hz,滿足系統(tǒng)的工藝要求.

    由于PLC具有可靠性高、程序設(shè)計(jì)周期短、順控功能強(qiáng)、使用方便和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),可以方便地控制機(jī)械手完成施加和卸載壓力的工藝流程,系統(tǒng)選用OMRON公司的微型PLC-CPM2A(I/O點(diǎn)數(shù)60點(diǎn))控制機(jī)械手.

　　2.2  稱重傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖與技術(shù)指標(biāo)
    高精度稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示.高精度稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下:
　　1)系統(tǒng)主機(jī)配置:研華工控機(jī)一臺(tái)(PCA-6180E全長(zhǎng)CPU卡,PCA-6114P12無源底板);OMRON微型PLC-CPM2A一臺(tái).
　　2)多路數(shù)據(jù)采集:8塊24位A/D采集卡AC6040;同時(shí)處理32路機(jī)臺(tái)的輸出模擬量,檢測(cè)機(jī)臺(tái)路數(shù)可擴(kuò)充至64路,128路.
　　3)載荷范圍和檢測(cè)范圍:最大荷載壓力200kg,檢測(cè)電壓范圍30mV.
　　4)系統(tǒng)速度和系統(tǒng)精度:系統(tǒng)數(shù)據(jù)讀取頻率2.5Hz,模數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)24位,分辨率1μV,誤差0.05%.
　　5)系統(tǒng)工作環(huán)境:溫度-10～50℃,220V/50Hz.

圖3 稱重傳感器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)框圖

　　2.3  稱重傳感器檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    該檢測(cè)系統(tǒng)選用VB語言作為軟件開發(fā)工具.VB提供的串行通信控件Mscomm可以方便地通過串口控制PLC,進(jìn)而控制機(jī)械手的加載卸載操作,其ADO(ActiveDataObject)編程模型還擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)處理能力.根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件選用和系統(tǒng)功能分析,軟件部分可以分成幾個(gè)功能模塊分別實(shí)現(xiàn).主要的功能模塊如下:

圖4    電壓檢測(cè)模塊流程圖

　　1)機(jī)械手控制模塊
    對(duì)傳感器施加和卸載壓力時(shí),該模塊工作.通過RS232端口向PLC發(fā)送監(jiān)控命令.

　　2)電壓檢測(cè)模塊
    電壓檢測(cè)模塊是系統(tǒng)軟件的核心模塊,主要功能為采集傳感器各時(shí)間段的輸出電壓,并判斷傳感器是否合格.VB不能直接訪問I/O端口,采集卡生產(chǎn)商雙諾公司提供了用于高級(jí)語言直接訪問AC6040的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)acpci.dll,在安裝采集卡驅(qū)動(dòng)程序時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件同時(shí)被安裝在系統(tǒng)目錄下.acpci.dll中提供了多個(gè)用于數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用程序接口(API)函數(shù),其中AC_6040_INIT函數(shù)初始化AC6040,獲得采集卡AC6040的數(shù)量和識(shí)別ID,AC_6040_CH函數(shù)用于切換AD采樣通道,AC_6040_AD函數(shù)用于讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值.
   
    工控機(jī)通過這些函數(shù)讀取到的數(shù)值與實(shí)際傳感器的輸出電壓的轉(zhuǎn)換公式如下:U=2500*(Data-800 000H)/800 000H/G(mV)其中，Data:采集卡采集的數(shù)據(jù),G:系統(tǒng)設(shè)置的放大倍率(在此G=128),U:傳感器實(shí)際輸出電壓為了保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,我們?cè)诿總€(gè)時(shí)間段都讀取10個(gè)電壓值,去掉最大值和最小值后取算術(shù)平均值作為輸出電壓值,則得到的電壓值為:U=(∑8i=1Ui)/8.

    系統(tǒng)對(duì)32路數(shù)據(jù)讀取頻率為2.5Hz,讀取10個(gè)電壓值的時(shí)間為[1/(2.5Hz)]×10=4s.對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)方法,該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)不但提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確性,而且將每次的檢測(cè)時(shí)間從原來的122s縮短到4s,減小了時(shí)間誤差.系統(tǒng)還考慮了意外斷電情況,設(shè)置了斷點(diǎn)保護(hù)功能模塊.如意外斷電,續(xù)電后可以繼續(xù)未正常結(jié)束的檢測(cè)過程,從斷點(diǎn)處重新開始數(shù)據(jù)采集和檢測(cè).電壓檢測(cè)模塊流程設(shè)計(jì)如圖4.

　　3)數(shù)據(jù)查詢模塊
    該模塊完成檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢功能,用戶可以對(duì)產(chǎn)品型號(hào)、生產(chǎn)日期、檢測(cè)日期、合格情況等各項(xiàng)信息進(jìn)行組合查詢,打印查詢結(jié)果或輸出報(bào)表.系統(tǒng)還可定期將備份數(shù)據(jù)導(dǎo)出到后備硬盤或光盤,使歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)不慎被破壞時(shí)可以恢復(fù).

　　2.4  系統(tǒng)軟件主界面設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件主界面設(shè)計(jì)如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)軟件主界面

　　3  結(jié)束語

    我們?yōu)槟彻S研制的稱重傳感器高精度自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)集高精度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、搬運(yùn)機(jī)械手控制功能于一身,提高了傳感器的檢測(cè)效率,避免了人為誤差,節(jié)約了人力資源,實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)流程的自動(dòng)化;系統(tǒng)軟件界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單、功能完善,為檢測(cè)人員帶來了操作上的很大便利.該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)目前已正常運(yùn)行5個(gè)月,在生產(chǎn)實(shí)踐中表現(xiàn)出了其高效性、高可靠性和高穩(wěn)定性.

來源：賽斯維傳感器網(wǎng)

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