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1 動(dòng)態(tài)測(cè)量

動(dòng)態(tài)稱重測(cè)力狀態(tài), 它們的特征主要可以歸納為:

( 1) 被測(cè)對(duì)象處于非靜止動(dòng)態(tài),即被稱重或測(cè)力的物體在運(yùn)動(dòng);

( 2) 測(cè)量環(huán)境處于非靜止?fàn)顟B(tài),即稱重測(cè)力計(jì)量?jī)x器置于其中的測(cè)量床身、 臺(tái)面或支架等在運(yùn)動(dòng);

( 3) 在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速測(cè)量,即測(cè)量時(shí)間短于稱重測(cè)力計(jì)量?jī)x器的調(diào)定時(shí)間。

為了進(jìn)行快速、 連續(xù)、 準(zhǔn)確的測(cè)量, 求得被測(cè)量的穩(wěn)態(tài)示值, 就要求對(duì)稱重測(cè)力傳感器、 信號(hào)適調(diào)、 處理、 顯示、 記錄及由此而組成的動(dòng)態(tài)稱重測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行正確的描述和分析, 還要求削減動(dòng)態(tài)測(cè)量的不確定度、 提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、 解除多分量間的耦合, 進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。比如對(duì)動(dòng)態(tài)吊秤, 有人提出為削弱縱向振動(dòng)所致的高頻干擾, 可進(jìn)行橋式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與閥值動(dòng)態(tài)補(bǔ)償; 為削弱橫向擺動(dòng)所致的低頻干擾, 可進(jìn)行三點(diǎn)式補(bǔ)償?shù)?。又如為提高腕力傳感器的?dòng)態(tài)品質(zhì), 可先按主分量通道的特性要求設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器, 再按多分量解耦要求設(shè)計(jì)解耦環(huán)節(jié), 以便既能快速跟蹤輸入信號(hào), 提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度, 又能去除耦合信號(hào), 提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

傳感器部分是測(cè)量系統(tǒng)的輸入端, 它與被測(cè)的重量或力、 過(guò)程或系統(tǒng)相連接, 并給出一個(gè)取決于被測(cè)量的輸出信號(hào)。信號(hào)適調(diào)部分則將傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行加工, 例如將電阻變換為電壓或電流、 信號(hào)放大或衰減、 濾波、 調(diào)制與解調(diào)、 阻抗變換、 線性化及轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼信號(hào)等, 以便成為適宜于進(jìn)一步處理的形式。信號(hào)處理部分接受適調(diào)部分輸出的信號(hào), 并對(duì)其進(jìn)行必要的運(yùn)算而轉(zhuǎn)換成適宜于顯示或記錄的信號(hào)。顯示、 記錄部分是測(cè)量系統(tǒng)的輸出端或終端,能以觀測(cè)者便于認(rèn)識(shí)或顯示出或記錄下重量或力值。

稱重測(cè)力系統(tǒng)的上述四個(gè)組成部分的劃分是相對(duì)的, 有時(shí)甚至可以不存在中間部分或某部分不止一次出現(xiàn), 但是對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行稱重、測(cè)力并給出具體量值的基本功能必須予以保證, 也包括保證靜態(tài)與動(dòng)態(tài)計(jì)量特性、 安全性能及消費(fèi)者利益的專用功能在內(nèi)。一個(gè)稱重測(cè)力系統(tǒng), 可以由若干臺(tái)儀器組成; 也可將全套測(cè)量系統(tǒng)組裝成一臺(tái)整機(jī)。

眾所周知, 動(dòng)態(tài)測(cè)量是指為確定量的瞬時(shí)值及( 或) 其隨時(shí)間變化所進(jìn)行的測(cè)量, 即被測(cè)量是隨時(shí)間而變化的; 而靜態(tài)測(cè)量則是指測(cè)量期間其值可認(rèn)為是恒定的量的測(cè)量。雖然在動(dòng)態(tài)測(cè)量中, 必須考慮信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間, 即考慮激勵(lì)受到規(guī)定突變的瞬間, 與響應(yīng)達(dá)到并保持其最終穩(wěn)定值在規(guī)定極限內(nèi)的瞬間, 這兩者之間的時(shí)間間隔。而在靜態(tài)測(cè)量中, 通常并不考慮信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間, 只關(guān)注測(cè)量結(jié)果的不確定度和隨時(shí)間的穩(wěn)定性或可靠性。

在研究動(dòng)態(tài)稱重測(cè)力時(shí), 通常的方法是同時(shí)或單獨(dú)測(cè)出對(duì)象的加速度、 位移與速度, 然后用數(shù)值積分方法或直接方法求解稱重測(cè)力過(guò)程的微分方程以求得重量或力值, 另一種方法則是把動(dòng)態(tài)測(cè)量作為一個(gè)參數(shù)估計(jì)和預(yù)測(cè)問題來(lái)處理, 即首先根據(jù)有關(guān)稱重測(cè)力系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí), 推導(dǎo)出一個(gè)含有未知參數(shù)的模型, 然后用該模型去擬合稱重測(cè)力過(guò)渡過(guò)程信號(hào), 從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計(jì)。由于被測(cè)重量或力值可以看成是稱重測(cè)力過(guò)程的終值, 它們可以用模型參數(shù)加以估計(jì)或預(yù)測(cè)出來(lái)。

在動(dòng)態(tài)稱重測(cè)力技術(shù)方面, 盡管傳感器的最新硬件技術(shù)起著重要的作用, 但是基于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型的軟件技術(shù), 對(duì)于設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)測(cè)量的算法來(lái)說(shuō), 卻是更為本質(zhì)和更為重要的。這也就是說(shuō), 應(yīng)當(dāng)利用測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型, 把解決問題的主要精力放在軟件方面; 誠(chéng)然, 硬件和軟件這兩條途徑, 對(duì)于研究動(dòng)態(tài)稱重測(cè)力技術(shù)都是必要的。

2 自動(dòng)在線測(cè)量

在生產(chǎn)過(guò)程中需要快速而簡(jiǎn)單地在線采集和校驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 傳統(tǒng)的抽查方式已不再適用, 有逐漸被在線檢測(cè)取而代之的趨勢(shì)。七十年代末微機(jī)引入稱重計(jì)量?jī)x表, 給稱重技術(shù)的發(fā)展注入了活力。當(dāng)前, 用于在線測(cè)量的自動(dòng)秤, 已不僅僅是為了剔除重量不足的產(chǎn)品, 更是為了進(jìn)行重量控制、 統(tǒng)計(jì)分析與處理。

稱重計(jì)量?jī)x表與計(jì)算機(jī)相聯(lián)后可以編制出生產(chǎn)者想要的書面報(bào)告, 例如實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)的直方圖, 重量的標(biāo)準(zhǔn)偏差, 運(yùn)行的平均值, 相關(guān)的參數(shù)報(bào)告、 統(tǒng)計(jì)報(bào)告以及按時(shí)間、 數(shù)量或重量分類的間隔報(bào)告等。因此,生產(chǎn)者可以在遠(yuǎn)離計(jì)量站的質(zhì)量控制室里, 通過(guò)遙控面板來(lái)改變參數(shù)。

用于重量在線測(cè)量的自動(dòng)秤主要有以下 5 種:

(1) 重力式裝料自動(dòng)秤。根據(jù)OIML ( 國(guó)際法制計(jì)量組織) 第 R61號(hào)國(guó)際建議, 它是通過(guò)自動(dòng)稱量程序, 把物料分成預(yù)定的、 重量恒定的散狀物品( 載荷) 裝入容器的自動(dòng)秤, 通常包括選擇組合秤, 多斗組合秤及減量裝料秤三種。它們主要由一個(gè)或多個(gè)自動(dòng)給料器或者與一個(gè)或多個(gè)稱量單元相關(guān)的裝置, 以及適當(dāng)?shù)目刂蒲b置與卸料裝置組成。

(2) 檢重自動(dòng)秤。根據(jù) OIML第R51 號(hào)國(guó)際建議, 它是對(duì)預(yù)包裝的分離載荷進(jìn)行稱量或?qū)Ψ前b物的載荷進(jìn)行分類的自動(dòng)秤, 國(guó)外直接稱為抓料自動(dòng)秤。其中X( z) 級(jí)秤用于按照 OIML 第 87 號(hào)國(guó)際建議對(duì)包裝品凈含量的稱量; Y( y) 級(jí)秤則用于按照重量對(duì)物品進(jìn)行分類( 例如檢驗(yàn)秤、 分選秤) , 也可以用于按重量對(duì)單個(gè)物品進(jìn)行計(jì)價(jià)打上標(biāo)簽( 例如價(jià)格標(biāo)簽秤) 。

( 3) 連 續(xù)累 計(jì)自動(dòng) 秤。根據(jù)OIML 第 50 號(hào)國(guó)際建議, 它是安裝在皮帶輸送機(jī)的適當(dāng)位置上, 對(duì)散狀物料進(jìn)行連續(xù)、 累計(jì)稱量的自動(dòng)秤, 簡(jiǎn)稱皮帶秤。

( 4) 非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)秤。根據(jù)OIML 第107 號(hào)國(guó)際建議, 它是把一批散料分成若干份分離的、 不連續(xù)的載荷, 按預(yù)定程序依次稱量每一份載荷后分別進(jìn)行累計(jì), 以求得該批物料總量的自動(dòng)秤,簡(jiǎn)稱累計(jì)料斗秤。

( 5) 自動(dòng)軌道衡, 根據(jù) OIML 第106號(hào)國(guó)際建議, 它是在鐵路線上稱量運(yùn)行中貨車重量的一種自動(dòng)秤。其稱量臺(tái)面( 秤臺(tái)) 有足夠的工作長(zhǎng)度,以保證列車通過(guò)臺(tái)面時(shí)有足夠的時(shí)間進(jìn)行有效的采樣。按其計(jì)量方式可分為軸計(jì)量、 轉(zhuǎn)向架計(jì)量以及整車計(jì)量三種。

檢驗(yàn)秤是將不同重量的物品,按其重量與標(biāo)稱設(shè)定值之差, 細(xì)分為兩組或多組的檢重自動(dòng)秤。分選秤則是按給定的重量范圍, 細(xì)分為若干組的檢重自動(dòng)秤。皮帶秤無(wú)需對(duì)物料按重量進(jìn)行細(xì)分, 輸送機(jī)的皮帶可按單一速度或多種速度運(yùn)轉(zhuǎn)。料斗秤在逐次稱量時(shí)物料的重量通常各不相等, 在確定每斗的實(shí)際重量后即進(jìn)行累計(jì), 我國(guó)糧食業(yè)( 例如儲(chǔ)備糧食等) 也稱它為散糧自動(dòng)秤。帶有包裝機(jī)構(gòu)與相關(guān)控制裝置的選擇組合秤包括一個(gè)或多個(gè)稱重單位, 并可計(jì)算出各稱重單元的相應(yīng)載荷及由它們組合而成的灌裝載荷, 在我國(guó)通常稱它們?yōu)槎堪b秤或灌裝秤。自動(dòng)軌道衡已經(jīng)發(fā)展成為軌道載荷、 車輛狀態(tài)安全監(jiān)測(cè)系 統(tǒng), 能在 較快 速 度 F ( 40 ~80km/ h) 測(cè)量車輛的輪重、 軸重、 超載、 偏載、 車輪扁疤, 以及識(shí)別車輪嚴(yán)重減載可能危及的行車安全, 從而為列車提速、 保障安全提供了檢測(cè)手段。

以上不同種類的自動(dòng)秤, 在重量、 力值、 載荷的自動(dòng)在線測(cè)量中各具特色, 發(fā)揮著不同的作用。

3． 模型化測(cè)量

稱重測(cè)力儀器作為一種常用的計(jì)量測(cè)試設(shè)備, 可以認(rèn)為近百年來(lái)經(jīng)歷了 4 個(gè)階段: 首先是半個(gè)多世紀(jì)的機(jī)械式的模擬儀器時(shí)代, 接著是機(jī)電式的電氣儀器和電子儀器時(shí)代, 然后于七十年代末跨入近期的數(shù)字式儀器和微機(jī)化儀器時(shí)代, 隨之而來(lái)的便是九十年代開始進(jìn)入模型化測(cè)量( MBM) 儀器的新時(shí)代。

這是因?yàn)槿藗儾粌H要求得到測(cè)量結(jié)果, 還要求對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 即對(duì)被測(cè)的重量和力值進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)、 診斷或趨勢(shì)分析。人們實(shí)際面對(duì)的, 常常是需要實(shí)時(shí)測(cè)量的、 多變量的動(dòng)態(tài)過(guò)程或系統(tǒng)。所以, 僅僅采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法及數(shù)值處理手段是不夠的, 而需要借助于模型建立和參數(shù)估計(jì), 以實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量。

智能稱重測(cè)力儀器與微機(jī)化稱重測(cè)力儀器的顯著區(qū)別, 就在于智能儀器中無(wú)論是學(xué)習(xí)、 推理、 判斷或自適應(yīng)等功能, 均需要各種數(shù)學(xué)模型構(gòu)成的知識(shí)層, 在這個(gè)層面上, 需要學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn), 獲取與記憶知識(shí), 推理、 判斷與解決問題。例如需要進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償、 自動(dòng)校準(zhǔn)、 自選量程、自尋故障、 雙向通信以及適應(yīng)外界環(huán)境等。具有這樣能力的測(cè)量, 方可稱作是智能化測(cè)量。

事實(shí)上, 利用數(shù)學(xué)模型或模型化測(cè)量的稱重測(cè)力方法是很有前途的。它把測(cè)量視為一個(gè)過(guò)程, 把計(jì)量?jī)x器視為一個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)事先掌握的信息即先驗(yàn)知識(shí), 以及實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)即后驗(yàn)知識(shí), 利用系統(tǒng)辨識(shí)來(lái)建立計(jì)量?jī)x器的數(shù)學(xué)模型, 并通過(guò)相應(yīng)的算法來(lái)處理數(shù)據(jù)和全面地描述儀器, 從而對(duì)其性能進(jìn)行狀態(tài)估計(jì), 或通過(guò)軟件來(lái)改善計(jì)量?jī)x器的硬件環(huán)境。

模型化測(cè)量為解決日趨復(fù)雜的動(dòng)態(tài)測(cè)量問題開辟了一條新路。例如, 稱重系統(tǒng)采用二階系統(tǒng)的自回歸滑動(dòng)平均模型, 借助于這個(gè)模型和遞推的最小二乘法即RLS, 即可由極短的稱重階躍響應(yīng), 估計(jì)出模型參數(shù)和被稱的重量。仿真計(jì)算表明, 在輸入端有白噪聲干擾時(shí), 可用RLS 估計(jì)出重量。該法要求的測(cè)量時(shí)間很短, 通常不超過(guò)一個(gè)振蕩周期即可得到良好的結(jié)果。

在微機(jī)化稱重測(cè)力儀器中, 目前也有引入知識(shí)模型而構(gòu)成專家系統(tǒng),即把優(yōu)秀的稱重測(cè)力專家的思維過(guò)程固化到測(cè)量程序的軟件中, 與計(jì)算機(jī)修正程序結(jié)合起來(lái), 進(jìn)而提高計(jì)量?jī)x器的測(cè)試能力和故障檢測(cè)能力。由此可見, 測(cè)量軟件對(duì)于稱重測(cè)力技術(shù)未來(lái)發(fā)展的意義不可低估。

4． 數(shù)字化測(cè)量

為了適應(yīng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的需要, 在動(dòng)態(tài)稱重測(cè)力系統(tǒng)中, 為系統(tǒng)輸入端的傳感器至關(guān)重要。特別在需要智能化的場(chǎng)合, 傳感器的直接或間接數(shù)字化已必不可少, 此時(shí)測(cè)量不確定度和測(cè)量速度往往是一對(duì)矛盾, 兩者很難兼得, 而須根據(jù)實(shí)際情況作折衷選擇。在稱重測(cè)力領(lǐng)域,我國(guó)目前大量生產(chǎn)和應(yīng)用的都是傳統(tǒng)的模擬式傳感器。模擬信號(hào)的輸出較小, 以生產(chǎn)量最大的、 采用電阻應(yīng)變?cè)淼姆Q重測(cè)力傳感器為例,一般最大輸出為 30~ 40mV, 故其信號(hào)受易射頻干擾和電磁干擾, 電纜傳輸距離也短, 通常在 10m 以內(nèi)。

而同樣是電阻應(yīng)變式的數(shù)字化傳感器, 其輸出信號(hào)可達(dá) 4V, 是模擬式傳感器的 100 倍。強(qiáng)信號(hào)電纜傳輸距離可在 150m, 附加電源后則可超過(guò) 600m。

人們一直在為改善模擬式稱重測(cè)力傳感器性能所需的各種補(bǔ)償而耗時(shí)耗力, 特別是在尋求廉價(jià)的靈敏度溫度補(bǔ)償, 零點(diǎn)溫度補(bǔ)償, 非線性補(bǔ)償、 滯后補(bǔ)償、蠕變補(bǔ)償, 以及它們之間可能存在的交互( 耦合) 作用的補(bǔ)償機(jī)理和補(bǔ)償辦法。而數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)卻為此提供了新的解決途徑,因?yàn)榧词故腔谖⑻幚頇C(jī)的數(shù)字化傳感器也能夠通過(guò)線路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償。

在使用多個(gè)傳感器并聯(lián)的容器稱重系統(tǒng)( 料斗秤或配料秤) 、 平臺(tái)稱重系統(tǒng)或秤橋( 汽車衡或軌道衡)中, 利用數(shù)字系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)/ 自校準(zhǔn)0。這是因?yàn)槎嗤ǖ赖臄?shù)字傳感器系統(tǒng), 不存在阻抗匹配問題; 用戶輸入各傳感器的地址、 秤量和靈敏度, 即可自動(dòng)進(jìn)行秤的/ 四角0或/ 邊角0平衡, 不必一次次地反復(fù)調(diào)整, 而在模擬系統(tǒng)中多個(gè)傳感器并聯(lián)接線后,每個(gè)傳感器的特性就不再是可辨別的了, 校準(zhǔn)時(shí)需要在每一個(gè)傳感器上施加砝碼并利用接線盒中的分壓器進(jìn)行調(diào)整; 由于調(diào)整時(shí)存在著交互作用, 因而需反復(fù)多次。在數(shù)字系統(tǒng)中, 則允許分別復(fù)核作為單體的每一個(gè)傳感器。實(shí)際上, 校準(zhǔn)裝有數(shù)字傳感器系統(tǒng)的秤所花費(fèi)的時(shí)間, 僅為模擬系統(tǒng)的1/ 4。

利用數(shù)字系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)/ 自診斷0, 即診斷程序會(huì)連續(xù)地檢查各傳感器信號(hào)是否中斷、 輸出是否明顯超出范圍等。若有問題, 在儀表或控制器面板上會(huì)自動(dòng)顯示或報(bào)警,用戶利用面板上的鍵即可尋找各個(gè)傳感器, 獨(dú)立地確定問題原因并進(jìn)行故障排除。這種直覺診斷和故障排除能力, 對(duì)用戶顯然是一種重要優(yōu)點(diǎn); 而在模擬傳感器系統(tǒng)中則是很難以低成本實(shí)現(xiàn)的。

在稱重測(cè)力領(lǐng)域中, 典型模擬傳感器系統(tǒng)的模數(shù)變換器有 16 比特, 即有 50 000 個(gè)可用計(jì)數(shù); 而數(shù)字系統(tǒng)中每一個(gè)傳感器的分辨率為 20比特, 即有 1 000 000 個(gè)可用計(jì)數(shù)。所以, 一個(gè)裝有 4 個(gè)數(shù)字傳感器的系統(tǒng)即可提供 4 000 000 個(gè)計(jì)數(shù)的分辨率。這種高分辨率的優(yōu)點(diǎn), 特別適用于秤架自重大而被稱物重量小的場(chǎng)合。例如在配料稱重系統(tǒng)中, 有時(shí)其中某配方的物料僅占很小比例, 但準(zhǔn)確度要求卻仍然很高。這在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)中同樣是很難實(shí)現(xiàn)的。

目前, 傳感器數(shù)字化的方式通常有兩種。一種是將 A/ D 變換連同前級(jí)的放大、 濾波及后級(jí)的微處理機(jī)芯片、 溫度敏感元件等一起, 放在傳感器殼體的內(nèi)部, 形成一個(gè)整體。由于傳感器的輸出已經(jīng)是數(shù)字信號(hào), 所以稱重儀表中的模擬信號(hào)處理單元可以取消, 其結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。另一種是傳感器本身一切照舊, 而只是將 A/ D變換等放到附近的接線盒( Module,也稱模塊) 中。前者稱為整體型, 后者稱為分離型。一臺(tái)普通的雙剪切梁傳感器大約包括 11 個(gè)電子元件,共有 30個(gè)焊點(diǎn)。變成整體的數(shù)字式傳感器后, 目前包括約 60 個(gè)電子元件和 350 個(gè)以上焊點(diǎn)。傳感器的平均無(wú)故障時(shí)間( MTBF) 是與其包含的電子元件數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)成反比的, 因而整體型數(shù)字稱重傳感器的可靠性顯然有所下降。

分散型數(shù)字稱重傳感器, 或確切地說(shuō)數(shù)字稱重系統(tǒng), 用基于微處理機(jī)的數(shù)字傳感器模塊替代了通常的接線盒。每個(gè)傳感器信號(hào)的高速和高分辨率的 A/ D 變換, 就是在此模塊中完成的, 最多可以接 12 只傳感器。數(shù)據(jù)或資料被數(shù)字化后, 通過(guò)串行通信接口, 傳輸?shù)? 數(shù)字過(guò)程稱重控制器0。這種光耦合式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或資料的連結(jié), 可傳輸高電平數(shù)字信號(hào)而不受射頻干擾和電磁干擾等電噪聲的任何影響。

顯然, 分散型方式更適宜于在原有模擬稱重系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 不必更換傳感器就可以向數(shù)字稱重系統(tǒng)發(fā)展, 不失為對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)改造的一條捷徑?？梢灶A(yù)見, 數(shù)字傳感器和數(shù)字稱重測(cè)力系統(tǒng)在我國(guó)的發(fā)展將會(huì)是很快的。

 

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