稱重傳感器是當前應(yīng)用為廣泛的稱量器件之一。隨著科技的發(fā)展，對工業(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，其度的檢測變得越來越重要。傳統(tǒng)的檢測方法是使用高萬用表測量稱重傳感器的輸出電壓，再由人工記錄檢測數(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自動檢測系統(tǒng)，使用可編程控制器（PLC）控制機械手完成檢測過程中的壓力加載和卸載動作，并利用工控機通過高數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，能高速檢測32路稱重傳感器的輸出電壓，實現(xiàn)了稱重傳感器檢測過程的自動化。

1、高稱重傳感器自動檢測系統(tǒng)設(shè)計原理

1.1 稱重傳感器的測試原理

稱重傳感器的測試流程如圖1所示。稱重傳感器的電壓輸出范圍為0～30mV.檢測標準主要有：未受力的零點電壓U0≤5mV;20min前后輸出電壓變化范圍和受力過程中電壓和電壓變化不超過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.整個測試過程中所有輸出電壓符合以上測試標準，則說明傳感器度達到要求，性能良好;否則，傳感器不能準確反映出所受壓力，線性誤差大，傳感器不合格。

1.2 稱重傳感器檢測數(shù)據(jù)分析

在傳統(tǒng)檢測中，通常使用高萬用表測量傳感器的輸出電壓，工作人員讀表記錄數(shù)據(jù)。其缺點是每次只能讀取一支傳感器的數(shù)據(jù)，而且每次切換測試機臺時，萬用表需要3s的穩(wěn)定時間才能讀數(shù)，記錄數(shù)據(jù)需要1s時間。導(dǎo)致結(jié)果產(chǎn)生很大的時間誤差，進而影響了合格品的判定。例如當讀取U5時，1號機臺讀取到的是1號傳感器5min時的值，而讀到32號機臺時，實際時間已經(jīng)進行到了（3s+1s）×32路+5min=422s，也就是說32號機臺上的傳感器的U5并不是5min時的電壓，而是422s的電壓。從第1路到第32路，產(chǎn)生了122s的時間誤差。稱重傳感器自動檢測系統(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間降低到幾秒鐘之內(nèi)，解決了傳統(tǒng)檢測中的時間誤差問題。

圖1 稱重傳感器測試流程圖

由測試標準可以看出，稱重傳感器的輸出模擬信號變化范圍較小，模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）較高，為1μV（10-6V）。因此，必須使用高及性能穩(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位的高采集卡可滿足稱重傳感器自動檢測系統(tǒng)的檢測需要。

1.3 對稱重傳感器的加載壓力與卸載壓力過程

對傳感器加載和卸載壓力是整個檢測過程中必不可少的工作程序。如果使用人工施力和卸力，操作費時費力，而搬運機械手能模擬人手臂的部分動作，按照設(shè)定的程序?qū)来a進行抓取、搬運操作，不受砝碼重量的限制，能在短時間內(nèi)自動完成加載和卸載過程。機械手的移動使用電磁閥驅(qū)動氣缸來實現(xiàn)，其操作是加載時將砝碼搬至傳感器測試機臺上，卸載時將砝碼搬回原處。搬運機械手加載壓力的工藝流程如圖2，圖中的小方塊代表各個方向的限位開關(guān)，當機械手移動時遇到限位開關(guān)停止當前的運動，進行下一步的運動.1）～8）是加載壓力過程中搬運機械手的運動步驟。卸載壓力過程的機械手運動類似。

圖2 壓力加載流程示意圖

1.4 檢測數(shù)據(jù)的處理

稱重傳感器自動檢測系統(tǒng)能對32路機臺同時進行檢測，30min內(nèi)完成全部檢測過程，生產(chǎn)線統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，一天的檢測數(shù)據(jù)超過400個記錄，一年的檢測數(shù)據(jù)約10萬條。本系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理龐大的檢測數(shù)據(jù)，可以對檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)組合查詢、合格率統(tǒng)計，或?qū)⒉樵兊慕Y(jié)果打印成報表輸出。

2、稱重傳感器自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 稱重傳感器檢測系統(tǒng)硬件選擇

工業(yè)現(xiàn)場比較容易存在粉塵、高溫、潮濕、噪聲、沖擊、振動、各種電磁信號干擾、輻射、腐蝕，要求計算機必須能長期、無故障地連續(xù)運行，一旦發(fā)生故障，能較快地修復(fù)。工控機能提供多個板卡插槽，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)對系統(tǒng)運行的高穩(wěn)定性的要求。因此本系統(tǒng)選用研華工控機作為自動檢測系統(tǒng)主機。

系統(tǒng)需同時檢測32路傳感器的輸出電壓，而高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A/D通過率=（采樣頻率/4）;

3）可選增益：1、2、4、8、16、32、64、128倍，對應(yīng)輸入幅度為：±2500mV、±1250mV、±625mV、±312.5mV、±156.25mV、±78.125mV、±39.0625

mV、±19.53125mV.

因為系統(tǒng)要求檢測分辨率《1μV，所以對于AC6040選用10Hz的采樣頻率和128倍增益.AC6040的4個通道同時工作時，單通道采樣頻率為2.5Hz，忽略工控機對8塊AC6040采集數(shù)據(jù)的處理時間，整個系統(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)計周期短、順控功能強、使用方便和維護簡單等優(yōu)點，可以方便地控制機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點數(shù)60點）控制機械手。

2.2 稱重傳感器檢測系統(tǒng)的設(shè)計框圖與技術(shù)指標

高稱重傳感器自動檢測系統(tǒng)如圖3所示。高稱重傳感器自動檢測系統(tǒng)主要技術(shù)指標如下：

1）系統(tǒng)主機配置：研華工控機一臺（PCA-6180E全長CPU卡，PCA-6114P12無源底板）;OMRON微型PLC-CPM2A一臺。

2）多路數(shù)據(jù)采集：8塊24位A/D采集卡AC6040;同時處理32路機臺的輸出模擬量，檢測機臺路數(shù)可擴充至64路，128路。

3）載荷范圍和檢測范圍：荷載壓力200kg，檢測電壓范圍30mV.

4）系統(tǒng)速度和系統(tǒng)：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 稱重傳感器自動檢測系統(tǒng)框圖

2.3 稱重傳感器檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

該檢測系統(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，進而控制機械手的加載卸載操作，其ADO（ActiveDataObject）編程模型還擁有強大的數(shù)據(jù)庫處理能力。根據(jù)檢測系統(tǒng)的硬件選用和系統(tǒng)功能分析，軟件部分可以分成幾個功能模塊分別實現(xiàn)。主要的功能模塊如下：

圖4 電壓檢測模塊流程圖

1）機械手控制模塊

對傳感器施加和卸載壓力時，該模塊工作。通過RS232端口向PLC發(fā)送監(jiān)控命令。

2）電壓檢測模塊

電壓檢測模塊是系統(tǒng)軟件的模塊，主要功能為采集傳感器各時間段的輸出電壓，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語言直接訪問AC6040的動態(tài)鏈接庫（DLL）acpci.dll，在安裝采集卡驅(qū)動程序時動態(tài)鏈接庫文件同時被安裝在系統(tǒng)目錄下.acpci.dll中提供了多個用于數(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。

工控機通過這些函數(shù)讀取到的數(shù)值與實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：傳感器實際輸出電壓為了保證采集數(shù)據(jù)的準確性，我們在每個時間段都讀取10個電壓值，去掉值和值后取算術(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32路數(shù)據(jù)讀取頻率為2.5Hz，讀取10個電壓值的時間為［1/（2.5Hz）］×10=4s.對比傳統(tǒng)檢測方法，該自動檢測系統(tǒng)不但提高了檢測數(shù)據(jù)的性，而且將每次的檢測時間從原來的122s縮短到4s，減小了時間誤差。系統(tǒng)還考慮了意外斷電情況，設(shè)置了斷點保護功能模塊。如意外斷電，續(xù)電后可以繼續(xù)未正常結(jié)束的檢測過程，從斷點處重新開始數(shù)據(jù)采集和檢測。電壓檢測模塊流程設(shè)計如圖4.

3）數(shù)據(jù)查詢模塊

該模塊完成檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢功能，用戶可以對產(chǎn)品型號、生產(chǎn)日期、檢測日期、合格情況等各項信息進行組合查詢，打印查詢結(jié)果或輸出報表。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，使歷史檢測數(shù)據(jù)不慎被破壞時可以恢復(fù)。

2.4 系統(tǒng)軟件主界面設(shè)計

系統(tǒng)軟件主界面設(shè)計如圖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自動檢測系統(tǒng)集高數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、搬運機械手控制功能于一身，提高了傳感器的檢測效率，避免了人為誤差，節(jié)約了人力資源，實現(xiàn)了檢測流程的自動化;系統(tǒng)軟件界面簡潔、操作簡單、功能完善，為檢測人員帶來了操作上的很大便利。該自動檢測系統(tǒng)目前已正常運行5個月，在生產(chǎn)實踐中表現(xiàn)出了其高效性、高可靠性和高穩(wěn)定性。

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