称重传感器高精度自动检测系统设计

称重传感器是当前应用最为广泛的称量器件之一.随着科技的发展,对工业衡量、称量技术和器材的要求日渐提高,在称重传感器的生产过程中,其精确度的检测变得越来越重要.传统的检测方法是使用高精度万用表测量称重传感器的输出电压,再由人工记录检测数据,操作复杂而且速度慢、误差大.本文介绍的称重传感器高精度自动检测系统,使用可编程控制器(PLC)控制机械手完成检测过程中的压力加载和卸载动作,并利用工控机通过高精度数据采集卡采集数据,能高速检测32路称重传感器的输出电压,实现了称重传感器检测过程的自动化.

1高精度称重传感器自动检测系统设计原理

1.1 称重传感器的测试原理

称重传感器的测试流程如图1所示.称重传感器的电压输出范围为0～30mV.检测标准主要有:未受力的零点电压U0≤5mV;20min前后输出电压变化范围和受力过程中最大电压和最小电压变化不超过0.006mV,即Uoe-U0≤0.006mV,Umax-Umin≤0.006mV;受力过程中输出电压每间隔5min的变化不超过0.003mV.整个测试过程中所有输出电压符合以上测试标准,则说明传感器精确度达到要求,性能良好;否则,传感器不能准确反映出所受压力,线性误差大,传感器不合格.

1.2 称重传感器检测数据分析

在传统检测中,通常使用高精度万用表测量传感器的输出电压,工作人员读表记录数据.其最大缺点是每次只能读取一支传感器的数据,而且每次切换测试机台时,万用表需要3s的稳定时间才能读数,记录数据需要1s时间.导致结果产生很大的时间误差,进而影响了合格品的判定.例如当读取U5时,1号机台读取到的是1号传感器5min时的精确值,而读到32号机台时,实际时间已经进行到了(3s+1s)×32路+5min=422s,也就是说32号机台上的传感器的U5并不是5min时的电压,而是422s的电压.从第1路到第32路,产生了122s的时间误差.称重传感器自动检测系统使用多路数据采集卡,可将每路输出电压的平均读取时间降低到几秒钟之内,解决了传统检测中的时间误差问题.


图1称重传感器测试流程图

由测试标准可以看出,称重传感器的输出模拟信号变化范围较小,模数转换(A/D)精度较高,为1μV(10-6V).因此,必须使用高精度及性能稳定的A/D采集卡,A/D分辨率位数x由2x≥1/10-6解得x≥19.93.即采集卡的A/D分辨率位数要在20位以上.因此选用24位的高精度采集卡可满足称重传感器自动检测系统的检测需要.

1.3 对称重传感器的加载压力与卸载压力过程

对传感器加载和卸载压力是整个检测过程中必不可少的工作程序.如果使用人工施力和卸力,操作费时费力,而搬运机械手能模拟人手臂的部分动作,按照设定的程序对砝码进行抓取、搬运操作,不受砝码重量的限制,能在短时间内自动完成加载和卸载过程.机械手的移动使用电磁阀驱动气缸来实现,其操作是加载时将砝码搬至传感器测试机台上,卸载时将砝码搬回原处.搬运机械手加载压力的工艺流程如图2,图中的小方块代表各个方向的限位开关,当机械手移动时遇到限位开关停止当前的运动,进行下一步的运动.1)～8)是加载压力过程中搬运机械手的运动步骤.卸载压力过程的机械手运动类似.

图2压力加载流程示意图

1.4 检测数据的处理

称重传感器自动检测系统能一次对32路机台同时进行检测,30min内完成全部检测过程,生产线统计数据表明,一天的检测数据超过400个记录,一年的检测数据约10万条.本系统使用数据库系统管理庞大的检测数据,可以对检测数据实现组合查询、合格率统计,或将查询的结果打印成报表输出.

2 称重传感器自动检测系统设计

2.1 称重传感器检测系统硬件选择

工业现场比较容易存在粉尘、高温、潮湿、噪声、冲击、振动、各种电磁信号干扰、辐射、腐蚀,要求计算机必须能长期、无故障地连续运行,一旦发生故障,能较快地修复.工控机能提供多个板卡插槽,其较高的防磁、防尘、防冲击、抗干扰能力,满足了工业生产对系统运行的高稳定性的要求.因此本系统选用研华工控机作为自动检测系统主机.

系统需同时检测32路传感器的输出电压,而高精度高分辨率采集卡的数据采样通道一般为4路,系统选用8块双诺公司生产的PCI总线系列A/D采集卡AC6040,该采集卡技术指标如下:

1)4路双端模拟差分输入,24位的高A/D分辨率;
2)可选采样频率10Hz、25Hz、50Hz、100Hz,4通道时A/D最大通过率=(采样频率/4);
3)可选增益:1、2、4、8、16、32、64、128倍,对应输入幅度为:±2500mV、±1250mV、±625mV、±312.5mV、±156.25mV、±78.125mV、±39.0625mV、±19.53125mV.

因为系统要求检测分辨率∑8i=1Ui)/8.

系统对32路数据读取频率为2.5Hz,读取10个电压值的时间为[1/(2.5Hz)]×10=4s.对比传统检测方法,该自动检测系统不但提高了检测数据的精确性,而且将每次的检测时间从原来的122s缩短到4s,减小了时间误差.系统还考虑了意外断电情况,设置了断点保护功能模块.如意外断电,续电后可以继续未正常结束的检测过程,从断点处重新开始数据采集和检测.电压检测模块流程设计如图4.

3)数据查询模块

该模块完成检测系统的数据查询功能,用户可以对产品型号、生产日期、检测日期、合格情况等各项信息进行组合查询,打印查询结果或输出报表.系统还可定期将备份数据导出到后备硬盘或光盘,使历史检测数据不慎被破坏时可以恢复.

2.4 系统软件主界面设计

系统软件主界面设计如图5所示.


图5 系统软件主界面