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考核小组负责人：

考核小组成员：

选题简介、目的和意义

电子皮带秤是在皮带输送机输送物料过程中，同时进行物料连续、累积称重的一种计量设备[1]，其称重过程连续自动化、无需人工干预，被广泛用于煤炭、冶金、矿山、化工、建材、烟草、港口运输等领域，是这些领域物料称重的重要衡器。

电子皮带秤主要由测重传感器，测速传感器和二次仪表组成。

测重传感器输出瞬时载荷信号，测速传感器输出瞬时输料速度信号，两路信号通过二次仪表内部的乘法电路，得出瞬时流量值，继续通过积分电路后，可计算出累计重量值。

随着现代化智能测试监控系统的发展，这种基于模拟乘法、积分放大电路的传统二次仪表已经不符合人们对电子皮带秤继续发展的要求。

目前还被广泛应用的这些电子皮带秤传统二次仪表，只具备对自动称重过程物料瞬时流量和累计重量的测量、显示，对象单一。

其信号的处理能力差，精度较低，而且易受电磁干扰。

它的智能化程度低，只能给出测量结果而不能对自动测重过程进行实时监控，不利于人们完全掌握称重过程中的各种动态、瞬态信息（包括偶发的称重故障等）；

不利于提供大量信息定位和补偿电子皮带秤的所有误差源，提高测量准确度，致使国内大多数企业用电子皮带秤的测量准确度一直维持在1.0%或以下水平并难以提高[2]。

因此，提出一种智能化程度高、能够处理和反映各类称重动态信息的皮带秤测控系统，显得极为重要。

随着微处理器的发展，人们已经将单片机、ARM等微机系统应用到电子皮带秤二次仪表的设计当中。

由于在皮带秤上加装了其他各种传感器，这类电子皮带秤设备实现了多变量同步测量和显示。

它的数据处理能力有了很大的提升，可以对输料故障作简单的警报和处理，但是仍然存在以下几方面的不足之处：

（1）硬件方面包括电路板、仪器面板固化，若需要使设备增加新的功能，则须对整体硬件进行重新开发，成本很高；

（2）软件方面模块化程度低，开发、更新不方便。

这使得在企业对皮带秤设备的功能提出扩展要求时，就必须重新开发二次仪表的软硬件，耗时长、效率低，并且需要淘汰旧有产品。

为改变这一现状，本课题拟引入虚拟仪器技术，搭建面向烟草行业用电子皮带秤的测控平台。

基于计算机硬件的虚拟仪器可以做到硬件非固化、软件模块化、网络化、升级便捷，从而可延长皮带秤设备的使用寿命。

它可以有效减小信号处理误差，以良好自定义的人机界面智能监控称量过程，多通道采集、显示人们关注的各种参数和警示信号的瞬时变化。

借助其数据存储、管理、波形或表格显示功能，可以更容易地分析物料瞬时流量和累计重量值在时域上随系统各类变量或影响因子（如输料速度、皮带张力、环境温、湿度等）变化的响应曲线，为误差进行数学补偿提供足够信息量，为测重系统测量准确度的提高提供了很大便利。

文献综述

1电子皮带秤概述

皮带秤是一种重要的称重仪表，由于其具有动态测量和自动在线测量等优点，被广泛地应用于产品的定量包装和工业配料等工业现场。

它可以起到减员增效、节支创收的作用，还可以提高管理、提高劳动生产率、降低劳动强度，大大提高了生产的自动化程度。

皮带秤及其相关称重技术的研究一直受到世界各国的普遍关注，进一步采用新技术，开发各种自动称重系统，提高动态称重的准确度，加强网络功能是当今各国发展的重点[3]。

我国的皮带秤等衡器产业己初具规模，在世界衡器贸易中占有一定比例，但高档次衡器产品技术水平落后，积极开发具有自主知识产权的高档次衡器产品对发展我国的衡器产业具有重要意义。

电子皮带秤按称重传感器的工作原理可分为：

电阻应变式皮带秤、差动变压器式皮带秤、压磁式皮带秤、核子式皮带秤和陀螺式皮带秤等[4]。

以秤架结构形式进行分类又可分为：

单托辊式杠杆皮带秤、多托辊式杠杆皮带秤、平行板簧式皮带秤、悬臂式皮带秤、全悬浮式皮带秤等[5]。

目前应用最广泛的是电阻应变式多托辊杠杆皮带秤[6]。

1.1电阻应变称重传感器的测量原理

电阻应变式传感器安装基于惠斯登电桥原理[7]，如图1。

桥路由四片电阻应变片构成，当传感器受力作用时，应变片产生形变，桥臂电阻值发生变化。

由于电桥平衡条件被破坏，当在传感器输入端加上恒定激励电压时，则其输出端产生比例于称重的输出电压，该电压信号即为瞬时载荷信号。

图1电阻应变式传感器结构原理

1.2旋转编码式测速传感器测量原理

物料输送速度常采用旋转编码器来测量，运行中的输送带通过和编码器的摩擦转轮之间的摩擦作用，使其摩擦旋转，摩擦轮的旋转又拖动一个带有小孔的圆盘同步转动。

光在圆盘转动时，间断地阻挡光敏元件接收光线，光敏元件的输出端输出脉冲信号，即瞬时输料速度。

它的大小正比于脉冲的频率[8]。

1.3电子皮带秤二次仪表

传统皮带秤二次仪表一般分为模拟式和数字式两种[9]。

它们将称重传感器在外加重物作用下输出的电信号以重量为单位给出重量示值。

一般来说，电阻应变式称重传感器输出的电信号幅度较小，为此除极个别直接用微安表进行测量外，大多数情况都要把传感器输出的电信号放大、处理后进行指示或显示。

（1）模拟式仪表

模拟式仪表是用仪表指针的行程大小来显示被称物的重量值。

最简单的是采用磁电式仪表（微安表）或附有放大电路的毫伏变送器，也有采用自动平衡式指示仪（指示式或记录式）[10]。

其优点是价格便宜、线路简单，但测量精度及分辨率低。

（2）数字式仪表

在电子称重系统中使用的数字式读取装置常用直流或交流数字电压表，与模拟式读出装置比较，测量精度有所提高，读数直观，没有读数误差，配以数字记录装置后就能自动记录测量值。

主要包括比较式数字电压表和积分式数字电压表两种。

比较式数字电压表将输入的被测电压与仪器内部由数字编码控制的可变基准电压不断进行比较，直至两者相等，这时仪器内部的数字编码即可作为被测电压的数字量。

积分式数字电压表是通过对被测信号电压和内部基准电压的积分，进行模-数变换。

采用积分方式是为了消除串模干扰的交流成分叠加在直流被测信号电压上的影响[11]。

然而，上述的二次仪表测量的对象单一，只能显示瞬时流量和累计流量的数值，对自动物料称重过程环境参数的测量和显示显得力不从心，不能远端实时监控皮带秤是否处于良好的工作状态。

总体概括有以下缺点：

（1）.数据处理精度低；

（2）.智能化程度低；

（3）.不具备多通道、多变量采集和网络传输能力；

为符合现代企业发展的需求，人们开发出了融合多传感器技术和微处理器技术的新型电子皮带秤测量系统，使得皮带秤的发展进入了模型化称量时代[12]。

这类新型称重装置一般在皮带秤加装了温湿度传感器、若干皮带故障侦测传感器；

根据选择的传感器的数量设计硬件电路采集通道数；

它可以根据预先编制的程序对测量进行控制，完成自校准、自动调零、自选量程、自动逻辑判断、自动存取并更改调节值以及自动完成重量的测试；

初步的通信与数据传输能力，可以实现上位机对多台电子皮带秤的统一监控与管理。

比较成功的产品主要有：

瑞士哈斯勒公司的VHRS皮带秤，妙声力公司的BW100皮带秤，美国梅里克公司的MC3和日本尤尼帕斯公司的F805-BC皮带秤。

MC3是世界上第一台带触摸屏的皮带秤，其提供了友好的用户界面，以简单的模拟图画面反映称重过程，并显示趋势图、参数和时间等。

日本尤尼帕斯公司的F805-BC皮带秤也采用了触摸屏做显示终端，能够显示瞬时流量、累计流量、皮带速度、参数趋势曲线图等[13]。

一般来说，这些设备的仪器面板都具备复位、标定、自检、校时、去皮、清除、查询、设置、打印等功能按键。

在国内，徐州三原公司的SY2000-ZJP采用了ARM作为控制器来实现对传感器数据的采集、处理、显示及PID控制并通过RS485与上位机通信[14]。

虽然基于嵌入式微机系统的皮带秤实现智能化和多变量采集的能力比较突出，然而它仍然在开发灵活性、数据存储调取的便捷性、远程可监控性方面显得不足。

2电子皮带秤系统误差的研究

由于工业现场环境通常比较恶劣，电子皮带秤测量准确度的提高一直是人们关注但没有良好解决的问题。

这使得误差的分析和补偿成为本课题研究的重点内容之一。

系统可见的误差源主要包括：

（1）.环境性质的变化：

由于电子皮带秤安装在皮带输送机上，称重过程很难在环境性质发生变化时保持稳定，诸如震动、噪声、电磁场干扰、环境湿度等各类因素都会对系统造成影响[15]。

（2）.“皮带效应”：

由于受皮带重力称量原理决定，皮带秤在连续称重过程中始终存在“皮带效应”。

“皮带效应”涉及诸如称重托辊的非准直度，皮带张力及其变化、皮带运行阻力、皮带刚度、皮带自重的变化、以及皮带输送机的结构性能、皮带速度等方面，其最根本的因素是皮带张力[16]。

（3）.此外，传感器自身性质以及传感器与秤架联接不合理也是导致误差的重要因素[17]。

这些误差源共同造成了电子皮带秤测量的复杂性和准确度远低于静态衡器的现状。

目前，国内外改善测量精度的途径主要有：

日常维护、提高传感器输出精度和研究皮带秤的称量模型。

2.1皮带秤维护理论

瑞典和挪威非常重视皮带秤的现场维护技术，他们将皮带秤作为散料进出口贸易结算的公证秤，使用中的计量准确度可达到±

0.2%[18]。

他们认为，要保持皮带秤的长期稳定性和精度，维护保养非常重要。

保证滚筒和托辊的润滑、调整皮带姿态防止跑偏、保持皮带清洁、拉紧装置工作正常、防物料泄漏、防止皮带意外划伤或皲裂、注重调整荷重传感器和测速传感器与秤架的联接姿态等等这些日常的维护都可以使皮带秤处于较为理想的工作条件下[19]。

然而，对称重现场每日的繁琐维护，加重了人员的负担，这与减员增效、节支创收、加强物料称重过程自动化的企业初衷并不符合。

因而，在定期的适当维护前提下，寻找提高测量准确度的方法，成为国内外相关领域研究的重点。

2.2传感器信号滤波技术

荷重传感器输出信号在毫伏级，因而传输线上耦合进系统的电磁干扰和秤架的机械抖动可以显著地影响测重的结果[20]。

在充分屏蔽二次仪表及相关传输线之后，对采集的信号进行合理的滤波可使噪声达到最小。

Halimic.M引入了线性高斯法（LQG）、卡尔曼滤波（Kalmanfilter）、模糊逻辑估计（Fuzzylogicestimator）方法来解决数据滤波问题[21]。

Almodamesi.S等提出在动态称量过程中，引入特征提取和两层Artificialneuralnetworks方法，实现振动噪声下的称量信号正确估计[22]。

北京化工大学的吕新明等用自适应滤波法来稳定输出信号，使稳态输出基本与真实值相同[23]。

2.3皮带秤体的建模和误差分析理论

针对“皮带效应”，现在采取的普遍做法是将秤架模型化，从构建的模型中寻求解决皮带秤误差问题。

美国Thager衡器公司的F·

Hyer用应变能法建立了皮带秤称重力测量的数学模型[24]。

该模型的数学描述如下：

（1）

式中，F（t）为传感器受力，F0（t）皮带自重，T为皮带张力，D为托辊非准直度，E为弹性模量。

他认为，式中的第一项即为理想物料瞬时荷重，而第二、三项为“皮带效应”引起的误差。

在F·

Hyer的研究基础上，德国H·

Colijn从简支梁假设出发推导出了以下的含误差项的计算公式[25]：

（2）

式中k（x）为皮带刚度系数。

H·

Colijn认为式中第二项能够更好的表示“皮带效应”对称重结果的影响。

武汉大学的孟新焕在假设皮带张力起决定作用的前提下，将测量误差构建为[26]：

（3）

然而，这些建模的最大缺点是把皮带张力看成独立变量，忽略了皮带的各类性质与环境温湿度的关系，从而造成建模结果与真实值存在很大偏差。

事实上，温湿度的差异可以导致皮带张力的显著变化，从而影响到模型和真实称重过程的近似程度。

因此，构建一个含有温湿度参数的数学模型是相关领域理论研究的一个重点方向，而结合实测数据实现曲线的拟合和模型的建立是切实有效的方法。

2.4皮带秤的标定技术

每当一种新型的皮带秤设备设计成型时，都需要对其进行标定。

对用于贸易结算的皮带秤必须通过国家计量检定机构的检定才能使用，但对于企业内部使用的皮带秤一般由使用部门进行标定。

现在常用的标定方法有：

挂码标定、链码标定、实物标定[27]。

3虚拟仪器技术

虚拟仪器以计算机作为仪器的硬件支撑，充分利用计算机的数据运算、存储、回放、调用、显示及文件管理等功能，把传统仪器的专业功能软件化，使之更加紧密的与计算机融为一体，构成一种从外观到功能都与传统仪器相似，但在实现时却主要依赖计算机软硬件资源的全新仪器系统[28]。

目前，虚拟仪器产品已经占有了世界仪表仪器市场10%左右，世界500强的企业中有85%的制造控制性企业在应用NI的产品，全世界超过5000个实验室在利用LabVEIW和虚拟仪器研发最新的测量和设计技术[29~30]，其技术已经非常成熟。

基于虚拟仪器设计和开发的测控平台已在汽油机缸压采集分析系统、摩托车振动优化控制、转矩自动测试系统、锅炉监控、水电机组振动状态监测等等领域取得了极佳的应用效果[31~35]

长春理工大学的王慧博针对轻武器动态信号的特点，引入虚拟仪器技术对枪械在高温、低温和振动、冲击等实战状态下的部件的性能进行了测试，突破了以往大数据量枪械参数动态采集、分析、显示难的瓶颈，对轻武器实战维护提供了很好的数值依据[36]。

甘肃农业大学的刘方，利用虚拟仪器技术，对农作物生产过程的各种环境因子进行信息采集、分析与控制，以合理有效的实验手段获得较为精确的控制效果，以消除对作物生长不利的环境因素来促进作物生长，使其部分或全部克服外界气候的制约，从而缩短农作物的生长周期，提高了作物的产量，获得了可观的经济效益[37]。

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（1）:

427-430

主要研究内容

本课题拟将虚拟仪器技术应用于电子皮带秤的物料称量系统，开发对称重过程进行实时监控的虚拟仪器软硬件平台；

在平台搭建的基础上，分析皮带秤系统各影响因子对测量准确度的影响程度，寻找称重系统误差补偿的方法，提高物料瞬时流量与累计重量的测量准确度。

图1所示为拟搭建的虚拟仪器测控平台示意图。

图1拟搭建的虚拟仪器测控平台示意图

1.搭建虚拟仪器测控系统的软硬件平台

需要搭建的平台硬件部分主要为测试控制柜。

它是整个系统的核心，内置工控计算机、系统配电单元、外接传感器供电单元、对外接线端子等。

测试柜需要做到可携带、可复用，以保证现场测试灵活、便捷。

工控计算机由实时嵌入式控制器、若干实现具体功能的板卡（如计数器模块、RS485通信模块、数字I/O模块）、背板和机箱组成。

控制器拟采用Windows或实时系统完成实时控制。

合理选择虚拟仪器板卡，拟使连续称重系统具备瞬时载荷信号、瞬时输料速度信号、皮带跑偏信号、环境温湿度信号的采集、滤波存储功能，具备对输料速度执行PID控制以及对若干开关量和报警模块的控制功能。

图2传统虚拟仪器硬件示意图

仪器面板外观、按键的功能和数目、所关注的影响因子的显示与存储回放、物料流量和累计重量的积算及显示、皮带秤故障的报警和排除等等均需通过虚拟仪器应用软件程序的编写实现。

软件实现框图见图3所示。

通过编程，拟使虚拟仪器面板在同步显示物料传输速率、瞬时物料流量、累计重量、环境温湿度等之外，还能对物料传输速率进行PID调节，同时可进行通道设置、量程选择、滤波选择、采样频率设置、传感器参数设置（如桥路配置等）、自动调零、量程调整等操作。

图3软件实现框图

虚拟仪器系统良好的网络性能将使电子皮带秤拥有良好的联网、通信能力，有益与电子皮带秤间的通信与数据传输，更有益于实现主控机对多台电子皮带秤进行统一的监控与管理；

同时，单一的虚拟仪器控制平台只需在软件方面进行参数的适度修改，就能普遍应用于多台不同型号的皮带秤设备，实现工业现场自动测试系统可搬移，可复用。

基于LabVIEW图形化编程语言，开发灵活、周期短、更新方便、可移植性强，可延长电子皮带秤的使用寿命。

2.物料累积重量计算公式的误差补偿

物料瞬时流量w（t）为皮带有效称重区域内每单位长度上物料重量q（t）与瞬时输料速度v（t）的乘积。

即

物料累计重量W为皮带秤启动测试后的T时间内瞬时流量对时间的积分。

即：

:

其中q（t）可描述为有效称重区瞬时载荷P（t）除以有效称重区长度L的商，用公式（3）表示。

将（3）分别代入

（1）

（2）式后得到：

（4）

（5）

由式（4）（5）可以见，测量准确度由称重传感器和测速传感器的输出误差、有效称重区长度测量误差决定。

其中称重传感器和测速传感器的输出精度与测试现场环境温湿度、皮带的机械抖动、以及传感器与秤架联接不合理等有关。

此外，引起称重传感器输出误差的因素还有“皮带效应”，造成测速传感器误差的因素还包括测轮偏心度、皮带弯曲状态、测力和测速点不一致、赃物粘结等。

因此，如未对测控系统的误差进行有效补偿，将严重制约电子皮带秤称重准确度的提高，阻碍其在应用行业中的发展。

本课题拟对电子皮带秤系统通过数学建模等方法进行误差补偿，在累积重量和瞬时流量积算公式中加入误差补偿项，如式