地磅数字称重传感器及其制造工艺

地磅应变式称重传感器的原理决定了其本身不能产生带有数字特征的输出信号， 制约了它向数字化、智能化方向发展。20世纪80年代中期，美国、德国等一些企业将微处 理器技术、数字补偿技术与应变式称重传感器技术相结合，研制出数字称重传感器，推动了 数字称重技术的发展。本文结合国外数字称重传感器的发展思路与现状，介绍了地磅数字称重传 感器的工作原理与特点，数字称重传感器的两种实现方法，整体型与分离型数字式称重传感 器的结构，数字化称重传感器用A/D数字模块的工作原理与选用方法，数字式与数字化称重 传感器的制造工艺，并简要介绍了数字称重传感器的应用。

一、概述

应变式称重传感器的原理决定了其本身不能 产生带有数字特征的输出信号，而且还存在着输出的模拟信号小，传输距离短，抗干扰能力差， 称重显示控制仪表复杂，安装调试不方便等固有 缺陷。应用此类称重传感器组装的各种模拟式地磅，也必然具有与其相同的局限性和无法克 服的一些缺陷，满足不了超大量程地磅、 电子平台秤，结构复杂的液罐秤、料斗秤、配料 秤和大皮重、小秤量的特殊电子秤的需要，特别 是不能实现某些智能化的功能。

自从1971年微型电子计算机问世以来，其价 格不断下降，功能不断上升，使得微型电子计算 机广泛应用于工业生产中。称重传感器、称重显 示控制器和微型电子计算机的结合，已成为称重 传感器和称重显示控制系统的发展方向，必将促 使电子称重技术进入一个崭新的发展阶段，这就 是电子称重系统的数字化、智能化。

20世纪80年代中期，为克服模拟式称重传感 器的固有缺陷，突破模拟称重系统的局限性，美 国 TOLEDO(现 METTLER TOLEDO)公司把“数字 式”概念引入电子称重领域，将微处理器技术、 数字补偿技术与应变式称重传感器技术相结合， 研制出数字称重传感器。美国STS公司、CARDI-NAL 公司， 德国HBM公司等也都开发出具有本公 司工艺特点的数字称重传感器。数字技术的纳入不仅解决了智能化问题，而且突破了模拟式称重 传感器的准确度极限，使技术性能指标上了一个 新台阶，而且在其发展史上引起重大变革，并产 生了深远影响。

数字称重传感器的硬件结构，一般由模拟式 称重传感器电路和数字处理电路两部分组成。数 字处理电路采用高度集成化的微电子集成电路, 主要包括：信号放大器、模数A/D转换器、微处 理器Cpi)、存贮器EproM、通讯接口和温度 传感器等。在软件上，一般利用特定的数学模型 和数字处理技术对称重传感器的零点、非线性、 滞后、蠕变、输出特性和温度特性等技术指标进 行软件修正与补偿。

数字称重传感器的制造工艺、电路补偿与调 整、技术性能检测与试验方法以及与其配套的称 重显示控制仪表与模拟式称重传感器有很大区 别。因此，数字称重传感器是与数字称重显示控 制仪表共同研制开发的_项系统工程。数字称重 传感器与数字称重仪表系统的工作原理简图如图 1所示。

从数字称重传感器工作原理图不难分析出，

原来对模拟式称重传感器弹性元件的苛刻要求有 所减轻，而依靠软件的帮助可以使称重传感器的 技术性能大幅度提高。数字称重传感器的技术含 量较高，突出的表现在：

（1）数字补偿技术。根据不同结构称重传感器传的特性，建立准确可靠的数学模型，利用数字处 理技术对其线性、蠕变、温度特性等进行软件补 偿，提高了称重传感器的准确度和综合性能指标。

(2）软件校正技术。采用模拟式称重感器电 路与数字处理电路一体化设计，数字称重传感器的零点和输出特性可以通过软件自动校正，确保输出特性的一致性。

(3）数字化的信息传输技术。采用标准的数字 信号传输技术，抗干扰能力强，信号输出稳定可 靠，传输距离远，米用RS485通讯，可达1200m。

(4）记忆功能。利用数字称重传感器内的数据 存储和记忆功能，使其既具有唯一的身份标记与 特征参数以便单独寻址，又具有自适应、自校准、 自诊断功能。

(5）现场特性。由于采用双向、多接口的串行 通讯，使数据采集与控制在现场得以实现。采用 软件运算方法调整四角误差，并可进行无砝码校准。

二、数字称重传感器的特点

数字称重传感器具有如下特点：

（1）输出信号大，传输距离远，抗干扰能力强； (2）采用cpu数字量化处理技术和数字补偿技 术，对非线性、滞后、蠕变等特性进行自动软件 补偿，工艺简单、快捷，称重传感器准确度高， 采用群补与各补相结合的数字补偿技术，其准确 度可达到10000个分度；

(3）内装温度传感器可精确补偿温度特性，补 偿精度高，效果好；

(4）零点和灵敏度均由cpu数据处理完成，灵 敏度一致性可达0.01%,—致性好，便于互换，有 利维修；

（5）具有独立的信号输出，分辨率高，每只称 重传感器20bit,相当于1000000个可用计数，多只 同时使用其信号是叠加的，输出信号大，信噪比高；

（6）多只组秤时，可采用软件运算方法调整四 角误差，利用数字系统实现自校准，安装调试方 便、省时；

（7）数字称重系统通过数字称重传感器的灵敏 度{補值，就可得到被称物体的质量值，即通 过灵敏度的转换，将质量值准确的转换为相应的 电量值，测量该电量值就可得到被称物体的质量 值，其最底层的溯源器不是现场标定时的砝码， 而是试，室内的标准力源，这就是数字式地磅可以无砝码检定的理论基础；

（8）现场特性好，由于采用数字双向、多接入 的串行通讯，使数据采集和数据控制得以在现场 实现。可自动进行“四角”或“边角”平衡调整 和无砝码校准。

缺点：成本高，一旦出现故障只能整体更换。

三、数字称重传感器的两种实现方法

与数字技术发展经历了半数字化膜拟数字 混合方式和数字化全数字方式一样，数字称重传感器也同样有两种实现方法。

一种是模拟加数字的方法，就是将模拟式称 重传感器的输出信号，通过安装在接线盒内的A/D 转换数字模块，转换为数字信号输出，通常称为 数字化称重传感器国外称为简单型数字称重传 感器 。

一种是全数字的方法，就是在弹性元件上粘 贴电阻应变计组成电桥电路后，彻底脱离模拟式 称重传感器制造工艺和传统的电路补偿与调整方 法，采用安装在称重传感器内部的数字处理电路 和数字补偿技术与工艺，使称重传感器的输出为 数字信号，经过高效率、高可靠性接口实现远距 离传输，通常称为数字式称重传感器画外称为 聪明型数字称重传感器。

四、数字化称重传感器

1.A/D数字模块的工作原理

模拟式称重传感器的被测重量参数虽然最初 由敏感元件以模拟形式给出，但还要转换成模拟 电压或模拟电流。在制造工艺、电路补偿与调整、 信号调理、模数转换等方面已经积累很多经验， 因而得到广泛应用。但因其模拟信号输出的固有 缺陷，满足不了数字称重技术发展的需要，唯_ 出路是向数字式智能化方向发展。由于它本身不 能产生带有数字特征的信号，所以只能寄生于应 变电桥之外数字转换单元，变模拟信号为数字信 号，这就是数字化称重传感器用的A/D数字模块。 它同样具备数字称重传感器的特点，即对数字化 的称重传感器进行量化处理，互换性好；可以更 方便的与计算机等其他一些数字式处理仪表连接， 使用领域更为宽广；可实现智能化四角误差调整； 具有故障自诊断功能并且可以有效防止作弊；采 用数字化综合误差补偿方法和数字式通信，增强 了有效信号在传输过程中受传输线路影响和环境 条件变化的抗干扰能力，提高了称重传感器的准确度、稳定性和可靠性。

由于A/D数字模块多安装在称重传感器接线 盒内，所以要求尽量做得小巧一些。A/D数字模块 由滤波器、放大器、A/D转换器、存储器、数字信 号处理器和接口等组成。其工作原理简图如图2 所示。

A/D数字模块把外部提供给它的5?15Vdc、 <60mA工作电源变换成某个频率的载波信号，输 送给模拟式称重传感器的应变电桥，同时将电桥 输出的模拟电压信号，经放大送入A/D数字转换 器。从此，数字测量信息在数字信号处理器中完 成诸如数字滤波、线性化、速率控制、零点、刻 度、同步、补偿、均衡等处理过程，最终测量结果以数字形式通过RS—485或422接口实现数据 的传输。通过零点校正处理和满量程量化处理后, 使数字称重传感器空载时输出为零，在额定载荷 下输出额定的数值(例如:1000000)。数字化称重传 感器多只同时使用时，给每只称重传感器赋予唯 一的地址编号，这样主机以查询的方式向每一个 称重传感器发送指令并读取信号。

A/D数字模块提供20余条操作指令，上位机 通过这些指令可以设置其内部控制参数，指挥它 执行各种功能。其主要功能有自动确认初始零点、 零点自动跟踪、稳定状态监测、全量程去皮、毛/ 净值切换、在± 2%FS范围内置零、测量速率选 择、两点标定、设定显示分辨度、通讯接口选择 等，A/D数字模块在称重传感器中的安装位置如图 3所示。

2.A/D数字模块的选用原则及技术指标

为保证数字化称重传感器具有优良的技术性 能指标，选择好A/D数字模块至关重要，尤其对 温度性能应进行严格测试筛选。A/D数字模块的选 用原则是：

（1）应具备的基本性能指标是“四个一百”即 数字信号分辨率2 100万数码；测量速率2 100 次/秒；时间漂移<± 100ppm/年；温度漂 移<± 100ppm/10°C,因为这四项技术指标直接 体现了数字化称重传感器的计量性能。

(2）应具有通过EMC电磁兼容试验的能力，并 且能承受一定等级的雷击等强电干扰和冲击，以 提高数字化称重传感器的可靠性。

(3）利用高低温试验箱、标准信号发生器，数 字指示仪表或电子计算机，在常温、低温、高温 下逐个测试温度性能，不合格者予以剔除。

目前具备上述技术性能指标的A/D数字模块 有德国HBM公司的AD104C型和国产的 DMP100R1 型。

利用上述A/D数字模块制造的数字化称重传 感器，灵敏度为1000000Digit,准确度等级均可达 到 OIML R60 3000、4000 和 5000 分度，例如 10t、 20t、30t、40t和50t的双剪梁型称重传感器，最小 检定分度值分别为2kg、5kg、10kg、10kg和 10kg。

如以单项技术指标评定，其零点温度影响和 灵敏度温度影响可达到± 0.01 %F.S/10°C左右，非 线性误差和重复性误差为± 0.01 %F.S,滞后误差、 蠕变及蠕变恢复均在± 0.15%F.S左右。其它技术 性能指标如下：

1)工作电压 7?18V DC ；

2）电流消耗 S 40mA

3）异步接口 RS-485/4-wire(传输线长 1000m)；

4)波特率1200?38400Baud

5）地址数：32 ；

6）补偿温度：一20°C?+ 50°C ；

7）工作温度：一30°C?+ 60°C ；

8）储存温度-50°C?+ 85°C ；

9）安全载荷：150%F.S ；

10）极限过载：300%F.S ；

11）密封等级：IP67/IP68 ；

12）电缆长度：20m。

3.数字化称重传感器的制造工艺及预防静电措施

实际上是在各项技术性能指标都较好的模拟 式称重传感器电桥电路的后面，装配一个A/D数 字模块，其功能是将毫伏级的模拟电信号翻译成 数字信号，并全面提高技术性能指标。

只要A/D数字模块的性能符合要求，装配和 测试补偿工艺科学合理，数字化称重传感器的智 能化和各项温度性能指标，同样可以达到较高水 平，而且性价比好。

（1）数字化称重传感器制造工艺

1）模块筛选

利用高低温试验箱、数字信号发生器和电子 计算机等，对数字模块进行温度性能测试，剔除 不符合要求的模块。

2）模块装配

为避免数字模块中高精度而又较敏感的器件， 受到较强大的静电放电tesg冲击而导致输入、 输出通道损坏，应在防静电工位，将数字模块焊 接在称重传感器电桥电路上。

3）测试补偿

零点校正和满量程量化处理，在加载过程中 进行线性补偿，经过计算将修正量参数下载到数 字模块A/D内。

4）封装

对A/D转换数字模块进行防护与密封处理。

5）检测

根据检定规程要求，进行常规和附加性能测试。

(2）静电对A/D数字模块的影响及预防静电措施

在模拟式称重传感器接线盒内安装A/D数字 模块时，必须进行静电控制，主要是防止静电堆积和防止静电放电。因为在A/D数字模块中，信 号调理环节采用了极高精度而又较敏感的器件， 信号输出通道中也使用了分辨力强且较敏感的器 件，这就要求必须在防静电工作室或工位进行制 造和安装。

在模拟式称重传感器接线盒内安装A/D数字 模块的防静电措施是：使用电离器、静电接地带； 防静电存储盒和穿着防静电工作服等。

五、数字式称重传感器

关于智能传感器的定义，比较一致的看法是： 凡具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测 和处理、逻辑判断、双向通讯、自检、自校、自 补偿、自诊断和计算等全部或部分功能的器件叫 智能传感器，它可以是集成御整体型的，也 可以是分离件组装御分离型的。数字智能称 重传感器的发展完全符合此定义，有两种整体型 即数字化和数字式称重传感器，两种分离型即无 数显功能和有数显功能的数字接线盒。

1.整体型数字式称重传感器

(1）整体型数字式称重传感器的结构与特点

如前所述，在称重传感器内部安装有放大、 滤波、A/D转换器、微处理器和温度传感器等组成 的数字电路，利用微处理器芯片已存入的软件， 实施各项数字补偿工艺，完成各项电路补偿与调 整，最后采用电子束焊接或激光焊接密封。因数 字处理电路、温度传感器等在称重传感器腔内与 弹性元件为一体，故称为整体型数字称重传感器。 整体型适合带有保护外壳的、轴对称结构的、弹 性元件内部空间大的称重传感器。

圆柱式结构整体型数字称重传感器，由双球 面或单球面圆柱形弹性元件、带有单层或双层膜 片的保护外壳、压垫、压头及其内部的模拟电桥 电路、数字电路及微处理器、温度传感器、过压 保护电路等组成。弹性元件采用合金钢或不锈钢 制造，外壳多采用不锈钢结构。

整体型数字称重传感器以其输出信号大，数 字信号是一组组高低电平信号，有格式、有规律 的组成，一般为±5V；分辨率高，一般可达 20bit,相当于1000000可用计数；准确度高，稳 定性好；数字电路安装在外壳内与电阻应变计电 桥电路为“零距离”较大幅度的降低噪声，抗干 扰能力强，传输距离远；软件调角差，无砝码校准等特点，应用于数字化电子衡器，具有大皮重、 小秤量的特殊电子秤和超大量程的电子汽车衡等。 但其缺点也很突出，主要是：

1）数字式称重传感器内部的电子元器件由10 多个增加到60多个，焊点也从30多个增加到300 多个。由于称重传感器的无故障工作时间与其含 有的电子原器件和焊点数量成反比，其稳定性和 可靠性必然有所下降。

2）数字式称重传感器内部的电子元器件决定 了其工作温度范围较小，一般为-10°C?40°C。如 需要在-10°C以下环境条件工作时，必须选用低温 元器件其制造成本将呈几倍上升。

3）数字式称重传感器内部的数字处理电路降 低了防爆等级，为满足防爆要求，必须采取较昂 贵的防爆、隔爆措施。

4）数字式称重传感器制造和维修成本较高， 不论是电桥电路还是数字电路出现故障，均需整 体更换一个新的数字式称重传感器。

（2）整体型数字式称重传感器的制造工艺

1）自动检测工艺

数字式称重传感器的弹性元件贴片组桥后， 彻底告别模拟式称重传感器制造工艺，在高准确 度的力标准机上，采用自动测试软件，通过加温 加载进行测试求得各补偿项目的数学模型，形成 程序化的计算公式。

2）数字补偿工艺

根据自动检测得到的各项性能的表达公式， 编制简单、有效的补偿计算软件，通过微处理器 进行非线性、滞后、蠕变、零点温度与灵敏度温 度效应等各项补偿与修正以及零点校正和满量程 量化处理。

3）技术性能测试与试验方法

根据JJG669—2003 “称重传感器”国家计量 检定规程，除进行称重传感器误差拉、重复性 误差(Er)、温度对最小静载荷输出的影响(Cm)、蠕 变误差(CC、最小静载荷输出恢复值(CmdoR等 试验外，还应进行预热时间、电源电压变化、短 时电源电压降低、电脉冲串、静电放电、电磁场 辐射和量程稳定性七项附加试验。

4）对标准力源的要求

由于数字称重系统是通过数字称重传感器灵 敏度（mV/V的转换，来测量被称物体的重量，它最底层的溯源器不是标准砝码而是标准力源， 因此对力标准机的准确度要求较高，其有关技术 指标原则上应优于被测数字称重传感器相应技术 指标的三倍。一般多采用2X 10-5准确度等级的直 荷式力标准机。

5）对组焊数字电路的工作环境实施静电控制

由于整体型数字式称重传感器，是将由放大 器、A/D转换器、微处理器和存储器等组成的数字 电路与弹性元件置于同一密封腔内，数字电路中 的信号调理环节和信号输出通道，均采用了高精 度、高分辨率而又较敏感的器件。对这些器件进 行测试、组装、焊接时，必须在防静电工作室或 防静电工位进行，以实施静电控制，主要是防止 静电堆积和防止静电放电。其控制方法与数字化 称重传感器组焊A/D数字模块的防静电措施相同， 使用电离器、静电接地带、防静电存储盒和穿着 防静电工作服。

2.分离型数字式称重传感器缴字接线盒的 工作原理、特点与分类

（1)数字接线盒的工作原理

为克服整体型数字称重传感器制造工艺复杂、 工作温度范围小、防爆等级低、维护与修理难度 大等缺点，美国STS公司于1992年研制出分离型 数字称重传感器系统，称为数字接线盒(Digital Junction Box)。与整体型数字称重传感器不同的是 放大器、模数转换器、微处理器等数字电路，移 植到称重传感器外部，安装在_个单独的盒体 内，但其功能并没有改变，同样具有对所连接的 任何厂家、任何结构、任何量程的模拟式称重传 感器进行单独寻址的功能，并能存储有关参数。 组装电子衡器时，只要将多个普通模拟式称重传 感器连接到多通道数字接线盒上，模拟称重传感 器的总输出与整体型数字称重传感器一样也是数 字信号。

多路数字接线盒可将多路模拟式称重传感器 的输出信号，实时的转换成数字信号，通过CPU 处理后传送到上位机。其转换原理是把外部提供 的工作电源变换成某个频率的载波信号，输送给 模拟式称重传感器的电桥电路作为激励电源，同 时将其输出的测量信号进行滤波放大，传送至A/D 数字转换器转换为数字信号，在数字信号处理器 中完成各项补偿过程，最终测量结果以数字形式从串行通讯界面的端口送出。

(2） 数字接线盒的特点

1）结构简单紧凑，功能专使用方便，上 位机只要提供电源，即可经数字接线盒变模拟信 号为数字信号输出，并使其具有整体型数字称重 传感器的特点和功能；

2）对灵敏度、输出电阻、零点输出等参数不 挑剔，可连接任何厂家、任何结构的模拟式称重 传感器；

3）每个通道均采用独立的A/D转换器，可实 现各路信号实时同步转换，在不改变原有电子衡 器的承载器结构、 模拟式称重传感器的承力传力 方式下，变模拟称重系统为数字称重系统，实现 电子衡器的数字化改造；

4）模拟式称重传感器可在-40?70°C环境条 件下正常工作，数字接线盒可放在室内，扩大了 数字电子衡器的工作温度范围；

5）安装布线非常简单，从数字接线盒到数字 称重仪表只有一根电缆线；

6）数字接线盒配接普通模拟式称重传感器， 便于维护修理。

（3）数字接线盒的分类

数字接线盒主要有以下两种结构类型：

1）无数显功能的数字接线盒 无显示功能的数字接线盒与数字称重显示控 制仪表配套加模拟式称重传感器组成数字称重 系统。

2）有数显功能的数字接线盒 有显示功能的数字接线盒，实际上是将数字 接线盒与数字称重显示控制仪表合二为一作成一 体,具有两者的全部功能，只要将模拟式称重传 感器直接连在数字称重显示控制仪表上，即组成 了数字称重系统。

3.数字接线盒的应用技术

普通模拟式称重传感器加数字接线盒组成的 数字称重系统，由于数字接线盒与模拟式称重传 感器分离，并与数字称重仪表同在室内工作，因 此不受环境条件限制，适用于各种结构的称重传 感器且维护修理容易，是深受用户欢迎的数字称 重系统。但由于模拟式称重传感器与数字接线盒 之间仍有一段传送小电压的电缆，可能受到干扰 和引入噪声，对数字接线盒的高分辨率有一定的 影响，设计时应给予足够的考虑和制定有效可行 的对策。

数字接线盒的数字电路和数字补偿技术，因 采用模数转换器的方式不同也有两种类型，一种 是每个输入通道具有一个独立的A/D转换器，各 通道独立进行各项数字补偿与修正的数字接线盒； 一种是多个输入通道共用一个A/D转换器，对各 输入通道分别进行各项数字补偿与修正的数字接 线盒。两种数字接线盒都可以通过双向串行接口 与PC机、PLC或其它装置连接。美国STS公司 2200 系列中的 2202-W4、2203、2204 和 2224 数 字接线盒，德国FLINTEC公司FDA-4数字接线 盒，德国HBM公司AD101和AD104单通道数字 接线盒，在数字称重系统中的应用都取得了很好 的测试结果并获得相关认证。

由于数字称重传感器和数字接线盒组成的数 字称重系统，增加了推理、判断、自诊断、自适 应等功能，除完成称重计量信息采集外还能实现 非称重计量信息的采集和处理。在系统内部设置了 警卫电路，既能对软件硬件进行保护，又可记录外 部修改操作指令，判断操作错误和自动恢复原始状 态。这是现今市场上采用微机化称重显示控制器的 电子称重系统与数字称重系统的根本区别。

现以在用模拟式地磅的数字化改造为 例说明此问题。

第一种数字化改造方案是在不改变承载器结 构、定位限位装置、现场工作条件和原有模拟式 称重传感器的前提下，用与模拟式称重传感器数 量相同通道的数字接线盒，数字称重仪表或电子 计算机替代模拟接线盒和模拟称重仪表。典型的 应用实例是由4?8只模拟式称重传感器支撑单节 或多节承载器，4?8个输入通道的数字接线盒, 数字称重显示控制器以及通过接口与其相连接的 远程同步电脑信息资料管理系统等组成。其中数 字称重显示控制器的显示屏幕多为128x 64点阵 蓝底背白光LCD,显示各种称重计量信息，远程 同步电脑信息资料管理系统，除实现称重与非称 重计量信息存储与管理外，还能进行称重计量全 过程录像监控，防止作弊，并具有一机控制多台 数字称重系统和与其它控制系统兼容的能力。

第二种数字化改造方案是在不改变承载器结 构、定位限位装置、现场工作条件的前提下，用同样外形尺寸的数字称重传感器替代模拟式称重 传感器，用数字接线盒及其配套的数字称重仪表 或电子计算替代模拟接线盒及模拟称重仪表。其 接线程序是：将参与改造模拟式电子衡器的每只 数字称重传感器的供桥回路导线红、白,输出 回路的输出导线和反馈导线黄、绿、黑、蓝 分别对应连接在数字接线盒内。最后将数字接线 盒各数字称重传感器的总输出导线，与数字式称 重仪表相连接即完成了接线任务。其数字称重传 感器、数字接线盒与数字称重仪表的接线示意图 如图4所示。接线注意事项：

（1）在数字称重传感器安装、穿线、接线完毕后通电调试前，_定要仔细核对和检查通讯电源 线是否接线正确，否则极易造成数字称重传感器 内部电路损坏；

（2）因为485接口对电压要求比较严格，一般 为± 7V,超过该电压通讯会出现问题，所以要求 秤接地良好，符合相应的国家标准的要求；

（3）在每只数字称重传感器的上压板和下压垫 之间，连接足够粗的金属编织的扁网线做旁路， 避免静电和感应雷对其造成损害。

六、结语

整体型数字称重传感器和模拟称重传感器加 数字接线盒组成的数字称重系统，都有很大发展 空间和广阔市场前景。在我国利用数字接线盒或 组装数字地磅或对模拟式地磅进行数字 化改造，更容易被用户接受。