电磁振动定量给料机控制系统设计学士学位论文.docx

南昌航空大学科技学院学士学位论文电磁振动定量给料机控制系统设计1前言机械是现代工业的物质基础，国民经济的各个部门都离不开机械。它是一门古老的学科，发展到今天已经历了一个漫长的历史时期。机械种类繁多，功能各异，不论哪一种机械，从诞生以来都经历了使用改进再使用再改进，不断革新和逐步完善的过程。机械本身的发也是无止境的，但是这种发展动量缓慢的。各种机械发展到今天，单从机械角度对它们进行改进是越来越不容易了。随着科学技术的发展，电子技术、信息技术正在蓬勃发展，大规模甚至超大规模集成电路和计算机的产生使电子技术与计算机技术同机械技术想到交叉，相互渗透，使古老的机械技术焕发了青春。在原有机械基础上引入电子计算机高性能的控制机能，并实现整体最优化，就使原来的。机械产品产生了质的飞跃，变成功能更强、性能更好的新一代的机械产品或系统，这正是机电一体化的意义所在。我研究的课题是电磁振动定量给料机控制系统设计，此课题主要是基于MCS-51单片机进行设计。单片机把我们带入了智能化的电子领域，许多繁琐的系统若采用单片机进行设计，便能收到电路更简单、功能更齐全的良好效果。若把经典的电子系统当作僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是具有“生命”的电子系统。单片机系统的硬件结构给予了定量给料控制系统坚强的“身躯”，而单片机的应用程序则赋予了其鲜活的“生命”，使其具有电路简单、成本低、可靠性高等一系列优点，这是传统机械技术所不能比拟的！11 电振机的发展概况及相关介绍振动给料机始于上个世纪初，八十年代进入高速发展阶段。我国振动给料设备的发展开始于二十世纪六十年代，随着生产技术的发展，出现了电磁振动给料机，并迅速得到广泛应用。原机械工业部相继在东北的辽阳、河南鹤壁和江苏海安设立定点三家生产厂。由于当时技术落后，振动机械产品存在着设备体积小、效率低、结构复杂、故障率高、寿命短等缺陷。进入八十年代后，随着制造工业的发展，我国振动给料机产品的开发与生产也在自力更生和消化吸收的基础上进行了探索和创新，在设计、制造及技术性能等方面都取得了长足发展。各大振动机械生产企业和各振动研究机构除按美国、日本、德国引进消化和制造外，还积极研制开发新一代的振动机械产品。九十年代以来，国内已有太行公司、鞍山矿山机械股份有限公司、上海冶金矿山机械厂等少数几家企业开始大型振动给料机的研制、开发与生产，并基本占领了国内市场。但由于振动机械的工业环境复杂、条件恶劣、生产企业小，致使我国振动机械理论研究难以取得突破，加上我国振动机械行业起步晚等原因，导致我国振动机械产品多为技术含量不高的中小型号，与国外产品相比使用性能、产品寿命等方面差距较大，尤其是在大型、智能、机电一体化方面还存在十分落后的局面。目前，国内电磁振动给料机的电磁激振器(由电磁铁、衔铁组成)主要采用斜向配置，主振板弹簧使用环氧树脂复合板，制作较为粗放，生产率的调节尤为不便、费时费力，无级调速的范围窄、精度不高。国外的电磁振动给料机制作精巧、美观，其电磁激振器主要采用上下配置等方式，主振板弹簧主要采用弹簧钢板或环氧树脂复合板，电磁激振器的激振间隙小，激振力大，生产率高，可方便的进行无级调速。从给料机的发展历程可以看出，我国振动给料机顺应国外给料机的发展模式：(1)振动给料机可靠耐用，维护量少，生产效率高，便于自动化管理；(2)大型化可提高处理能力，适应高产高效集约化生产需要，实现微机自动化控制、动态分析与监控技术相结合；(3)拓展各机型的适用范围，以满足不同物料运输的需要，降低动力消耗和噪声，更加环保和人性化设计。电磁振动机的主要特色有：1、体积小，重量轻，结构简单，安装方便，无转动部件不需润滑，维修非常方便，运行费用低；2、电振机的控制设备采用了可控硅半波整流线路，因此在使用过程中可以通过调节可控硅开放角的办法方便地无极调节给料量；3、电振机可以瞬时地改变和启闭料流，所以给料量有较高的精度，并可以实现生产流程的集中控制和自动控制；4、给料槽中的物料在给料过程中连续地被抛起，并按照抛物线的轨迹向前进行跳跃运动，因此给料槽的磨损较小；5、采用合金钢板制成的料槽，可适用输送高温、磨损严重及有腐蚀性的物料等。但电振机也有以下缺点：不适于处理黏性较大或带有点油污、水的轻薄片状物料；设计或调整不恰当时会产生较大振动和噪声。但是我们不难发现，一种设备的发展并不是孤立的，而是与整个民族工业发展息息相关，我们要倍加呵护。由于我国各地经济发展不平衡，先进技术应用还要经过一个艰苦的认识过程，传统观念的封闭与经济欠发达地区的财力都会影响我国振动给料设备的发展。因此，要想使我国的给料设备赶超世界水平，还有待各方面的共同努力。目前，世界上振动给料机产品处于领先地位的公司主要有德国SCHENCK公司、美国的ALIS-CHALMERS公司、日本的HITACHI公司等，他们的产品具有大型化、智能化、高效集中、使用寿命长等特点，代表着当今世界振动机械的发展方向。近年来，日本在振动供料技术的理论和实用技术方面研究颇多，也推出许多异形结构料斗，但生产实际中依旧以基本正弦振动的整体料斗为主，而且着眼于实用可靠及配套技术，形成了完整的系列产品占领市场，这正是我们应以努力的方向。目前，市场上重要的电磁振动给料机主要有以下几种系列：（1） 市场上常用的两种电磁振动给料机 GZ系列电磁振动给料机是一种新型给料设备，用于把块状、颗粒状、粉状物料从贮料仓或漏斗中定量、均匀、连续地给到受料装置中去。广泛地应用在水泥、矿山、冶金、煤炭、化工、陶瓷、粮食，电力等工矿企业中。并是实现生产自动化最为理想设备，该系列电磁振动给料机具有体积小、噪音低、重量轻、工作频率高、耗电少、可用于自动控制的流程中实现生产流程自动化。无级调节给料量，可在额定电压、振幅条件下频繁启动和连续运转，安装维修方便等。其型号意义如图11各派生型代号中： S上振型 F封闭型 Q轻槽型 P平槽型 K宽槽型 基本型无代号G Z X X各派生型代号 规格代号 电磁振动 给料机图11 GZ系列电磁振动给料机型号及意义图12 GZ系列电磁振动给料机 DZ系列振动给料机是一种新型、节能通用给料设备。它采用新型振动电机做激振源，具有结构简单、紧凑，使用及维修方便，给料连续均匀，料槽磨损小，使用寿命长等优点，常与振动输送机、振动筛、斗式提升机、破碎机等配套使用，用于自动配称、定量包装、自动控制的工艺流程中，用于冶金、煤炭、化工、建材、陶瓷、磨料磨具、粮食等待业中。其工作原理及结构特点：DZ系列振动给料机是利用新型振动电机驱动，使机体沿槽体方向作周期直线往复振动来实现均匀、定量给料。它们由给料槽体、振动电机、减震装置组成。其结构原理图如图13图13 DZ系列电机振动给料机结构原理图（2）GZV系列微型电磁振动给料机 GZV微型电磁振动给料机广泛应用于轻工、化工、粮食加工、商业等行业，用于粉状、颗粒状物料的给料、配料及定量自动包装等生产流程中，并可实现集中控制和自动控制。与其它形式给料机相比，具有体积小、重量轻、结构简单、耗电省、可无级调节给料量等特点。GZV微型电磁振动给料机配套控制箱可实现手动、自动调节。微型给料机为座式结构，工作时只需放置在工作台上即可。另可在给料槽内增加12层筛网，成为小型振动筛分设备。其结构原理图如下：图14 GZV系列微型电磁振动给料机结构简图（3）DMA系列电磁振动给料机DMA 系列电磁振动给料机广泛应用于矿山、冶金、煤炭、建材、化工、电力、机械、粮食等各行各业中，用于把颗粒状及粉状物料从贮仓或漏斗中均匀、连续定量地给到受料装置中去。图15为DMA系列振动给料机的结构简图。图15 DMA系列电磁振动给料机结构简图（4）TZG系列电磁振动给料机结构TZG系列电磁振动给料机结构为折弯成型、轻钢补强、结构合理、造型美观。该产品有两种激振形式，一种是振动电机直接驱动，无皮带等传动装置，节能无故障，振幅稳定，利用变频器调节给料量极为简便；一种是普通Y系列电机直接驱动激振器带动给料机工作结构紧凑，设计合理，使用寿命长。图16为TZG系列电磁振动给料机的实物图。图16 TZG系列电磁振动给料机随着市场竞争日益激烈，商务环境持续多变，消费者需求日趋多元化，且变化节奏不断加快。“敏捷制造”这一概念随即孕育而生，并已成为制造业的热门话题。在这种形势下，传统结构的振动给料机及其设计与加工方法已难以满足市场需求。根据其应用的广泛性和工作环境恶劣程度因此开发和研制定量给料机的自动控制系统，提高配料精度和设备的自动化水平，具有重要的实际意义。近几年传统的机械系统各计算机控制相结合，已成为一个新的研究领域，它能极大的提高工业生产效益与质量，减轻劳动强度，改善劳动环境。为解决这一问题，许多研究工作已经展开并不断走向深入。在这些研究中，计算机已广泛用于振动给料机的设计、仿真与控制，从而大大提高了振动给料机的柔性，使其能快速适应产品变化的需求。电振定量给料系统有很广泛的应用范围，它有许多优点：体积小，重量轻，结构简单，成本低，密封容易，且较易控制。电振机定量给料系统一般采用控制振幅达到定量给料的目的。因此本课题给料设备我采用电振给料机。本课题介绍了基于单片机的振动定量给料机控制系统设计，以电磁振动给料机给料精度控制的自动循环系统来实现生产要求。电磁振动给料机，又称电振机，由料槽、激振器、减振器、电振机调控仪四个部分组成。该系统由电磁振动给料机、溜槽式固体流量计、水平振动输送机、垂直螺旋振动输送机和贮料五部分组成。本课题是个很典型的计算机控制系统，此类相似的系统，工业上已经研究得很成熟。流量定量控制系统很多，但是使用溜槽式固体流量计作测量装置的定量给料系统，资料显示，国内除唐山钢铁公司进口有为类系统，大连科隆自动化仪表公司冲击式固体流量计，基本上是空白的。研究内容主要有控制部分，其包括软件部分，硬件部分，控制器。控制部分基于单片机来实现。MCS-51单片机的内部结构和指令系统都是面向工业过程控制而设计的，设计人员可以根据不同的应用场合，以单片机为核心设计出各种应用系统，如监控系统、机电一体化产品以及智能仪器仪表等。目前，单片机以其特有的性能和价格上的优势，在工业过程的在线监测和实时控制等方面得到了广泛的应用。12 单片机控制系统的基本结构一个单典型单片机监控系统通常由单片机主机、人机接口、输入通道、输出通道等部分组成，其结构如图17所示。单片机主机部分包括单片机系统、程序存储器、数据存储器等、是控制系统的核心。人机接口用于信息输出的装置包括指示灯、数码显示器、打印机；用于信息输入的装置包括键盘、乒乓开关、拨码盘等。人机接口是控制系统与操作人员交换信息的媒介。输入通道包括开关量输入和模拟量输入两部分。工业现场设备常用的开关信号电平有5V、24V、48V等直流量，以及100V、220V等交流量，这些信号一般要先电平变换、隔离、整形等环节的处理，再送入单片机系统的数字量输入接口。常见的现场传感器和变送器传送的标准模拟信号有010mA、420mA、010V、10V、热电偶毫伏信号、热电阻毫伏信号等几种形式，这些信号经过信号变换、放大、滤波、隔离之后，变成标准电压信号，送入单片机系统的A/D转换接口电路。图17 单片机控制系统的结构图 输出通道包括开关量输出和模拟量输出两个部分。单片机控制系统送到现场设备的通断信号是通过数字量输出接口输出的，这些TTL电平的低电压信号经隔离、放大后形成能驱动高电压电气器件的开关信号。常见的开关量输出方式有继电器触点、大功率晶体管、双向晶闸管等，可用于控制现场设备上的接触器、阀门等执行机构的启停动作。调节现场参数所需的连续给定信号是通过D/A转换器将控制值转换成模拟量之后，经隔离和驱动放大产生的。常见的模拟量输出信号有010mA、420mA、010V、10V等几种形式，用于控制现场执行器的开度、转速、位置等。单片机控制系统在生产过程中，可以完成以下类型工作：（1）数据采集和处理。单片机系统对生产过程的某些参数进行反复地采样，采集的数据经数字滤波和标度变换等加工处理后，变成以工程量纲为单位的实际参数值，在人机接口设备上显示出来，或者传送给其他控制系统使用。在出现异常现象时，发生声光报警信号。（2） 逻辑和顺序控制。单片机系统根据输入信号的组合和先后顺序，按照预定逻辑关系和定时关系，给出控制信号，控制设备的动作。（3）直接数字控制。单片机系统周期性地采集过程信号，将被控制参数的当前值与给定值进行比较，根据偏差量，按照预定的控制规律做出控制决策，自动调节被控系统的执行机构，使被控参数给定值趋近。（4）分布式控制。单片机带有内置的串行通讯接口，可以在完成对现场局部单机设备进行实时监控的同时，将设备的运行状态通过通讯接口传送到上位机，以保证整个生产过程的协调、稳定运行。单片机系统在生产过程中，可以用做现场监控设备和通信控制设备。13 生产过程对微机控制系统的要求作为生产监控的同时，设备的单片机系统应具备如下要求：（1）可靠性高。系统的高可靠性体现在3方面：平均无故障时间长，抗干扰能力强，有一定的容错能力，平均无故障工作时间是衡量系统在生产现场持续工作的能力，延长系统的平均无故障工作时间，可采取选用高质量的元器件和接插件，加强系统的降温和防护，提高印刷板制作工艺水平等措施，以适应恶劣的现场环境.工业现场中的高电压，大电流的电磁辐射，以及大型电动设备频繁启停时的瞬间电压波动，都会影响控制系统的增产运行. 在这种情况下，可采取现场设备与主机隔离，大功率信号与弱信号分开，抑制电网纹波，合理设计地线系统等措施，提高系统的抗干扰能力，操作人员在线工作时，难免出现误操作，另外，单片机在运行时也可能出现程序“跑飞”现象，针对这种情况，设计系统时，可采取设置操作口令，系统操作反复确认，控制输出保持等措施提高系统的容错能力。（2）实时性好。单片机应能对外来的信息，以足够快的速度进行处理，并在限制的时间内作出反应或进行控制。单片机系统实时性不仅取决于CPU的工作频率，而且与系统的组成和程序结构有关.在系统设计时，应合理的分配系统资源，合理利用单片机的中断系统，兼顾实时控制和一般事务处理两方面的要求。（3）操作简单。单片机控制系统一般都作为现场控制设备在线运行，作为人机接口的操作面板应设计得布局合理，标识清楚而准确，易于现场操作人员掌握和使用。（4）维护简单。在系统的软件设计中，应设置自诊断程序，该程序能够自动判断程序和数据的完整性，在检查I/O通道的工作状态是否正常.在硬件设计时，应尽量采用插件式或积木式结构，这将有利于维护人员在系统发生故障时，能够准确判定故障点，方便地更换出故障的部件，使系统能够迅速地恢复允许。（5）性能价格比高。在设计单片机系统时，应根据系统的应用场合和被控参数的性质，选用合适的芯片和硬件结构，在不影响控制精度和实时性指标的前提下，尽量采用精度高较低，速度较慢的器件，同时尽可能减少系统的硬件开销，如用软件来实现硬件的功能，以降低系统的成本。14 单片机控制系统的设计步骤单片机控制系统的设计大致有如下几个步骤：（1）系统分析。在控制系统设计时，首先要对被控制过程进行深入的调查和分析，根据系统的控制要求和国内外同类设备的性能，确定系统开发的总体目标.在此基础上，综合考虑产品的功能，成本，可靠性，可维护性等方面的数因素，提出系统的功能要求和技术指标。 围绕系统功能要求和技术指标，设计系统的总体方案，并根据现场信号的性质，规定接口的物理特性参数，输入和输出量的数目等，在此基础上，划分系统硬件和软件的功能，对于既可以用硬件完成也可以用软件完成的功能，则应考虑系统运行的实时性，可靠性以及成本等因素，在软件实现与硬件实现之间作出权衡和取舍，在系统软硬件都留有余地的前提下，最终确定系统的结构形式。（2）硬件设计。单片机系统的硬件设计包括逻辑设计，元器件的选择，人机接口面板设计以及印刷电路版的布线和生产等方面的内容。根据系统的总体结构和技术指标，在选用合适的硬件电路，特别是要优先选用那些标准化，模块化的成熟电路，以简化电路的结构，降低成本，提高系统的灵活性与通用性.在选用元器件时，应选择集成高度，性能价格比高，易于采购的元器件.要当时整机功能消耗较低时，应考虑尽量多采用CMOS工艺的集成电路。在进行电路设计时，应充分考虑系统各部分的启动能力，当负载较重时，应考虑增加总线驱动器.为提高系统的干扰能力，在印刷电路板布线时，应在电源进线端和集成电路的电源和地线之间并联滤波电容;避免大功率信号线和逻辑信号线平行走线;接地线应尽可能的粗，器件上没有的输入端应视为情况接地或接高电平。（3）软件设计。在设计系统软件时，首先要根据系统的功能要求，确定控制系统的数学模型，将软件分成若干个相对独立的功能模块，并根据各模块间的相互关系确定软件的总体结构.在此基础上画出程序流程图.采用编辑软件编写汇编语言源程序，然后用汇编程序对源程序进行汇编，生成目标代码。（4）系统软、硬件调试。单片机系统的调试包括硬件调试和软件调试，在硬件调试时，首先进行电路板的静态调试.在通电前，应检查印刷电路板有无开路和断路现象，然后进行通电实验，在检查各电路的引脚电平正确无误后，再进行离线调试工作。系统的软件调试和硬件调试应同步进行，将系统按功能分成若干部分，如程序存储器，数据存储器，输入电路，输出电路等等，利用单片机仿真器等开发工具，针对不同部分的逻辑电路，各编写一小段测试程序，通过外加各种输入信号，观察程序运行结果是否与程序的功能相符，以检查硬件电路的正确性.这些测试程序稍加改动后，即可作为接口驱动程序使用.在基本上排除了系统的硬件错误后，即可分块调试系统的应用软件.此时，可利用单片机开发工具所提供的单步运行和断点运行等调试功能，逐步排除软件中的错误，最后将整个系统程序连接运行。在系统的离线调试完成后，即可将系统放到生产现场进行实际运行试验.如果所有的系统功能经验证正确无误，就可将目标程序固定下来，从而结束整个系统的开发研制工作。本课题所要实现的目标是：工作系统在工作时，电磁振动给料机按控制给定量，将贮料器中的物料送给固体流量计，流量计将实际给料量检测出来，反馈给控制系统，调节电磁振动给料机，使给料量达到系统高定值。从溜槽式固体流量计流出的物料经水平振动给料机、垂直螺旋振动给料机又回到贮料器中，构成了一个循环系统。它通过称重传感器直接采集重要信号，自动配料和混合，人机交互来实现。同时提出了提高精度的措施，改进硬件称重传感器、A/D转换器来实现精确检测信号。若是达不到生产中所需的量，通过反馈给系统改变振动频率使物量运输速度加快从而达到生产中所需的量值。2基本结构设计21 电磁振动定量给料控制系统图21为一研究电磁振动给料机给料精度控制的自动循环系统，该系统由电磁振动给料机、溜槽式固体流量计、水平振动输送机、垂直螺旋振动输送机和贮料器五部分组成。图21 电磁振动给料机自动控制系统1引流槽；2流量计弧形板；3测力杆；4支撑点；5测力传感器；6水平振动输送机；7水平振动电机（2个）；8振动料斗；9电磁振动器；10垂直振动电机（2个）；11垂直螺旋振动给料机；12贮料斗根据现在的设备情况，该控制系统在设计过程中有电磁振动给料机，垂直振动输送机和水平振动输送机。电磁振动给料机是本次控制对象，电磁振动机的控制箱作为执行机构。为了让物料循环起来，可以使用垂直振动输送机和水平振动输送机来完成物料的回流。由此构成一个物料循环给料系统。计算机控制部分，微机使用适于工业环境的计算机，A/D和D/A转换卡，使用集成为一体的采集卡。前向通道是信号的输入部分，其中的传感器和放大器，就根据系统给料的最大量，通过分析和实验来确定，使其工作在线性段较好的区域，保证流量信号的准确性。图22是系统的物料循环和流量控制图。图22 物料循环和流量控制图此工作系统工作时，电磁振动给料机按控制给定量，将贮料器中的物料送给固体流量计，流量计将实际给料量检测出来，反馈给控制系统，调节电磁振动给料机，使给料量达到系统设定值。从溜槽式固体流量计流出的物料经水平振动给料机、垂直螺旋振动给料机又回到贮料器中，构成了一个循环系统。它通过称重传感器直接采集重要信号，自动配料和混合，人机交互来实现。同时提出了提高精度的措施，改进硬件称重传感器、A/D转换器来实现精确检测信号。系统工作原理是：作为控制对象的电磁振动给料机，进行给料。给料量的大小由料斗的振幅大小决定，而振幅的大小由晶闸管的触发角有关，而触发角由控制电压决定。固体流量计用于检测物料流量，当物料速度一定时，固体流量计传感器产生的电压信号与流量成正比。这个电压信号送进计算机，经过处理，并与给定值相比较，进行运算，产生合适的控制信号，即控制电压。这个电压送进电磁振动给料机，从而使电磁振动给料机给料趋于与给定量相一致。水平振动输送机用于将固体流量计流出的物料，输送给垂直振动输送机。垂直振动输送机将物料送给电磁振动给料机，从而完成物料的循环。若是达不到生产中所需的量，通过反馈给系统改变振动频率使物量运输速度加快从而达到生产中所需的量值。下面介绍各部分结构特点。211 电磁振动给料机的工作原理及特点电磁振动给料机，又称电振机，由料槽、振动器、减振器三部分组成。激振器又由电磁铁，衔铁和装在两者之间的主振弹簧等构成，它是产生振动的激振源，可以通过控制装置对其进行控制。一般采用控制给料器的振幅来达到宣定量给料的目的。电磁振动给料机的振幅是用可控硅整流器进行调节的。电振机定量给料系统一般采用控制振幅达到定量给料的目的。本系统中的电振机是通过可控硅半波整流器控制的。电磁振动机的工作原理如图23所示。由电磁铁激振器和衔铁组成一双质体定向振动系统。当电源电流经可控硅半波整流时，在电源的正半周，可控制硅导通，有电流通过电磁铁的线圈，在电磁铁和衔铁之间产生电磁吸力，使衔铁向前移动，能量储存在弹簧中。正半周结束时，电流和电磁激励达到最大值，根据电磁感应原理，自感电势电流并不立即截止，而要延续一段时间，电流和电磁力逐渐减小，最后消失。当电磁力达到最大值时，两质体相互靠近；电磁力为零时，两质体又向相反的方向运动。这样电振机便以50Hz的电源频率往复运动。若对可控制的触发脉冲加以控制，控制触发脉冲导通角a，如图23（b）所示。当a=0时，可控制硅导通的时间最长，电磁力作用时间和力值就达到最大值，电振机的振幅也最大；而当导角从0180增大时，可控硅的导通时间和电磁铁线圈中的电流逐渐减至0，振幅也逐渐减至0，如图23（c） 所示。结合实际情况，本课题选择电磁力为非谐波形式的可控半波整流的线性电振机为研究对象。本课题采用一机部联合设计组设计的GZ系列产品GZ2型电磁振动给料机，水平安装时生产率为10吨/小时，给料粒度为50mm，双振幅为1.75mm，工作电压220v，工作电流3.0A。（a）(b)(c)图23 电磁振动器的控制原理212 溜槽式固体流量计工作原理及其特点图24 DLD 滑槽流量计 由于对于一个定量控制系统控制性能来说，检测装置是很重要的部分，检测装置的性能，很大程度上决定了整个控制系统能达到的性能。常用的固体物料流量计主要分为两类:一类是日本三协电业公司和西德E.H公司生产的ILE/ILH系列冲量流量计(或称冲板流量计)。另一类是西德申克公司生产的DLM/DLD系列溜槽流量计(或称滑槽流量计)。固体物料流量计主要由导料管(或导向溜槽)、检测机构(包括检测板或检测溜槽等)、测重传感器、称重显示控制器组成。两者除检测原理不同外,冲量流量计的测重传感器是采用差动变压器,并检测水平分力;而溜槽流量计采用电阻应变式传感器,并是检测垂直分力或水平分力两种。所以,冲量流量计对冲击震动更敏感,受物料反弹扰动和冲击系数影响较大,但检测板上粘附物料一般对测重无影响。而溜槽流量计则不同,物料在平行槽道中滑过,没有物料冲击,不受物料反弹扰动和冲击系数影响。但对于检测垂直分力的,检测溜槽上粘附物料会对计量精度产生明显影响。基于固体物料流量计的测量原理和结构,被测物料的容重、粒度、水分、粘附性以及流量状态变化对计量精度会带来明显影响。固体流量测量装置包括冲击式流量计，溜槽式流量计等。其原理是利用物料的动量，通过计量环节来连续测量。冲击式流量计是近年来发起来的连续测量设备，它是利用物料动量的改变在检测板上产生的力，产生与瞬时流量成正比例的直流信号来工作的。可是由于物料的冲击作用使颗粒之间、物料与导板之间发生不均匀的力和复杂的力会影响检测精度。溜槽式流量计工作原理是这样的：整流后的物料沿切线方向进入检测板，速度基本不变，成弧形的检测板承受偏转力，它与物料流量成正比。溜槽式流量计是利用物料的动能，通过计量环节来连续检测流量的。溜槽式流量计特点：没有运动部件，结构远比电子皮带秤简单，可靠耐用，适用范围广，对粉料状物料、块状物料、固液混合浆状物料以及腐蚀性和高料均可进行计量。溜槽式固体流量计由导板、弧形板和负载单元三部分组成，工作原理如图25所示。物料经过引流槽的整流后，从切线方向进入检测板，其速度基本保持不变。检测板为弧形，当物料通过时，由于和离心力的作用，使检测板承受偏转力，从而负载单元受到一个水平的作用力，其大小为： （1） 物料对弧形板的水平作用；R弧形板的半径；v物料的速度 g重力加速度； A，B与弧形板结构有关的常数由此可见，当弧形板的结构和物料的速度一定时，水平分力大小与物料的流量成正比。因此，通过检测负载单元所受水平力的大小，即可确定物料的流量。此次固体流量计SFM设计参考德国SCHENCK公司产品。图25 固体流量计工作原理1溜槽；2弧形板；3负载单元213 测力传感器的简介及工作原理人们通常把被测物理量或化学量转变成为电量的器件或元件叫传感器（又称变换器）。其中平时接触较多的物理量就有温度、湿度、质量、重量、力、压强、速度、加速度、长度、角度、液位、流量、密度等，与此相以对应，生产和生活中就需要温度传感器、湿度传感器、称重测力传感器、压强传感器等等。随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。此课题中所选用的是称重传感器。电阻应变式传感器在称重传感器中所占的比例为90%以上，因此本课题也采用电阻应变式。该传感器的工作原理是将电阻应变计粘贴在弹性敏感元件上，然后，以适当的方式组成电桥，从而将物体的质量转换成电信号。称重传感器主要有两部分组成，第一部分是弹性敏感元件，他将被测物体的压力质量转换为弹性体的应变值；第二部分是作为传感元件的电阻应变计，他将弹性体的应变同步的转换为电阻值的变化。弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。因此电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。即敏感元件电阻应变计；传感元件弹性体；测量电路惠斯通电桥。（1）电阻应变片电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作，这种材料的泊松系数是。当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R： R = L/S （2）当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。设其伸长dL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少dr。此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作d。即导体电阻也随之发生变化。图26 导体受力变形时参数变化对式（2）取对数得： 再对上式两边全微分得： （3）式中为电阻的相对变化；为材料的轴向线应变，常用单位为微应变（）；为截面积的相对变化。因为 （r为金属丝半径）则 则 得 （4）式中，为金属丝半径的相对变化，由线应变定义（径向应变）。在弹性限内金属丝沿长度方向伸长时，径向尺寸缩小，反之亦然。即轴向应变与径向应变有下面关系成立 （5）将式（5）代入式（4）中得 代入式（3）中得 （6） （7）其中 式（7）说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。需要说明的是：灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。（2）弹性体弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。（3）检测电路检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。本系统由微机控制称重传感器的称重和比较，并输出控制信号，执行定值称量，控制外部给料系统的运转，实行自动称量和快速分装的任务。系统采用MCS-51单片机和V/F电压频率变换器等电子器件，其硬件电路框图如图27所示，用8031作为中央处理器，BCD拔码盘作为定值设定输入器，物料装在料斗里，其重量使传感器弹性体发生变形，输出与重量成正比的电信号，传感器输出信号经放大器放大后，输入V/F转换器进行A/D转换，转换成的频率信号直接送入8031微处理器中，其数字量由微机进行处理。微机一方面把物重的瞬时数字量送入显示电路，显示出瞬时物重，另一方面则进行称重比较，开启和关闭加料口、放料于箱中等一系列的称重定值控制。 显 示MCS-51（8031）定值控制V/F变换放 大稳重传感器图27 原理框图称重传感器是压力测量传感器，它常用于静态测量和动态测量，压缩形式具有较好的精度。它的机械部分是由一整块的金属部分组成，所以这个基本的测量元件和它的外壳部分没有焊接过程，从而使尺寸更小，并且加强了保护等级，这种测量结构减少了因负载不均匀带来的误差。结合本课题，选用上海自动化仪表股份有限公司的BHR-8型电阻应变式荷重传感器。它采用弹性梁以及电阻应变片为敏感转换元件，其线性程度良好，线性范围大，在测量领域，特别是在称量工业上有广泛的应用。其性能参数有：工作电压：10V；量程：10；输出灵敏度：；输出阻抗：240；非线性度：A级；B级适用环境温度：，允许过载12。214 物料循环辅助设备为了能够进行连续给料，系统应该包括物料的循环部分，以便使从固体流量计流出的物料重新回到电磁振动给料机，可以使用实验室现有设备，这里我们采用垂直振动输送机和水平振动输送机。（1）垂直振动输送机图2.8垂直振动输送机交叉轴式自同步垂直振动输送机由螺旋槽体，交叉安装的激振电机和隔振弹簧组成。两个交叉安装的激振电机安装在底座上，底座上安装有螺旋槽体，并用螺栓坚固。整机支承于隔振弹簧上，经过隔振弹簧薄底座。激振电机在电机的轴两端装有偏心块，采用双输出轴，因而激振电机回转时，偏心块将产生激振力，该振动机的两台激振电机无任何联系，当两电机交叉安装时，根据力学原理，在一定条件下，可实现同步运转，并产生垂直方向的激振力和绕垂直轴的激振力矩。这样螺旋槽体上的任何一点均会产生垂直振动和绕垂直轴的扭转振动。两种振动的组合，是一种组合振动。这种振动可使物料滑翔螺旋槽向上输送。激振电机的同步转速为750，1000，1500次/分，振幅可为36mm，最大不超过10mm。振动方向线与螺旋槽的夹角我们取为2045。调节电机轴线和槽体的夹角，可以改变激振力的方向，从而改变垂直振动输送机的物料输送速度。采用垂直振动输送机将从水平振动输送机送过来的物料 ，从低处输送到电磁振动给料机料槽口。改变振动角可改变物料的输送速度，使它应能及时地将物料送给电磁振动给料机，使电磁振动给料机的料位保持在一定的高度。在物料循环系统中，垂直振动输送机的最大给料量是一个定量输送量的上限。（2）水平振动输送机水平振动输送机由管状槽体，激振电机和弹簧组成。和垂直振动输送机类似，它的激振力由激振电机的偏心块提供。槽体通过隔振弹簧与底座相连，激振力与槽体成振动方向，调节振动方向角，可以调节输送物料的速度。215 振动料斗 在电子工业中，电磁式圆周振动料斗常简称为振动料斗。振动料斗是借助于电磁力产生微小的振动，依靠惯性力和重力的综合作用驱使件料沿料槽向上向前送进，并在送料过程中自动定向，成单行按规定的方向和位置排列送出，它是一种常用的上料机构，常用振动料斗的典型结构如图29所示，振动料斗上料时具有以下的优点：送料和定向过程中没有机械搅动，撞击和强烈的摩擦作用，因此一般不致于破坏件料的精度和加工表面，也不会产生堵塞现象，对于已经加工的件料，以及薄壁、弹性、脆性制件使用这种料斗是很合适的；定向容易，通用性强，输送形状特征不相同的件料，只要更换定向元件，振动料斗的其它结构都可采用；送料率高，且送料速度易于调整；结构简单，易于维护，比较耐用。图29 振动料斗及其结构图216 对控制系统的技术要求该控制系统由单片机组成微控制器，系统强电设备由微挖掘器控制启停。其要求如下：（1