文/侯 明 劉永生 （.滁州市技術(shù)監(jiān)督檢測中心；.滁州市市場監(jiān)管綜合執(zhí)法支隊）

傳統(tǒng)乳制品灌裝檢測環(huán)節(jié)采用的是人工檢測方式，通過目測液面高度的方法來判斷裝填量是否達(dá)到要求，并將不合格品手動移出生產(chǎn)線，效率不高且易出錯；機(jī)器檢測能夠嚴(yán)格保證檢測的精度，且可以不間斷工作，動態(tài)測量每瓶乳制品的重量信息，實現(xiàn)對定量灌裝是否合格的判定。機(jī)器檢測通過稱重傳感器和稱重模塊完成，對產(chǎn)品重量數(shù)據(jù)取若干最小值并計算均值后，與定量值比對來完成檢測，并將檢測結(jié)果輸出給PLC，由PLC 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動將不合格產(chǎn)品移出生產(chǎn)線。用機(jī)器檢測替代人工檢測，可大幅度提高檢測精度和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

一、稱重模塊傳感器分類、原理及其特點

稱重傳感器和稱重模塊是乳制品定量灌裝檢測裝置的核心，用于判斷產(chǎn)品灌裝是否合格，稱重傳感器的工作原理是將被測物體上的重力按一定比例轉(zhuǎn)換成可計量的輸出信號，它的精度決定了定量灌裝檢測的準(zhǔn)確度，所以選擇合適的稱重傳感器十分重要。目前使用的稱重傳感器根據(jù)原理分類主要有5 種。

1.電阻應(yīng)變式傳感器

原理：將電阻應(yīng)變計（電阻應(yīng)變片）粘貼在彈性體上，當(dāng)彈性體受外力（拉力或壓力）作用產(chǎn)生形變時，電阻應(yīng)變計將該形變轉(zhuǎn)化成電量輸出。電量輸出值與外力的大小存在一定的比例關(guān)系，因此檢測出電量的輸出，便可以求得所稱重的質(zhì)量[1]。

優(yōu)點：精度高、測量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、頻響特性好；易于實現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化。

缺點：對于大應(yīng)變有較大的非線性；輸出信號弱，但可以采取一定的補(bǔ)償措施。

2.電容應(yīng)變式傳感器

原理：通過彈性體將物體質(zhì)量轉(zhuǎn)換成位移，引起電容和電感的改變；電容和電感的改變值與位移量存在一定的比例關(guān)系，利用相應(yīng)的檢測儀器測出電容量的變化量，便可以求得質(zhì)量[2]。

優(yōu)點：高阻抗，小功率、較高的信噪比，系統(tǒng)穩(wěn)定，動態(tài)響應(yīng)快，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，可以在惡劣環(huán)境下工作。

缺點：負(fù)載能力差，輸出特性非線性，寄生電容影響大。

3.壓磁式傳感器

原理：鐵磁物質(zhì)在外加質(zhì)量作用下其磁導(dǎo)系數(shù)和磁阻會發(fā)生改變，從而使繞在鐵芯上的線圈阻抗發(fā)生變化，線圈阻抗的變化與質(zhì)量成一定比例關(guān)系，檢測出線圈阻抗的變化，便可求得質(zhì)量[3]。

優(yōu)點：輸出功率大，抗干擾能力強(qiáng)，過載性能好，結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，能在惡劣環(huán)境下工作。

缺點：測量精度不高，反應(yīng)速度慢。

4.壓電式傳感器

原理：某些晶體介質(zhì)在受到一定方向外加質(zhì)量的作用時，會引起內(nèi)部正負(fù)電荷的相對轉(zhuǎn)移，從而使晶體管兩端表面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與質(zhì)量存在一定的比例關(guān)系，通過檢測電荷密度便可以求得質(zhì)量[4]。

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，頻響高，靈敏度高，信噪比大。

缺點：某些壓電材料需要防潮，輸出的直流響應(yīng)差。

5.振頻式傳感器

原理：金屬絲或金屬膜片的固有振動頻率不僅與其幾何尺寸、密度、材料有關(guān)，還與內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。幾何尺寸、材料、密度一定時，外加的質(zhì)量可以改變其內(nèi)部應(yīng)力，因而其振動頻率也就會相應(yīng)改變，外加質(zhì)量與頻率改變存在一定的比例關(guān)系，因此檢測出頻率的變化量，便可求出質(zhì)量[5]。

優(yōu)點：高精度，高分辨率，高抗干擾能力，適于長距離傳輸，能直接與數(shù)字設(shè)備相連接。

缺點：要求材料質(zhì)量高，加工工藝復(fù)雜，成本高。

二、傳感器的選擇

乳制品定量灌裝檢測裝置測量的是處于運動狀態(tài)的物體，對測量精度要求較高，還要求能在潮濕環(huán)境中穩(wěn)定工作，且有一定的負(fù)載能力，同時還應(yīng)考慮綜合簡化結(jié)構(gòu)和低成本等因素。電容應(yīng)變式傳感器和壓磁式傳感器測量精度較低，壓電式傳感器不能在潮濕環(huán)境中穩(wěn)定工作，振頻式傳感器的成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而電阻應(yīng)變式傳感器測量精度高，能適應(yīng)潮濕環(huán)境，成本相對較低，能滿足以上需求，所以選擇電阻應(yīng)變式傳感器。

電阻應(yīng)變傳感器又分為組合式、膜片式、應(yīng)變梁式和應(yīng)變管式，其中應(yīng)變梁（剪切梁）式傳感器輸出信號不受測力點方位改動的影響，線性好、精度高、響應(yīng)快，可以實時檢測重量信息；高度低、體積小、重量輕、易于安裝和維護(hù)；結(jié)構(gòu)簡單、易于密封?；谝陨显颍橹破范抗嘌b檢測裝置選用應(yīng)變梁式電阻應(yīng)變式傳感器。參考生產(chǎn)商產(chǎn)品目錄，選擇PW2D-C3MR-7.2KG 稱重傳感器。

三、控制器與程序分析

在檢測過程中，傳感器檢測到信號后傳輸給控制器，控制器根據(jù)規(guī)劃好的程序?qū)⒚畎l(fā)給執(zhí)行器，低電平為合格，高電平為不合格，對不合格產(chǎn)品進(jìn)行篩除。

乳制品灌裝后，從進(jìn)入測量臺到完全離開測量臺，稱重傳感器的信號采集頻率為60 Hz，傳感器可以檢測到11 個距離數(shù)據(jù)。工控機(jī)C 語言程序?qū)@組數(shù)據(jù)取幾個最大值并計算均值后與設(shè)定值對比，判定定量灌裝是否合格，并將判定結(jié)果輸出給可編程邏輯控制器（PLC），由PLC 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動?？刂破餍枰瓿蓪?shù)據(jù)的收集分析工作并控制電機(jī)運動。

由于需要收集和處理的數(shù)據(jù)較為龐大，一般的控制器都無法實現(xiàn)如此大量的數(shù)據(jù)處理，為了確保檢測單元的檢測精度，本次設(shè)計選用C 語言程序控制。程序設(shè)計流程為：在輸入端輸入一組數(shù)據(jù)，求出10 個最大值并計算均值，將均值與一個設(shè)定值進(jìn)行比較，比設(shè)定值大則輸出高電平（判定不合格），比設(shè)定值小則輸出低電平（判定合格）。程序如下：

其中weight 數(shù)值（設(shè)定值）可以調(diào)整改變，以滿足實際需要，C 語言輸出的結(jié)果為機(jī)器可以讀懂的0 和1，從而實現(xiàn)對電機(jī)的控制，將檢測結(jié)果不合格的產(chǎn)品移出生產(chǎn)線。

由于本次需要處理的信息量大，計算過程需要大量的存儲空間分配，傳統(tǒng)的單片機(jī)無法完成，所以工控機(jī)選擇為工業(yè)平板電腦一體機(jī)。控制系統(tǒng)理論程序在實際運行時還需進(jìn)行微調(diào)，工業(yè)平板電腦一體機(jī)預(yù)裝操作系統(tǒng)，且自帶有觸摸屏幕，人機(jī)交互性很好，可以直觀而快速的編寫和修改控制程序。

四、結(jié)語

本文通過對乳制品自動化灌裝的分析，得到了乳制品定量灌裝檢測裝置所要滿足的功能需求，并對這些功能需求的實現(xiàn)方案進(jìn)行了分析，設(shè)計出最優(yōu)的方案選擇和檢測單元工作的流程。通過傳感器選擇和傳動設(shè)計，檢測單元動態(tài)稱重精度可以達(dá)到1 g，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)30 件每分鐘的檢測速度，大大提高了檢測效率，降低了生產(chǎn)時間成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，滿足了最初設(shè)計的需求。