孫路 孫增慧

摘要：針對(duì)目前科學(xué)研究中稱重系統(tǒng)的自動(dòng)化程度低，耗費(fèi)大量人力和物力、效率低、誤差大、準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn)，本文將壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集器（CR1000）耦合，基于 Logger Net 4.0 編程軟件，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)稱重系統(tǒng)。該系統(tǒng)能按設(shè)定的時(shí)間間隔測(cè)量質(zhì)量并記錄所測(cè)質(zhì)量信息。通過(guò)稱重試驗(yàn)證明，該自動(dòng)稱重系統(tǒng)理論成立，獲取的室內(nèi)質(zhì)量數(shù)據(jù)誤差在0.5%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱重信息數(shù)據(jù)的在線管理和自動(dòng)存儲(chǔ)功能，為科研稱重工作提供了一個(gè)高效的途徑和新的技術(shù)嘗試。

關(guān)鍵詞：智能；稱重；科研工作

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）05-0238-02

1 前言

眾所周知，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究需要投入大量的人力、物力和時(shí)間，如何將人力從煩瑣的實(shí)驗(yàn)中解放出來(lái)，從而提高科研工作效率是科研工作者需要不斷探索的重點(diǎn)問(wèn)題之一。通過(guò)稱量重量來(lái)獲得科學(xué)數(shù)據(jù)，是土地工程科研實(shí)驗(yàn)中必不可少的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。

隨著科學(xué)技術(shù)日益發(fā)展，稱重技術(shù)從以對(duì)稱思想為原理的機(jī)械桿秤階段步入了以電子技術(shù)為依托的電子稱重時(shí)代[1]。隨著電子技術(shù)和微處理機(jī)的快速發(fā)展，電子稱重技術(shù)日益完善[2]，到70年代末，全面步入電子和數(shù)字化稱量的階段[3]。截至目前，快速稱量、方便讀數(shù)、稱量準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)使它廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸[4]、建筑[5]、醫(yī)療[6]、航天航空、運(yùn)輸[7]、貿(mào)易、餐飲[8]等各大行業(yè)領(lǐng)域[9]。但大多數(shù)稱重系統(tǒng)的自動(dòng)化程度低，無(wú)法獲得連續(xù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[10]，從而導(dǎo)致很多科研過(guò)程無(wú)法捕獲、科學(xué)現(xiàn)象不能準(zhǔn)確解釋。而自動(dòng)稱重系統(tǒng)可解決這些缺點(diǎn)，獲得連續(xù)且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，大大提高工作效率和減少誤差[11]。尤其是在土地工程科研工作中，人工測(cè)量重量時(shí)，需要將待測(cè)樣品放到電子天平上，等待穩(wěn)定，讀數(shù)記錄。這種方法不連續(xù)，無(wú)法獲得動(dòng)態(tài)連續(xù)的數(shù)據(jù)，且機(jī)械重復(fù)，單調(diào)乏味；為了將科研工作者從簡(jiǎn)單的重復(fù)工作中解放出來(lái)，將更多的精力投入到其他創(chuàng)造性工作中去，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)稱重的裝置、系統(tǒng)。但是我國(guó)在這方面的產(chǎn)品少且功能不齊全，所以改善現(xiàn)有稱重裝置，開(kāi)發(fā)研究功能齊全的自動(dòng)稱重系統(tǒng)是勢(shì)在必行的[12]。

本文基于此，設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)稱重系統(tǒng)，既能獲取稱重信息，又能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱重信息數(shù)據(jù)的采集與管理，而且其穩(wěn)定性好，稱量速度快、精度高，可連續(xù)自動(dòng)稱重，實(shí)現(xiàn)稱重?cái)?shù)據(jù)的自動(dòng)采集與存儲(chǔ)，在更精準(zhǔn)的時(shí)間尺度上捕獲科研實(shí)踐的變化過(guò)程，為生產(chǎn)和科研實(shí)踐中提供一個(gè)良好的技術(shù)支持。

2 連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

本文設(shè)計(jì)的連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)是在室內(nèi)條件下進(jìn)行測(cè)試的，由12V蓄電池、電阻應(yīng)變式壓力傳感器（50kg），壓力傳感器的上下承載面為電木板、數(shù)據(jù)采集儀（CR1000）組成，通過(guò)Logger Net 4.0軟件的CRbasic編譯器編寫(xiě)自動(dòng)稱重程序、數(shù)據(jù)處理程序和稱重控制程序，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集儀的耦合。其工作原理是利用彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片將被測(cè)壓力物理量轉(zhuǎn)換為電阻變化值進(jìn)行測(cè)量。通俗講，就是將非電量的力轉(zhuǎn)換為電量，進(jìn)行參數(shù)調(diào)試，從而得到壓力與電量之間對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，利用Logger Net 4.0軟件的CRbasic編譯器將測(cè)試得出的線性關(guān)系編寫(xiě)進(jìn)程序中，通過(guò)不斷地測(cè)試校正自動(dòng)稱重模型的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3 測(cè)試分析

參數(shù)調(diào)試的條件設(shè)為室內(nèi)，默認(rèn)為無(wú)風(fēng)條件下，測(cè)試溫度為20℃±2℃，電木板重量0.243kg。選取已知重量的砝碼放于設(shè)計(jì)的壓力傳感器上進(jìn)行稱量，測(cè)試時(shí)間設(shè)為每分鐘記錄一次。為驗(yàn)證線性關(guān)系的準(zhǔn)確性和可靠性，選取多個(gè)已知重量的砝碼，結(jié)果如下表：

通過(guò)Excel軟件，發(fā)現(xiàn)測(cè)試所得數(shù)據(jù)與已知數(shù)據(jù)存在線性關(guān)系，關(guān)系為：

y=-0.0469x+0.0067 R2=1 （1）

式中，y為壓力傳感器測(cè)試重量kg；x為已知砝碼重量kg。

利用Logger Net 4.0軟件的CRbasic編譯器將測(cè)試得出的線性關(guān)系編寫(xiě)進(jìn)數(shù)據(jù)處理程序中，通過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，壓力傳感器測(cè)出的砝碼重量比實(shí)際重量始終高出0.054±0.002 kg，在原有的數(shù)據(jù)處理程序中的將線性關(guān)系中的y值減去0.054，得到新的線性關(guān)系程序。

為保證數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，在室內(nèi)測(cè)試選取砝碼重量為10.2kg進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)采集器設(shè)定為每10分鐘采集一次，測(cè)試時(shí)間共計(jì)2小時(shí)，結(jié)果如下表所示。

通過(guò)上表可知：參數(shù)在不斷校正后，在室內(nèi)測(cè)試條件下，該智能稱重系統(tǒng)得出的數(shù)值絕對(duì)誤差在5.1%以內(nèi)，相對(duì)誤差在0.5%之內(nèi)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證該理論的可行性，在室外溫度30℃±2℃、風(fēng)速默認(rèn)無(wú)的條件下，選取不同已知砝碼，數(shù)據(jù)采集器設(shè)定為每10分鐘采集一次，共計(jì)2小時(shí)的測(cè)試時(shí)間，結(jié)果如下表所示。

由上表可知：在室外測(cè)試條件下，該智能稱重系統(tǒng)得出的數(shù)值絕對(duì)誤差在15%以內(nèi)，相對(duì)誤差在8.3%之內(nèi)。

4 結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知，該連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)的理論具有可行性。室內(nèi)的測(cè)試精度符合多數(shù)實(shí)驗(yàn)的精度要求，室外的測(cè)試精度符合部分大田實(shí)驗(yàn)的精度要求。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)外界溫度對(duì)該連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)存在或多或少的影響，為解決上述問(wèn)題，后期的研究重點(diǎn)為如何降低稱重誤差，尋找該系統(tǒng)誤差可能出現(xiàn)的原因。例如，如何進(jìn)行溫度補(bǔ)差、歸零程序的參數(shù)如何設(shè)定等方面。從而獲得更加科學(xué)和準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，促進(jìn)該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

5 自動(dòng)稱重系統(tǒng)在土地工程科研中的應(yīng)用展望

從實(shí)際測(cè)量結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)理論成立，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、可智能記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、設(shè)備簡(jiǎn)單、費(fèi)用低，室內(nèi)相對(duì)誤差在0.5%，室外相對(duì)誤差在8.3%，符合部分室內(nèi)試驗(yàn)及大田實(shí)驗(yàn)的精度要求，可得到普遍推廣。連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)可與需要獲取連續(xù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備組合，例如，與稱重式蒸滲儀組成自動(dòng)稱重式蒸滲儀、與水鹽運(yùn)移土柱設(shè)備組成自動(dòng)水鹽運(yùn)移土柱稱重系統(tǒng)、與土面/水面蒸發(fā)量測(cè)量設(shè)備組成自動(dòng)稱重式土面/水面蒸發(fā)系統(tǒng)等。

本文的連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)是在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試編程的，使用條件有限，但實(shí)驗(yàn)原理成立，下一步將在不同的室外條件下進(jìn)行不斷測(cè)試和調(diào)參，進(jìn)一步擴(kuò)大該連續(xù)自動(dòng)稱重系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，力求不管是室內(nèi)或室外，均可獲取精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，提高土地工程基礎(chǔ)科研工作的效率，為土地工程事業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】