乳制品定量灌裝檢測裝置的設計

文/侯 明 劉永生 （.滁州市技術監督檢測中心；.滁州市市場監管綜合執法支隊）

傳統乳制品灌裝檢測環節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到要求，并將不合格品手動移出生產線，效率不高且易出錯；機器檢測能夠嚴格保證檢測的精度，且可以不間斷工作，動態測量每瓶乳制品的重量信息，實現對定量灌裝是否合格的判定。機器檢測通過稱重傳感器和稱重模塊完成，對產品重量數據取若干最小值并計算均值后，與定量值比對來完成檢測，并將檢測結果輸出給PLC，由PLC 控制電機的轉動將不合格產品移出生產線。用機器檢測替代人工檢測，可大幅度提高檢測精度和生產效率，降低生產成本，獲得更好的經濟效益。

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原理分類主要有5 種。

1.電阻應變式傳感器

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

優點：精度高、測量范圍廣、結構簡單、頻響特性好；易于實現小型化、整體化和品種多樣化。

缺點：對于大應變有較大的非線性；輸出信號弱，但可以采取一定的補償措施。

2.電容應變式傳感器

原理：通過彈性體將物體質量轉換成位移，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系，利用相應的檢測儀器測出電容量的變化量，便可以求得質量[2]。

優點：高阻抗，小功率、較高的信噪比，系統穩定，動態響應快，結構簡單，適應性強，可以在惡劣環境下工作。

缺點：負載能力差，輸出特性非線性，寄生電容影響大。

3.壓磁式傳感器

原理：鐵磁物質在外加質量作用下其磁導系數和磁阻會發生改變，從而使繞在鐵芯上的線圈阻抗發生變化，線圈阻抗的變化與質量成一定比例關系，檢測出線圈阻抗的變化，便可求得質量[3]。

優點：輸出功率大，抗干擾能力強，過載性能好，結構簡單，壽命長，能在惡劣環境下工作。

缺點：測量精度不高，反應速度慢。

4.壓電式傳感器

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

優點：結構簡單，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，還與內部應力狀態有關。幾何尺寸、材料、密度一定時，外加的質量可以改變其內部應力，因而其振動頻率也就會相應改變，外加質量與頻率改變存在一定的比例關系，因此檢測出頻率的變化量，便可求出質量[5]。

優點：高精度，高分辨率，高抗干擾能力，適于長距離傳輸，能直接與數字設備相連接。

缺點：要求材料質量高，加工工藝復雜，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的物體，對測量精度要求較高，還要求能在潮濕環境中穩定工作，且有一定的負載能力，同時還應考慮綜合簡化結構和低成本等因素。電容應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境中穩定工作，振頻式傳感器的成本高結構復雜，而電阻應變式傳感器測量精度高，能適應潮濕環境，成本相對較低，能滿足以上需求，所以選擇電阻應變式傳感器。

電阻應變傳感器又分為組合式、膜片式、應變梁式和應變管式，其中應變梁（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；結構簡單、易于密封。基于以上原因，乳制品定量灌裝檢測裝置選用應變梁式電阻應變式傳感器。參考生產商產品目錄，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，控制器根據規劃好的程序將命令發給執行器，低電平為合格，高電平為不合格，對不合格產品進行篩除。

乳制品灌裝后，從進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 個距離數據。工控機C 語言程序對這組數據取幾個最大值并計算均值后與設定值對比，判定定量灌裝是否合格，并將判定結果輸出給可編程邏輯控制器（PLC），由PLC 控制電機的轉動。控制器需要完成對數據的收集分析工作并控制電機運動。

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

其中weight 數值（設定值）可以調整改變，以滿足實際需要，C 語言輸出的結果為機器可以讀懂的0 和1，從而實現對電機的控制，將檢測結果不合格的產品移出生產線。

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，傳統的單片機無法完成，所以工控機選擇為工業平板電腦一體機。控制系統理論程序在實際運行時還需進行微調，工業平板電腦一體機預裝操作系統，且自帶有觸摸屏幕，人機交互性很好，可以直觀而快速的編寫和修改控制程序。

四、結語

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方案進行了分析，設計出最優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計，檢測單元動態稱重精度可以達到1 g，理論上能夠實現30 件每分鐘的檢測速度，大大提高了檢測效率，降低了生產時間成本，具有很好的經濟效益，滿足了最初設計的需求。