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一、動(dòng)態(tài)測量

    人們常常希望測力稱重是在正常作業(yè)中同時(shí)完成的，即盡量不占用或少占用時(shí)間。例如在軋鋼廠中，從坯料加熱到軋制成材是一個(gè)連續(xù)的作業(yè)，為掌握加熱過程中的燒損率及產(chǎn)品的成材率，要求在不干擾正常生產(chǎn)的同時(shí)，對(duì)鋼材進(jìn)行快速或短時(shí)稱量。

    在港口吞吐貨物的計(jì)量中，為不影響裝卸速度，常常要求貨物在輸送或吊運(yùn)過程中同時(shí)完成稱量。此時(shí)無論是皮帶秤上流經(jīng)的散料，或是運(yùn)動(dòng)的吊秤下懸掛的貨物，均處在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。有時(shí)要對(duì)高速公路上行駛的汽車，或者鐵道上運(yùn)行的火車進(jìn)行稱量。有時(shí)要對(duì)活的動(dòng)物，諸如牛群，醫(yī)用小免等進(jìn)行稱量。有時(shí)要在運(yùn)動(dòng)的或振動(dòng)的環(huán)境中，諸如在遠(yuǎn)洋輪船、飛機(jī)或貨車上對(duì)物體進(jìn)行稱量。

    在機(jī)加工行業(yè)中，與加工中心相結(jié)合的柔性制造系統(tǒng)(FMS)，大大提高了機(jī)床的加工適

應(yīng)性和加工效率。但刀具破損已經(jīng)成為系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要故障，常常需要用動(dòng)態(tài)測力儀來連續(xù)地監(jiān)測回轉(zhuǎn)刀具的運(yùn)行狀況。安裝在機(jī)器人手臂與手爪之間的“關(guān)節(jié)”多分量傳感器，在機(jī)械手操作肘提供三維的力和力矩，它也是在運(yùn)動(dòng)條件下進(jìn)行測量的。

    所有上述情況形成了動(dòng)態(tài)測力稱重計(jì)量，它們的特征可以歸納為：

    (1)被測對(duì)象處于非靜止?fàn)顟B(tài)，即被測力或稱重的物體在運(yùn)動(dòng)；

    (2)測量環(huán)境處于非靜止?fàn)顟B(tài)，即測力稱重計(jì)量儀器置于其中的測量床身、臺(tái)面或支架等在運(yùn)動(dòng)；

    (3)在短時(shí)內(nèi)進(jìn)行快速測量，即測量時(shí)間短于測力稱重計(jì)量儀器的調(diào)定時(shí)間。

    為了進(jìn)行快速、連續(xù)、準(zhǔn)確的測量，求得被測量的穩(wěn)態(tài)示值，就要求對(duì)測力稱重傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及由此而組成的動(dòng)態(tài)測力稱重系統(tǒng)進(jìn)行正確的描述和分析，還要求削弱動(dòng)態(tài)測力稱重計(jì)量誤差并進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。比如對(duì)動(dòng)態(tài)吊秤，有人提出為削弱縱向振動(dòng)所致的高頻干擾，可進(jìn)行橋式動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與閥值動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；為削弱橫向擺動(dòng)所致的低頻干擾，可進(jìn)行三點(diǎn)式補(bǔ)償?shù)取?/span>

在研究動(dòng)態(tài)稱重計(jì)量時(shí)，通常的方法是同時(shí)或單獨(dú)測出重物的加速度、位移與速度，然后用數(shù)值積分方法或直接方法求解稱重過程的微分方程以求得重量。現(xiàn)時(shí)的方法則是把動(dòng)態(tài)稱重作為一個(gè)參數(shù)估計(jì)和預(yù)測問題來處理，即首先根據(jù)有關(guān)稱重系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，推導(dǎo)出一個(gè)含有未知參數(shù)的模型，然后用該模型去擬合稱重過渡過程信號(hào)，從而獲得最小平方誤差意義上的參數(shù)估計(jì)。由于被測重量可以看成是稱重過程的終值，它可以用模型參數(shù)加以估計(jì)或預(yù)測出來。

在動(dòng)態(tài)測力稱重計(jì)量方面，盡管傳感器的最新硬件技術(shù)起著重要的作用，但是基于動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型的軟件技術(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)測量的算法來說卻是更為本質(zhì)和更為重要的。這也就是說，應(yīng)當(dāng)利用測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，把解決問題的主要精力放在軟件方面，誠然，硬件和軟件這兩條途徑，對(duì)于研究動(dòng)態(tài)測力稱重技術(shù)都是必要的。

二、  自動(dòng)在線測量

    自1958年自動(dòng)在線的連續(xù)稱重裝置問世之前，生產(chǎn)線上產(chǎn)品的稱重或重量控制都是人工進(jìn)行的，即定時(shí)取出，分別稱量。這種“抽樣檢查”方法，顯然已不適應(yīng)當(dāng)前高速生產(chǎn)、質(zhì)量管理和切實(shí)保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益的要求。為了不觸犯有關(guān)法規(guī)，比方在美國不觸犯NIST44號(hào)手冊(cè)和133號(hào)手冊(cè)的要求，制造商們對(duì)直接銷售的產(chǎn)品已開始采用100%重量檢驗(yàn)的原則。如果不能進(jìn)行在線自動(dòng)稱重，制造商寧可采用稍微超重裝料，的原則，以防份量不足，丟失信譽(yù)。

    實(shí)際上，在生產(chǎn)過程中需要快速而簡易地在線采集和校驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如果連續(xù)出現(xiàn)一組次品，生產(chǎn)者即應(yīng)關(guān)閉生產(chǎn)線并立即檢查原由。因此，傳統(tǒng)的抽查方式已不再適用，有逐漸被在線檢測取而代之的趨勢。七十年代末微機(jī)引入稱重計(jì)量儀表，給稱重技術(shù)的發(fā)展注入了活力。當(dāng)前，用于在線測量的，自動(dòng)秤，已不僅僅是為了剔除重量不足的產(chǎn)品，更是為了進(jìn)行重量控制、統(tǒng)計(jì)分析與處理。

稱重計(jì)量儀表與計(jì)算機(jī)相聯(lián)后可以編制出生產(chǎn)者想要的書面報(bào)告，例如實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)的直方圖，重量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，運(yùn)行的平均值，相關(guān)的參數(shù)報(bào)告、統(tǒng)計(jì)報(bào)告以及按時(shí)間、數(shù)量或重量分類的間隔報(bào)告等。因此，生產(chǎn)者可以在遠(yuǎn)離計(jì)量站的質(zhì)量控制室里，通過遙控面板來改變參數(shù)，而不必再在生產(chǎn)線上來回走動(dòng)，他甚至可以同時(shí)看管幾條生產(chǎn)線。對(duì)于食品、化妝品、藥品以及化工等行業(yè)而言，這種在線測量的自動(dòng)秤無疑將使生產(chǎn)管理者的工作變得簡煉、準(zhǔn)確、安全而高效。

用于重量在線測量的自動(dòng)秤主要有以下4種：

    (1)重力式裝料自動(dòng)秤。它是通過自動(dòng)稱量程序，把重量預(yù)定的、實(shí)際上是重量恒定的散狀物品裝入容器的自動(dòng)秤，簡稱定量秤。它主要由一個(gè)自動(dòng)給料器或者與一個(gè)或多個(gè)稱量單元相關(guān)的裝置，以及適當(dāng)?shù)目刂蒲b置與卸料裝置組成。

    (2)抓料自動(dòng)秤。它是對(duì)重量非預(yù)定的、分離的物品進(jìn)行稱量的自動(dòng)秤，可以用于按重量對(duì)物品進(jìn)行分類，例如檢驗(yàn)秤、分選秤，也可以用于按重量對(duì)單個(gè)物品進(jìn)行計(jì)價(jià)并打上標(biāo)簽，例如價(jià)格標(biāo)簽秤。

    (3)連續(xù)累計(jì)自動(dòng)秤。它是安裝在皮帶輸送機(jī)的適當(dāng)位置上，對(duì)散狀物料進(jìn)行連續(xù)、累計(jì)稱量的自動(dòng)秤，簡稱皮帶秤。

    (4)非連續(xù)累計(jì)自動(dòng)秤。它是把一批散料分成若干份分離的、不連續(xù)的載荷，按預(yù)定程序依次稱量每一份載荷后分別進(jìn)行累計(jì)，以求得該批物料總量的自動(dòng)秤，簡稱累計(jì)料斗秤。

檢驗(yàn)秤是將不同重量的物品，按其重量與標(biāo)稱設(shè)定值之差，細(xì)分為兩組或多組的抓料自動(dòng)秤。分選秤則是按給定的重量范圍，細(xì)分為若干組的抓料自動(dòng)秤。皮帶秤無需對(duì)物料按重量進(jìn)行細(xì)分，輸送機(jī)的皮帶可按單一速度或多種速度運(yùn)轉(zhuǎn)。料斗秤在逐次稱量時(shí)物料的重量通常各不相等，在確定每斗的實(shí)際重量后即進(jìn)行累計(jì)。帶有包裝機(jī)構(gòu)的定量秤，即是包裝秤或灌袋秤。以上不向種類的自動(dòng)秤，在重量的自動(dòng)在線測量中各具特色，將發(fā)揮不同的作用。

三、模型化測量

    測力稱重儀器作為一種常用的計(jì)量測試器具，可以認(rèn)為近百年來經(jīng)歷了4個(gè)階段；首先是半個(gè)多世紀(jì)的機(jī)械式的模擬儀器時(shí)代，接著是機(jī)電式的電氣儀器和電子儀器時(shí)代，然后于七十年代末跨入近期的數(shù)字化儀器和微機(jī)化儀器時(shí)代，隨之而來的便是九十年代開始進(jìn)入了模型化測量(MBM)儀器的新時(shí)代。

    這是因?yàn)槿藗儾粌H要求得到測量結(jié)果，還要求對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，即對(duì)被測的重量和力值進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)、診斷或趨勢分析。人們實(shí)際面對(duì)的，常常是需要實(shí)時(shí)測量的、多變量的動(dòng)態(tài)過程或系統(tǒng)。所以，僅僅采用傳統(tǒng)的測量方法及數(shù)值處理手段是不夠的，而需要借助于模型建立和參數(shù)估計(jì)，以實(shí)現(xiàn)智能化測量。

智能測力稱重儀器與微機(jī)化測力稱重儀器的顯著區(qū)別，就在于智能儀器中無論是學(xué)習(xí)、推理，判斷或自適應(yīng)等功能，均需要各種數(shù)學(xué)模型構(gòu)成的知識(shí)層：

    事實(shí)上，利用數(shù)學(xué)模型或模型化測量的稱重測力方法是很有前途的。它把測量視為一個(gè)過程，把計(jì)量儀器視為一個(gè)系統(tǒng)。根據(jù)事先掌握的信息即先驗(yàn)知識(shí)，以及實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)即

后驗(yàn)知識(shí)，利用系統(tǒng)辨識(shí)來建立計(jì)量儀器的數(shù)學(xué)模型，并通過相應(yīng)的算法來處理數(shù)據(jù)和全面地描述儀器，從而對(duì)其性能進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，或通過軟件來改善計(jì)量儀器的硬件環(huán)境。

    模型化測量為解決日趨復(fù)雜的動(dòng)態(tài)測量問-題開辟了一條新路。例如，稱重系統(tǒng)采用二階系統(tǒng)的自回歸滑動(dòng)平均模型，借助于這個(gè)模型和遞推的最小二乘法即RLS，即可由極短的稱重階躍響應(yīng)，估計(jì)出模型參數(shù)和被稱的重量。仿真計(jì)算表明，在輸入端有白噪聲干擾時(shí)，可用RLS估計(jì)出重量。該法要求的測量時(shí)間很短，通常不超過一個(gè)振蕩周期即可得到良好的結(jié)果。

在微機(jī)化測力稱重儀器中，也有引入知識(shí)模型而構(gòu)成專家系統(tǒng)，即把優(yōu)秀的測力稱重專家的思維過程固化到測量程序的軟件中，與計(jì)算機(jī)修正程序結(jié)合起來，進(jìn)而提高計(jì)量儀器的測試能力和故障檢測能力。由些可見，測量軟件對(duì)于測力稱重技術(shù)未來發(fā)展的意義不可低估。

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