本文分析了OCS-XY型電子稱重儀的誤差產生原因,並在其基礎上,利用微處理器的軟硬件技術對係統誤差、偶然誤差和疏失誤差進行了校正,從而有效地提高了產品的測量精度,使得該稱重儀具有了較高的可靠性和推廣性。
引言
隨著稱重技術的不斷發展,人們對電子稱重儀的測量精度和自動化程度提出了越來越高的要求,利用日趨成熟的微處理器軟、硬件技術及數字信號處理技術,在原有電子稱重儀的基礎上,進一步提高稱重儀表的測量精度,增加測量功能,對於保證產品質量、提高生產效率都具有重要的意義。
本文針對由太原理工大學測試技術研究所研製開發的OCS-XY型電子稱重儀,對其測量精度和誤差進行了較為全麵的分析,並改進硬件,提高了稱重儀的測量精度,增加了測量功能,取得了較好的效果。
電子稱重儀的硬件組成及其誤差
(1)稱重傳感器
OCS-XY型電子稱重儀的硬件結構框，該係統所使用的荷重傳感器是一個粘貼在剪切S形工字梁上的粘貼式電阻應變片，。當應變片所附著的工字梁產生形變時,也引起應變片敏感柵的電阻發生變化,通過測量電路,可以將這個電阻變化轉換成電壓輸出。　
為了確定應變片的最佳粘貼位置,本文對剪切S形工字梁進行了有限元分析,分析結果表明:當結構模板基本處於純剪切狀態時,最大主應力方向與方形工字梁軸線的夾角應為45°
粘貼式電阻應變片是一種重要的測量敏感元件,它在實驗應力分析中是測量應變和聯合應力的主要機電轉換元件。應變片的敏感柵除了有縱向絲柵外,還有圓弧形和直線形的橫柵。橫柵既對應變片軸線方向的應變敏感,又對垂直於軸線方向的橫向效應敏感,使應變片的變化中包含有橫向應變的影響,這就是應變片的橫向效應。本文采用了直徑較粗的銅絲,與縱柵相比,其橫向係數很小,可以忽略不計。
應變片對溫度的變化十分敏感,粘貼在試件上的應變片,由於溫度變化而引起的電阻變化可以與應變引起的電阻變化的數量級相當,因此在應變測量中的溫度影響及補償方法是十分重要的問題。如果在測量電橋電路中采取溫度補償片法,即全橋接法,使電橋電路兩相鄰臂由於溫度變化而引起的相對電阻變化相互抵消,就起到了溫度補償的效應。經過實驗證明,輸出基本可以保持不變。
(2)測量和放大電路
該稱重儀所采用的測量電路和放大電路。恒壓電橋電路可以把電阻敏感元件的電阻變化轉換為電壓變化信號。可是由於橋路輸出的雙端信號比較小,不能直接用於測量和輸出,因此本文選用了儀器放大器作為放大電路,它不僅能把差模小信號放大並把它轉換成雙端輸出信號,而且對共模信號具有較強的抑製能力。
在電阻應變傳感器中,采用恒壓全橋電路就可起到溫度補償的效應。但由於4個橋臂的實際電阻值有偏差,而造成電橋處於不平衡狀態。
由測量電路輸出的信號一般都比較小,不能直接用來顯示、記錄、控製或進行A/D轉換。因此,當非變量通過電橋進行檢測轉換為電量後,需連接放大器進行放大。但由於構成放大電路的元器件性能不理想,如輸入電阻共模抑製比不是無窮大;輸入偏置電流、失調電壓不為零的影響,或是由於放大電路的工作條件不理想,如電源電壓不穩定,電路絕緣不好而造成實際運放輸出時的偏差。我們計算了由差模電壓增益、失調電壓、輸入偏置電流、電源抑製比等引起的誤差,最大誤差δ為0.071%。
(3)電子稱重儀的A/D轉換器和單片機
A/D轉換器采用了MAX111芯片,這種芯片采用內部自校準電子技術,可實現14位A/D轉換,不需要附加外部元件。MAX111芯片的溫度漂移、滿遲滯重複性精確度±0.21±0.22±0.44±1.70±2.06±4.06±3.02±2.35±2.06±1.91±2.83±4.51量程誤差很小,並且對電源波動的抗幹擾能力也很強,因此由它產生的誤差可以忽略不計。
單片機采用AT89C2051。它是一種具有閃速可編程、可擦除隻讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,該器件采用ATMEL高密度、非易失存儲器製造技術製造,與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳兼容。
電子稱重儀風電源采用CMOSDC-DC開關調節器。它的優點是穩定性好,可靠性高。由於它產生的誤差很少,本文不對其進行詳述。
測量傳感器的靜態特性分析
傳感器的理想輸入輸出特性在理論上應該是線性的,但由於以上分析的種種原因,再加上環境溫度的變化和放大器零點漂移的影響等,最後放大器的輸出不可能是線性的,如果按照線性處理和分析就會帶來非線性誤差。為了保證多項式的值在整個區間與被逼近的函數間誤差最小,采用了最小二乘法擬合曲線。此外,還分析在傳感器兩端加力時,由於加力的方向與軸線方向有偏差而產生的誤差。
由以上分析可知,傳感器的最大誤差為±0.44%。當所加的力沒有偏心時,非線性、遲滯、重複性誤差都是最小的。而當所加力有偏心時,不僅非線性誤差急劇增大,它的重複性等都有較大的誤差。因此,在荷重傳感器兩端加力時,采用柔性鋼索連接,來消除由於加力的偏心而造成的誤差。
測量誤差及誤差補償
由上述分析可知,在整個稱重係統中不可避免地產生一些誤差。如何減少誤差,提高精確度是最值得考慮的問題。采用了微處理器對測量結果進行分析處理,從而使稱重係統的精確度得到很大提高。根據誤差的性質,分別對測量誤差中的係統誤差、隨機誤差和疏失誤差處理分述如下。
(1)係統誤差的補償
采用了非等距分段的方法對係統誤差進行校正。這種方法的特點是函數基點的分段不是等距的,而是根據函數曲線形狀變化率的大小來修正插值之間的距離。例如,可以使常用刻度範圍插值距離小一點,而使非常用刻度區域的插值距離大一點。
(2）隨機誤差的補償
隨機誤差的產生取決於測量過程中一係列隨機性因素的影響。所謂隨機性因素是指實驗者無法加以嚴格控製的因素。在測量過程中,盡管測量條件不變,但由於一些不可預測的隨機事件的影響,多次測量的結果仍會有差異,這就是隨機誤差。消除隨機誤差較為有效的方法是取多次測量的算術平均值。
(3)電子稱重儀的疏失誤差
在一定條件下進行測量,測量值明顯地偏離實際值所形成的誤差稱之為疏失誤差,也叫粗大誤差。一般情況下,疏失誤差是由於試驗操作者在測量過程中的疏忽造成的。有時由於測量條件的突然變化,例如電源電壓發生突變或由於機械衝擊等引起儀器顯示值的變化等,也是產生疏失誤差的原因。對於疏失誤差的剔除可采用萊特準則進行判斷,也稱3δ判斷準則。其基本內容為:當某次測量值Xi所對應的剩餘誤差|Vi|>3δ時,該Xi則被視為錯值,應將其剔除。這裏δ的大小可由下式求得:
結論
原OCS-XY是機械式的稱重儀,它的功能比較單調,不能適應工業自動化生產過程中連續稱重、存儲記憶等許多要求,而且性能指標完全依賴於傳感器自身的特性,欲改善其精度頗為困難。我們在原有儀器的基礎上,應用微處理器軟硬件技術及數字信號處理技術,通過數字濾波、線性校正等的處理步驟,實現了自校準、自動調零、自選量程、超限報警等多種功能並有效地提高了電子稱重儀表的測量精度,使開發出的電子稱重儀超出了國家二級測量儀的標準,從而具有較高的可靠性和推廣性。

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