CN104374453B - 多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器及其称量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器及其称量方法，属于传感器结构技术领域。包括弹性体，弹性体由中间的横梁及两端的左固定部、右固定部构成，左固定部上形成有安装孔，右固定部的下表面设有安装孔，右固定部的上表面设有用于放置线路板的凹槽，横梁的内部设有多个贯穿横梁的通孔，横梁的上、下表面对应通孔的位置即为应变区，横梁的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，每组电阻应变装置均由四个电阻应变计组成，四组电阻应变装置通过导线与线路板相焊接，线路板与外部显示单元通讯连接，横梁的上、下两个表面以及凹槽的外表面上均包覆有防腐处理层。本发明无需挫修调整，操作方便，省工省时，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器及其称量方法，属于传感器结构技术领域。
背景技术
首先，传统的单点电阻应变式称重传感器理论上具有较强的抗偏载能力，但是由于机械加工产生的误差、贴片位置的偏差和电阻应变计自身材质的不均匀性等等原因，这一切均会导致单点电阻应变式称重传感器存在严重的偏载误差，为此必须给予修正方可应用到电子秤中。目前修正的方法是将称重传感器装到试验平台上，在平台的中心和四个角上依次施加1/3量程的载荷，根据其输出的大小，用锉刀挫修不同的部位来进行修正。而且，当传感器装到秤台上时，由于秤台的刚度的不同，安装面不同，装配力矩的不同，还需二次精修。这对于高精度的称重传感器来讲是非常费时费力的，且很难达到二级秤对偏载误差的要求。并且称重传感器在进行偏载误差修正后，破坏了原有的防腐处理层，还需重新进行防护处理，且防护效果难以达到原有水平。
再者，目前所有的电阻应变式称重传感器都存在一定的测量误差，导致这些误差的原因有内部和外部的。其中温度的影响最为显著。传统的温度影响误差的补偿是通过温度试验，根据温度输出的大小焊接不同阻值的灵敏度温度补偿量微调电阻和截取不同长度的漆包铜线进行补偿的。这样做的缺点是需准备大量不同阻值的灵敏度温度补偿量微调电阻，费工费时，为此产生了种种模拟或数字式的温度补偿方法，但是基本上属于静态温度补偿；
其次，电阻应变式称重传感器的准确度与传感器的材料﹑温度和所施加的载荷有关，大多数模拟电阻应变式称重传感器是通过调整模拟电路中分立元件来进行补偿以达到允差要求的。由于受电路元件的允差、有限的量程以及补偿所需工作量的限制，而无法达到更高的准确度。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的需采用挫修方式进行称量精度调整，费时费力，破坏称重传感器外部的防腐处理层，降低防护效果，而且需用温度灵敏度补偿电阻、温度零点补偿电阻、零点输出补偿电阻进行温度灵敏度、温度零点输出、零点输出的补偿，费工费时且精度低的技术问题，提供一种无需挫修调整，操作方便，省工省时，测量精度高的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器。
多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，其特殊之处在于包括由铝合金材料制成的弹性体1，弹性体1由中间的横梁2及两端的左固定部3、右固定部4构成，两个固定部与横梁2为一体结构，左固定部3上形成有安装孔5，右固定部4的下表面设有安装孔5，右固定部4的上表面设有用于放置线路板6的凹槽12，横梁2的内部设有多个贯穿横梁2的通孔7，横梁2的上、下表面对应通孔7的位置即为应变区，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，每组电阻应变装置均由四个电阻应变计组成，四组电阻应变装置通过导线与线路板6相焊接，线路板6与外部显示单元13通讯连接，横梁2的上、下两个表面以及凹槽12的外表面上均包覆有防腐处理层；
所述通孔7的横剖面呈花瓣状，横梁2的上、下表面对应花瓣状通孔7的位置即为应变区，花瓣状通孔7的边是由四个直径相同的半圆Ⅰ7-1、半圆Ⅱ7-2、半圆Ⅲ7-3、半圆Ⅳ7-4组成，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，上表面的两组电阻应变装置的安装位置与两个花瓣状通孔7的半圆Ⅰ7-1、半圆Ⅱ7-2的位置相对应，下表面的两组电阻应变装置的安装位置与两个花瓣状通孔7的半圆Ⅲ7-3、半圆Ⅳ7-4的位置相对应；
所述通孔7的横剖面呈圆形或者方型或者椭圆形，横梁2的上、下表面对应圆形通孔7的位置即为应变区，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，电阻应变装置的安装位置与两个相邻的圆形通孔7的位置相对应；
所述电阻应变装置是由四个呈田字格状排列的电阻应变计8构成，电阻应变计8依次通过导线相连接，形成惠斯通电桥；
所述线路板6上设有单片机9以及电源电路，单片机9连接有温度测量电路15，单片机9的输入端还连接有四个A/D转换器10、A/D转换器10的输入端与电阻应装置通过导线相连接，A/D转换器10与电阻应装置之间还设有滤波电路11；
所述左固定部3与秤盘相连接，右固定部4与底座相连接；
所述横梁2的宽度为30毫米，电阻应变计8贴于横梁2上表面或者下表面上距中性层5.36mm处；
所述右固定部4上开设有用于穿过导线的通孔13，凹槽12的一面侧壁上设有用于穿过电缆线的出孔14；
所述线路板6通过电缆线与外部显示单元通讯连接。
多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器的称重方法，其特殊之处在于包括以下步骤：
1）、将载荷作用到弹性体1上，使弹性体1的上、下四个应变区均产生与载荷大小成比例的弯曲弹性形变；
2）、通过施加激励电压的惠斯通电桥将四组电阻应变装置中的电阻应变计8电阻的变化转换成电压信号输出；
3）、四组惠斯通电桥输出的电压信号通过滤波电路11滤除噪音后输送给A/D转换器10，A/D转换器10将数字信号传送至单片机9，通过温度测量电路15可以实时监测弹性体1的温度，并将温度信息传送至单片机9；
4）、单片机9对步骤3）所接收到的多路测量数据进行处理，并根据采集到的温度信息进行数字化补偿计算；
5）、通过单片机9上所设的TXD和RXD异步通讯接口将数据通过电缆线发送至外部显示单元13。
本发明的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，结构设计巧妙，横梁的内部所设的多个贯穿横梁的通孔，横梁上、下表面与通孔相对应的位置即为应变区，在应变区上安装电阻应变装置，电阻应变装置与单片机控制***通讯连接，因此当载荷作用到弹性体上时，弹性体的上、下四个应变区均产生与载荷大小成比例的弯曲弹性形变，通过施加激励电压的惠斯通电桥将四组电阻应变装置中的电阻应变计电阻的变化转换成电压信号输出，单片机控制***对所接收到的多路测量数据进行处理，并根据采集到的温度信息进行数字化补偿计算，最后通过TXD和RXD异步通讯接口将数据发送至外部显示单元，上述过程实现了以下优点：1、在一只单点式称重传感器上不用挫修，一次检测就能完成对偏载误差的数字化智能修正，且修正精度大大提高，可以方便的满足2级秤对偏载误差的要求；2、通过对惠斯通电桥输出的电压信号进行数字化处理，不用温度灵敏度补偿电阻、温度灵敏度线性化调整和补偿量微调电阻、温度零点补偿电阻、零点输出补偿电阻，即可完成温度灵敏度、温度零点、零点输出的补偿，且补偿精度提高了一个数量级，可以轻松满足2级秤对温度误差的要求；3、通过对惠斯通电桥输出的电压信号进行数字化处理，实现了对电阻应变式称重传感器输出的线性、蠕变、滞后的数字化修正，提高了电阻应变式称重传感器的精度等级；4、采用传感器在线固件升级，为产品升级和故障诊断提供了方便；5、采用指令式通讯协议，降低了数据通讯频率，大大降低传感器的功耗。综上所述，本发明结构设计合理，在衡器领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1：本发明实施例1的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器的结构示意图；
图2：图1的A-A剖结构示意图；
图3：图1的A向结构示意图；
图4：本发明实施例1的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器的弹性体的上表面、下表面接线示意图；
图5：本发明实施例2的结构示意图；
图6：本发明实施例3的结构示意图；
图7：本发明实施例4的结构示意图；
图8：本发明设于横梁2上表面的第一组电阻应变装置、滤波电路、A/D转换电路的接线图；
图9：本发明设于横梁2上表面的第二组电阻应变装置、滤波电路、A/D转换电路的接线图；
图10：本发明设于横梁2下表面的第一组应变装置、滤波电路、A/D转换电路的接线图；
图11：本发明设于横梁2下表面的第二组应变装置、滤波电路、A/D转换电路的接线图。
图12：本发明单片机、显示单元、温度测量电路的接线图；
图13：本发明电源电路的接线图。
具体实施方式
以下参考附图给出本发明的具体实施方式，用来对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实施例的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，包括由铝合金材料制成的弹性体1，弹性体1由中间的横梁2及两端的左固定部3、右固定部4构成，两个固定部与横梁2为一体结构，左固定部3上形成有安装孔5，右固定部4的下表面设有安装孔5，右固定部4的上表面设有用于放置线路板6的凹槽12，横梁2的内部设有两个贯穿横梁2的通孔7，横梁2的上、下表面对应通孔7的位置即为应变区，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，每组电阻应变装置均由四个电阻应变计组成，四组电阻应变装置通过导线与线路板6相焊接，线路板6与外部显示单元13通讯连接，横梁2的上、下两个表面以及凹槽12的外表面上均包覆有防腐处理层；通孔7的横剖面呈花瓣状，横梁2的上、下表面对应花瓣状通孔7的位置即为应变区，花瓣状通孔7的边是由四个直径相同的半圆Ⅰ7-1、半圆Ⅱ7-2、半圆Ⅲ7-3、半圆Ⅳ7-4组成，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，上表面的两组电阻应变装置的安装位置与两个花瓣状通孔7的半圆Ⅰ7-1、半圆Ⅱ7-2的位置相对应，下表面的两组电阻应变装置的安装位置与两个花瓣状通孔7的半圆Ⅲ7-3、半圆Ⅳ7-4的位置相对应。电阻应变装置是由四个呈田字格状排列的电阻应变计8构成，其中电阻应变计8可选用型号为BCF350-3AA（23）的电阻应变计，电阻应变计8依次通过导线相连接，形成惠斯通电桥；线路板6上设有单片机9以及电源电路，单片机9连接有温度测量电路15，单片机9的输入端还连接有四个A/D转换器10、A/D转换器10的输入端与电阻应装置通过导线相连接，A/D转换器10与电阻应装置之间还设有滤波电路11；左固定部3与秤盘相连接，右固定部4与底座相连接；横梁2的宽度为30毫米，电阻应变计8贴于横梁2上表面或者下表面上距中性层5.36mm处；右固定部4上开设有用于穿过导线的通孔13，凹槽12的一面侧壁上设有用于穿过电缆线的出孔；线路板6通过电缆线与外部显示单元通讯连接。
多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器的称重方法，包括以下步骤：
1）、将载荷作用到弹性体1上，使弹性体1的上、下四个应变区均产生与载荷大小成比例的弯曲弹性形变；
2）、通过力学分析计算，根据其空间变形的规律，采用8～16个不同位置粘贴电阻应变计(如30毫米宽弹性体，电阻应变计8贴在应变区距离中性层5.36mm处)，组成了多个惠斯通电桥（S1,S2,.....SN)，参见附图8-11，供桥电压VCC给S1供电，在力的作用下桥路输出一个0～6mV的模拟信号；
3）、四组惠斯通电桥输出的电压信号通过C1,C2,C3滤除噪音后送给U2高精度模数A/D转换器10，通过SDO及SCLC两个接口将数据传送给单片机9，同理S2,S3,....SN也将测量数据发送给单片机9，由RT温度传感器和R8组成的温度测量电路将弹性体的温度信号送给U1；
4）、单片机9对步骤3）所接收到的多路测量数据进行处理，并根据采集到的温度信息进行数字化补偿计算；
5）、通过单片机9上所设的TXD和RXD异步通讯接口将数据通过电缆线发送至外部显示单元13。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：通孔7的横剖面呈圆形，横梁2的上、下表面对应圆形通孔7的位置即为应变区，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，电阻应变装置的安装位置与两个相邻的圆形通孔7的位置相对应。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：所述通孔7的横剖面呈方型，横梁2的上、下表面对应圆形通孔7的位置即为应变区，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，电阻应变装置的安装位置与两个相邻的圆形通孔7的位置相对应。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：所述通孔7的横剖面呈椭圆形，横梁2的上、下表面对应圆形通孔7的位置即为应变区，横梁2的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，电阻应变装置的安装位置与两个相邻的圆形通孔7的位置相对应。
提高称重传感器称重精度的关键是降低内部和外部因素的影响。达到更高的精度需要通过称为补偿的过程来“调整”每个称重传感器。补偿的目的是不论温度或加载时间如何，在称重传感器的输出和其所受载荷之间都获得理想的线性关系。在额定承载范围内,用已知力进行加载时,通过传感器的实际输出量来计算沿“期望值” 曲线的线性补偿系数，从而达到理想结果。数字补偿算法中所使用的补偿系数是用传感器的实际输出量来计算的。数字补偿是在实际加载条件下，对称重传感器的输出进行校正来实现的。
滞后补偿：
大多数传感器会表现出称之为滞后的属性。在逐级施加载荷再依次卸下载荷时，传感器的输出会出现滞后或有时称作“内摩擦”的现象。在理想的情况下，相同的载荷在卸载时应当与对应的加载时的读数 相同。但事实上却会发生差异，这种差异就称之为滞后。滞后通常是正数，但也有一些负滞后的现象发生过。在电阻应变式传感器中由滞后产生的影响会相当大，往往会限制设备的整体精确度。滞后现象的产生主要来自于传感器的材料特性和几何形状。所有具有反作用力的材料, 不论是金属还是玻璃/陶瓷都显示了不同程度的滞后。高分子材料基底的电阻应变计也显示了滞后，并且在传感器的整体滞后误差中占了很大比例。滞后补偿算法使称重传感器的输出更接近于理想的直线。数字补偿算法中所使用的滞后补偿系数是在额定承载范围内对传感器施加已知力，通过对传感器实际输出的 一系列重量值进行计算得出的。该算法根据实际加载量来修正称重传感器的输出, 并考虑到当前的加载量是否大于或小于前一个加载量。当 加载和卸载是在同一步骤内完成时，滞后修正过程会相当简单。
灵敏度温度补偿：
温度是最显著的外部影响因素。称重传感器的主要部件（弹性体和电阻应变计）都是由金属材料制造的。随着温度的变化，金属的热胀冷缩会导致称重传感器的信号输出的变化。在受控的条件下，温度的影响可以被测量出来的。由于温度效应是不变的且可重复的，因此可以进行补偿。要得到温度补偿系数，需要在整个温度范围内测试称重传感器并记录数据，调整由温度产生的相关偏差，以取得预期的结果。补偿系数存储在称重传感器的永久存储器中。
零点温度补偿：
零点输出是在零载荷下所测的传感器输出。零点输出的温度补偿是通过某种算法来实现的，该算法使传感器在不同温度下产生相同的零点输出。零点补偿是由整个工作温度范围内所测的零载荷输出读数来确定的。数字补偿算法中所使用的补偿系数是用这些读数来计算的。该算法是根据称重传感器的实际温度，对其输出进行校正的。
蠕变补偿：
蠕变是传感器在受载不变的情况下，其输出随时间而发生的变化（增加或减少）。在受载条件下，随着时间的延续称重传感器的金属元件会产生持续的变形。这种持续的变形会在传感器内引起附加的应变。该变形在受控的条件下，加载后时间的影响可以被测量出来。由于这种影响是不变的和可重复的，因此可以进行补偿。蠕变补偿系数是在一个给定的时间内，对称重传感器施加相同的力所决定的。数字补偿算法中 所使用的蠕变补偿系数是通过对这些重量读数进行计算得出的。该算法根据实际加载量,加载的时间来修正称重传感器的输出。
偏载误差的修正：
由于机械加工产生的误差、贴片位置的偏差和电阻应变计自身的原因会导致载荷加到秤台的不同位置是传感器输出产生误差。这种误差通过对秤台不同的位置依次施加相同的载荷并记录下不同位置各电桥的输出，通过对不同电桥的输出数据进行计算处理，实现在一只单点式传感器上不用物理方法对偏载误差的修正。这种采用数字化偏载误差的修正是在电子秤装配完毕后一次完成的，从而节省了大量的人力，且大大提升了生产效率；特别对使用片式结构的弹性体大大降低了弹性体的加工难度、大大减低了制造成本。
上述实施例的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器具有以下优点：
1、实现了在一只单点式称重传感器上不用挫修，一次检测就能完成对偏载误差的数字化智能修正，且修正精度大大提高，可以方便的满足2级秤对偏载误差的要求。
2、通过对惠斯通电桥输出的电压信号进行数字化处理，不用温度灵敏度补偿电阻、温度灵敏度线性化调整和补偿量微调电阻、温度零点补偿电阻、零点输出补偿电阻，即可完成温度灵敏度、温度零点、零点输出的补偿，且补偿精度提高了一个数量级，可以轻松满足2级秤对温度误差的要求。
3、通过对惠斯通电桥输出的电压信号进行数字化处理，实现了对电阻应变式称重传感器输出的线性、蠕变、滞后的数字化修正，提高了电阻应变式称重传感器的精度等级。
4、采用传感器在线固件升级，为产品升级和故障诊断提供了方便。
5、采用指令式通讯协议，降低了数据通讯频率，大大降低传感器的功耗。
Claims (7)
1.多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，其特征在于包括由铝合金材料制成的弹性体（1），弹性体（1）由中间的横梁（2）及两端的左固定部（3）、右固定部（4）构成，两个固定部与横梁（2）为一体结构，左固定部（3）上形成有安装孔（5），右固定部（4）的下表面设有安装孔（5），右固定部（4）的上表面设有用于放置线路板（6）的凹槽（12），横梁（2）的内部设有多个贯穿横梁（2）的通孔（7），横梁（2）的上、下表面对应通孔（7）的位置即为应变区，横梁（2）的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，每组电阻应变装置均由四个电阻应变计组成，四组电阻应变装置通过导线与线路板（6）相焊接，线路板（6）与外部显示单元（13）通讯连接，横梁（2）的上、下两个表面以及凹槽（12）的外表面上均包覆有防腐处理层；
所述通孔（7）的横剖面呈花瓣状，横梁（2）的上、下表面对应花瓣状通孔（7）的位置即为应变区，花瓣状通孔（7）的边是由四个直径相同的半圆Ⅰ（7-1）、半圆Ⅱ（7-2）、半圆Ⅲ（7-3）、半圆Ⅳ（7-4）组成，横梁（2）的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，上表面的两组电阻应变装置的安装位置与两个花瓣状通孔（7）的半圆Ⅰ（7-1）、半圆Ⅱ（7-2）的位置相对应，下表面的两组电阻应变装置的安装位置与两个花瓣状通孔（7）的半圆Ⅲ（7-3）、半圆Ⅳ（7-4）的位置相对应；
所述电阻应变装置是由四个呈田字格状排列的电阻应变计（8）构成，电阻应变计（8）依次通过导线相连接，形成惠斯通电桥；
所述线路板（6）上设有单片机（9）以及电源电路，单片机（9）连接有温度测量电路（15），单片机（9）的输入端还连接有四个A/D转换器（10）、A/D转换器（10）的输入端与电阻应变装置通过导线相连接，A/D转换器（10）与电阻应变装置之间还设有滤波电路（11）。
2.按照权利要求1所述的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，其特征在于所述通孔（7）的横剖面呈圆形或者方型或者椭圆形，横梁（2）的上、下表面对应通孔（7）的位置即为应变区，横梁（2）的上、下表面分别设有两组电阻应变装置，电阻应变装置的安装位置与两个相邻的通孔（7）的位置相对应。
3.按照权利要求1所述的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，其特征在于所述左固定部（3）与秤盘相连接，右固定部（4）与底座相连接。
4.按照权利要求1所述的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，其特征在于所述横梁（2）的宽度为30毫米，电阻应变计（8）贴于横梁（2）上表面或者下表面上距中性层5.36mm处。
5.按照权利要求1所述的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，其特征在于所述右固定部（4）上开设有用于穿过导线的通孔，凹槽（12）的一面侧壁上设有用于穿过电缆线的出孔。
6.按照权利要求1所述的多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器，其特征在于所述线路板（6）通过电缆线与外部显示单元通讯连接。
7.多通道数字化偏载误差智能修正称重传感器的称重方法，其特征在于包括以下步骤：
1）、将载荷作用到弹性体（1）上，使弹性体（1）的上、下四个应变区均产生与载荷大小成比例的弯曲弹性形变；
2）、通过施加激励电压的惠斯通电桥将四组电阻应变装置中的电阻应变计（8）电阻的变化转换成电压信号输出；
3）、四组惠斯通电桥输出的电压信号通过滤波电路（11）滤除噪音后输送给A/D转换器（10），A/D转换器（10）将数字信号传送至单片机（9），通过温度测量电路（15）可以实时监测弹性体（1）的温度，并将温度信息传送至单片机（9）；
4）、单片机（9）对步骤3）所接收到的多路测量数据进行处理，并根据采集到的温度信息进行数字化补偿计算；
5）、通过单片机（9）上所设的TXD和RXD异步通讯接口将数据通过电缆线发送至外部显示单元（13）。
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