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引言。
隨著稱重技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電子衡器的測(cè)量精度和自動(dòng)化程度提出了越來(lái)越高的要求。利用日益成熟的微處理器軟硬件技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在原有電子衡器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高測(cè)量精度，增加衡器的測(cè)量功能，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率具有重要意義。
本文針對(duì)太原理工大學(xué)測(cè)試技術(shù)研究所開發(fā)的OCS-XY電子衡器，對(duì)其測(cè)量精度和誤差進(jìn)行了綜合分析，并對(duì)硬件進(jìn)行了改進(jìn)，提高了衡器的測(cè)量精度和測(cè)量功能，取得了良好的效果。
電子衡器的硬件組成及誤差。
(1)稱重傳感器。
系統(tǒng)中使用的載荷傳感器是粘貼在剪切型S形工字鋼上的粘貼電阻應(yīng)變片。當(dāng)附著在應(yīng)變片上的工字鋼變形時(shí)，也會(huì)引起應(yīng)變片敏感柵的電阻變化，這種變化可以轉(zhuǎn)化為測(cè)量電路輸出的電壓。為了確定應(yīng)變片的最佳粘貼位置，對(duì)剪切型工字梁進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)模板基本處于純剪切狀態(tài)時(shí)，最大主應(yīng)力方向與方形工字鋼軸線的夾角應(yīng)為45°。
粘著電阻應(yīng)變片是一種重要的測(cè)量敏感元件，是實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中測(cè)量應(yīng)變和接頭應(yīng)力的主要機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。應(yīng)變片的敏感柵除了縱向線柵外，還有圓弧和直線橫向柵。橫向網(wǎng)格對(duì)應(yīng)變片軸向的應(yīng)變和垂直于軸向的橫向效應(yīng)都很敏感，因此應(yīng)變片的變化包含了橫向應(yīng)變的影響，這就是應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。本文采用直徑較大的銅線。與縱向網(wǎng)格相比，其橫向系數(shù)很小，可以忽略不計(jì)。
應(yīng)變片對(duì)溫度變化非常敏感，附著在試件上的應(yīng)變片溫度變化引起的電阻變化可以等效為應(yīng)變引起的電阻變化的數(shù)量級(jí)，因此應(yīng)變測(cè)量中的溫度影響和補(bǔ)償方法是非常重要的問(wèn)題。如果采用溫度補(bǔ)償板法，即全橋法測(cè)量橋式電路，由于溫度變化引起的橋式電路相鄰兩臂的相對(duì)電阻變化相互抵消，從而達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?shí)驗(yàn)表明，輸出基本不變。
(2)測(cè)量放大電路。
衡器采用的測(cè)量電路和放大電路。恒定壓電電橋電路可以將電阻敏感元件的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化信號(hào)。但由于橋式電路輸出的二端信號(hào)比較小，不能直接用于測(cè)量輸出。因此，本文選擇儀表放大器作為放大電路，不僅可以放大差模小信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號(hào)，而且對(duì)共模信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。
在電阻應(yīng)變傳感器中，恒壓全橋電路可以起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?。然而，由于四個(gè)橋臂的實(shí)際電阻值的偏差，橋處于不平衡狀態(tài)。R5的大小可以決定橋式電路的平衡范圍。
一般測(cè)量電路輸出的信號(hào)比較小，不能直接用于顯示、記錄、控制或A/D轉(zhuǎn)換。所以當(dāng)不變量被電橋檢測(cè)到并轉(zhuǎn)換成電的時(shí)候，就要連接一個(gè)放大器進(jìn)行放大。但是由于構(gòu)成放大電路的元件性能不理想，比如輸入電阻共模抑制比不是無(wú)窮大；輸入偏置電流和失調(diào)電壓不為零，或者放大器電路工作條件不理想，如電源電壓不穩(wěn)定、電路絕緣不良，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)算放大器輸出出現(xiàn)偏差。計(jì)算了差模電壓增益、失調(diào)電壓、輸入偏置電流和電源抑制比引起的誤差，最大誤差δ為0.071%。
(3)電子衡器的A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)。
A/D轉(zhuǎn)換器采用MAX111芯片，采用內(nèi)部自校準(zhǔn)電子技術(shù)，無(wú)需額外外部元件即可實(shí)現(xiàn)14位A/D轉(zhuǎn)換。MAX111芯片的溫漂和全遲滯的重復(fù)性精度為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，對(duì)電源波動(dòng)的抗干擾能力也很強(qiáng)，所以max111芯片產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)
單片機(jī)采用AT89C2051。它是一款低電壓、高性能的CMOS8位微處理器，具有閃存可編程和可擦除只讀存儲(chǔ)器。該器件采用ATMEL高密度非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和輸出引腳。
電子衡器的風(fēng)力電源采用CMOSSDC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好，可靠性高。由于它產(chǎn)生的誤差很小，本文就不詳細(xì)描述了。
測(cè)量傳感器靜態(tài)特性分析。
理論上，傳感器理想的輸入輸出特性應(yīng)該是線性的，但是由于上面分析的各種原因，再加上環(huán)境溫度的變化和放大器零漂移的影響，放大器的輸出最終不可能是線性的，如果進(jìn)行線性處理和分析，會(huì)帶來(lái)非線性誤差。為了保證多項(xiàng)式值與逼近函數(shù)在整個(gè)區(qū)間內(nèi)的誤差最小，采用最小二乘法擬合曲線。此外，還分析了傳感器兩端受力時(shí)施力方向與軸線方向的偏差所引起的誤差。：
傳感器的最大誤差為0.44%。當(dāng)施加的力不偏心時(shí)，非線性、滯后和重復(fù)性誤差最小。當(dāng)作用力偏心時(shí)，不僅非線性誤差急劇增大，而且其重復(fù)性也有很大誤差。因此，當(dāng)負(fù)載傳感器的兩端受到應(yīng)力時(shí)，使用柔性電纜來(lái)消除由應(yīng)力偏心引起的誤差。
測(cè)量誤差和誤差補(bǔ)償。
從以上分析可以看出，整個(gè)稱重系統(tǒng)不可避免地會(huì)出現(xiàn)一些誤差。如何減少誤差，提高精度是最需要考慮的問(wèn)題。采用微處理器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析和處理，大大提高了稱重系統(tǒng)的精度。根據(jù)誤差的性質(zhì)，系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和測(cè)量誤差中的誤差的處理描述如下。
(1)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償。
采用非等距分割的方法來(lái)校正系統(tǒng)誤差。該方法的特點(diǎn)是函數(shù)基點(diǎn)的分割不是等距的，而是根據(jù)函數(shù)曲線形狀的變化率修改插值之間的距離。例如，通常使用比例范圍的內(nèi)插距離可以做得更小，而很少使用的比例區(qū)域的內(nèi)插距離可以做得更大。
(2)隨機(jī)誤差的補(bǔ)償。
隨機(jī)誤差取決于測(cè)量過(guò)程中的一系列隨機(jī)因素。隨機(jī)因素是指實(shí)驗(yàn)者不能嚴(yán)格控制的因素。在測(cè)量過(guò)程中，雖然測(cè)量條件不變，但由于一些不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)事件的影響，多次測(cè)量的結(jié)果仍然會(huì)有所不同，這就是所謂的隨機(jī)誤差。消除隨機(jī)誤差的有效方法是取多次測(cè)量的算術(shù)平均值。
(3)電子衡器的誤差。
在一定條件下測(cè)量時(shí)，因測(cè)量值與實(shí)際值明顯偏離而產(chǎn)生的誤差稱為過(guò)失誤差，也稱為粗差。一般來(lái)說(shuō)，誤差是由測(cè)試操作員在測(cè)量過(guò)程中的疏忽造成的。有時(shí)，測(cè)量條件的突然變化，如電源電壓的突然變化或機(jī)械沖擊引起的儀器顯示值的變化，也是產(chǎn)生誤差的原因。萊特準(zhǔn)則，又稱3δ準(zhǔn)則，可用于判斷遺漏誤差。其基本內(nèi)容是:當(dāng)殘差|Vi|>3δ對(duì)應(yīng)于某一測(cè)量值Xi時(shí)，該Xi被認(rèn)為是一個(gè)錯(cuò)誤值，應(yīng)予以消除。
結(jié)論。
原OCS-XY是一種機(jī)械衡器，功能單調(diào)，無(wú)法滿足工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的連續(xù)稱重、存儲(chǔ)、記憶等諸多要求。而且性能指標(biāo)完全取決于傳感器本身的特性，很難提高其精度。在原有儀器的基礎(chǔ)上，應(yīng)用微處理器軟硬件技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，通過(guò)數(shù)字濾波、線性校正等處理步驟，實(shí)現(xiàn)了自校準(zhǔn)、自動(dòng)調(diào)零、自選量程、超限報(bào)警等多種功能，有效提高了電子衡器的測(cè)量精度，使研制的電子衡器超過(guò)了國(guó)家二級(jí)計(jì)量器具標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的可靠性和推廣性。

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