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本文分析了OCS-XY型電子稱(chēng)重儀的誤差產(chǎn)生原因,并在其基礎(chǔ)上,利用微處理器的軟硬件技術(shù)對(duì)系統(tǒng)誤差、偶然誤差和疏失誤差進(jìn)行了校正,從而有效地提高了產(chǎn)品的測(cè)量精度,使得該稱(chēng)重儀具有了較高的可靠性和推廣性。
引言
隨著稱(chēng)重技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對(duì)電子稱(chēng)重儀的測(cè)量精度和自動(dòng)化程度提出了越來(lái)越高的要求,利用日趨成熟的微處理器軟、硬件技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),在原有電子稱(chēng)重儀的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高稱(chēng)重儀表的測(cè)量精度,增加測(cè)量功能,對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率都具有重要的意義。
本文針對(duì)由太原理工大學(xué)測(cè)試技術(shù)研究所研制開(kāi)發(fā)的OCS-XY型電子稱(chēng)重儀,對(duì)其測(cè)量精度和誤差進(jìn)行了較為全面的分析,并改進(jìn)硬件,提高了稱(chēng)重儀的測(cè)量精度,增加了測(cè)量功能,取得了較好的效果。
電子稱(chēng)重儀的硬件組成及其誤差
(1)稱(chēng)重傳感器
OCS-XY型電子稱(chēng)重儀的硬件結(jié)構(gòu)框，該系統(tǒng)所使用的荷重傳感器是一個(gè)粘貼在剪切S形工字梁上的粘貼式電阻應(yīng)變片，。當(dāng)應(yīng)變片所附著的工字梁產(chǎn)生形變時(shí),也引起應(yīng)變片敏感柵的電阻發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量電路,可以將這個(gè)電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓輸出?！?br /> 為了確定應(yīng)變片的最佳粘貼位置,本文對(duì)剪切S形工字梁進(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)力方向與方形工字梁軸線的夾角應(yīng)為45°
粘貼式電阻應(yīng)變片是一種重要的測(cè)量敏感元件,它在實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析中是測(cè)量應(yīng)變和聯(lián)合應(yīng)力的主要機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。應(yīng)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(duì)應(yīng)變片軸線方向的應(yīng)變敏感,又對(duì)垂直于軸線方向的橫向效應(yīng)敏感,使應(yīng)變片的變化中包含有橫向應(yīng)變的影響,這就是應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。本文采用了直徑較粗的銅絲,與縱柵相比,其橫向系數(shù)很小,可以忽略不計(jì)。
應(yīng)變片對(duì)溫度的變化十分敏感,粘貼在試件上的應(yīng)變片,由于溫度變化而引起的電阻變化可以與應(yīng)變引起的電阻變化的數(shù)量級(jí)相當(dāng),因此在應(yīng)變測(cè)量中的溫度影響及補(bǔ)償方法是十分重要的問(wèn)題。如果在測(cè)量電橋電路中采取溫度補(bǔ)償片法,即全橋接法,使電橋電路兩相鄰臂由于溫度變化而引起的相對(duì)電阻變化相互抵消,就起到了溫度補(bǔ)償?shù)男?yīng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,輸出基本可以保持不變。
(2)測(cè)量和放大電路
該稱(chēng)重儀所采用的測(cè)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(zhuǎn)換為電壓變化信號(hào)?？墒怯捎跇蚵份敵龅碾p端信號(hào)比較小,不能直接用于測(cè)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(hào)放大并把它轉(zhuǎn)換成雙端輸出信號(hào),而且對(duì)共模信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制能力。
在電阻應(yīng)變傳感器中,采用恒壓全橋電路就可起到溫度補(bǔ)償?shù)男?yīng)。但由于4個(gè)橋臂的實(shí)際電阻值有偏差,而造成電橋處于不平衡狀態(tài)。
由測(cè)量電路輸出的信號(hào)一般都比較小,不能直接用來(lái)顯示、記錄、控制或進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此,當(dāng)非變量通過(guò)電橋進(jìn)行檢測(cè)轉(zhuǎn)換為電量后,需連接放大器進(jìn)行放大。但由于構(gòu)成放大電路的元器件性能不理想,如輸入電阻共模抑制比不是無(wú)窮大;輸入偏置電流、失調(diào)電壓不為零的影響,或是由于放大電路的工作條件不理想,如電源電壓不穩(wěn)定,電路絕緣不好而造成實(shí)際運(yùn)放輸出時(shí)的偏差。我們計(jì)算了由差模電壓增益、失調(diào)電壓、輸入偏置電流、電源抑制比等引起的誤差,最大誤差δ為0.071%。
(3)電子稱(chēng)重儀的A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)
A/D轉(zhuǎn)換器采用了MAX111芯片,這種芯片采用內(nèi)部自校準(zhǔn)電子技術(shù),可實(shí)現(xiàn)14位A/D轉(zhuǎn)換,不需要附加外部元件。MAX111芯片的溫度漂移、滿遲滯重復(fù)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,并且對(duì)電源波動(dòng)的抗干擾能力也很強(qiáng),因此由它產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)。
單片機(jī)采用AT89C2051。它是一種具有閃速可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳兼容。
電子稱(chēng)重儀風(fēng)電源采用CMOSDC-DC開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器。它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好,可靠性高。由于它產(chǎn)生的誤差很少,本文不對(duì)其進(jìn)行詳述。
測(cè)量傳感器的靜態(tài)特性分析
傳感器的理想輸入輸出特性在理論上應(yīng)該是線性的,但由于以上分析的種種原因,再加上環(huán)境溫度的變化和放大器零點(diǎn)漂移的影響等,最后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(huì)帶來(lái)非線性誤差。為了保證多項(xiàng)式的值在整個(gè)區(qū)間與被逼近的函數(shù)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(shí),由于加力的方向與軸線方向有偏差而產(chǎn)生的誤差。
由以上分析可知,傳感器的最大誤差為±0.44%。當(dāng)所加的力沒(méi)有偏心時(shí),非線性、遲滯、重復(fù)性誤差都是最小的。而當(dāng)所加力有偏心時(shí),不僅非線性誤差急劇增大,它的重復(fù)性等都有較大的誤差。因此,在荷重傳感器兩端加力時(shí),采用柔性鋼索連接,來(lái)消除由于加力的偏心而造成的誤差。
測(cè)量誤差及誤差補(bǔ)償
由上述分析可知,在整個(gè)稱(chēng)重系統(tǒng)中不可避免地產(chǎn)生一些誤差。如何減少誤差,提高精確度是最值得考慮的問(wèn)題。采用了微處理器對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析處理,從而使稱(chēng)重系統(tǒng)的精確度得到很大提高。根據(jù)誤差的性質(zhì),分別對(duì)測(cè)量誤差中的系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和疏失誤差處理分述如下。
(1)系統(tǒng)誤差的補(bǔ)償
采用了非等距分段的方法對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正。這種方法的特點(diǎn)是函數(shù)基點(diǎn)的分段不是等距的,而是根據(jù)函數(shù)曲線形狀變化率的大小來(lái)修正插值之間的距離。例如,可以使常用刻度范圍插值距離小一點(diǎn),而使非常用刻度區(qū)域的插值距離大一點(diǎn)。
(2）隨機(jī)誤差的補(bǔ)償
隨機(jī)誤差的產(chǎn)生取決于測(cè)量過(guò)程中一系列隨機(jī)性因素的影響。所謂隨機(jī)性因素是指實(shí)驗(yàn)者無(wú)法加以嚴(yán)格控制的因素。在測(cè)量過(guò)程中,盡管測(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)果仍會(huì)有差異,這就是隨機(jī)誤差。消除隨機(jī)誤差較為有效的方法是取多次測(cè)量的算術(shù)平均值。
(3)電子稱(chēng)重儀的疏失誤差
在一定條件下進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量值明顯地偏離實(shí)際值所形成的誤差稱(chēng)之為疏失誤差,也叫粗大誤差。一般情況下,疏失誤差是由于試驗(yàn)操作者在測(cè)量過(guò)程中的疏忽造成的。有時(shí)由于測(cè)量條件的突然變化,例如電源電壓發(fā)生突變或由于機(jī)械沖擊等引起儀器顯示值的變化等,也是產(chǎn)生疏失誤差的原因。對(duì)于疏失誤差的剔除可采用萊特準(zhǔn)則進(jìn)行判斷,也稱(chēng)3δ判斷準(zhǔn)則。其基本內(nèi)容為:當(dāng)某次測(cè)量值Xi所對(duì)應(yīng)的剩余誤差|Vi|>3δ時(shí),該Xi則被視為錯(cuò)值,應(yīng)將其剔除。這里δ的大小可由下式求得:
結(jié)論
原OCS-XY是機(jī)械式的稱(chēng)重儀,它的功能比較單調(diào),不能適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中連續(xù)稱(chēng)重、存儲(chǔ)記憶等許多要求,而且性能指標(biāo)完全依賴(lài)于傳感器自身的特性,欲改善其精度頗為困難。我們?cè)谠袃x器的基礎(chǔ)上,應(yīng)用微處理器軟硬件技術(shù)及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),通過(guò)數(shù)字濾波、線性校正等的處理步驟,實(shí)現(xiàn)了自校準(zhǔn)、自動(dòng)調(diào)零、自選量程、超限報(bào)警等多種功能并有效地提高了電子稱(chēng)重儀表的測(cè)量精度,使開(kāi)發(fā)出的電子稱(chēng)重儀超出了國(guó)家二級(jí)測(cè)量?jī)x的標(biāo)準(zhǔn),從而具有較高的可靠性和推廣性。

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