本文分析了OCS-XY型电子称重仪的误差产生原因,并在其基础上,利用微处理器的软硬件技术对系统误差、偶然误差和疏失误差进行了校正,从而有效地提高了产品的测量精度,使得该称重仪具有了较高的可靠性和推广性。
引言
随着称重技术的不断发展,人们对电子称重仪的测量精度和自动化程度提出了越来越高的要求,利用日趋成熟的微处理器软、硬件技术及数字信号处理技术,在原有电子称重仪的基础上,进一步提高称重仪表的测量精度,增加测量功能,对于保证产品质量、提高生产效率都具有重要的意义。
本文针对由太原理工大学测试技术研究所研制开发的OCS-XY型电子称重仪,对其测量精度和误差进行了较为全面的分析,并改进硬件,提高了称重仪的测量精度,增加了测量功能,取得了较好的效果。
电子称重仪的硬件组成及其误差
(1)称重传感器
OCS-XY型电子称重仪的硬件结构框，该系统所使用的荷重传感器是一个粘贴在剪切S形工字梁上的粘贴式电阻应变片，。当应变片所附着的工字梁产生形变时,也引起应变片敏感栅的电阻发生变化,通过测量电路,可以将这个电阻变化转换成电压输出。　
为了确定应变片的最佳粘贴位置,本文对剪切S形工字梁进行了有限元分析,分析结果表明:当结构模板基本处于纯剪切状态时,最大主应力方向与方形工字梁轴线的夹角应为45°
粘贴式电阻应变片是一种重要的测量敏感元件,它在实验应力分析中是测量应变和联合应力的主要机电转换元件。应变片的敏感栅除了有纵向丝栅外,还有圆弧形和直线形的横栅。横栅既对应变片轴线方向的应变敏感,又对垂直于轴线方向的横向效应敏感,使应变片的变化中包含有横向应变的影响,这就是应变片的横向效应。本文采用了直径较粗的铜丝,与纵栅相比,其横向系数很小,可以忽略不计。
应变片对温度的变化十分敏感,粘贴在试件上的应变片,由于温度变化而引起的电阻变化可以与应变引起的电阻变化的数量级相当,因此在应变测量中的温度影响及补偿方法是十分重要的问题。如果在测量电桥电路中采取温度补偿片法,即全桥接法,使电桥电路两相邻臂由于温度变化而引起的相对电阻变化相互抵消,就起到了温度补偿的效应。经过实验证明,输出基本可以保持不变。
(2)测量和放大电路
该称重仪所采用的测量电路和放大电路。恒压电桥电路可以把电阻敏感元件的电阻变化转换为电压变化信号。可是由于桥路输出的双端信号比较小,不能直接用于测量和输出,因此本文选用了仪器放大器作为放大电路,它不仅能把差模小信号放大并把它转换成双端输出信号,而且对共模信号具有较强的抑制能力。
在电阻应变传感器中,采用恒压全桥电路就可起到温度补偿的效应。但由于4个桥臂的实际电阻值有偏差,而造成电桥处于不平衡状态。
由测量电路输出的信号一般都比较小,不能直接用来显示、记录、控制或进行A/D转换。因此,当非变量通过电桥进行检测转换为电量后,需连接放大器进行放大。但由于构成放大电路的元器件性能不理想,如输入电阻共模抑制比不是无穷大;输入偏置电流、失调电压不为零的影响,或是由于放大电路的工作条件不理想,如电源电压不稳定,电路绝缘不好而造成实际运放输出时的偏差。我们计算了由差模电压增益、失调电压、输入偏置电流、电源抑制比等引起的误差,最大误差δ为0.071%。
(3)电子称重仪的A/D转换器和单片机
A/D转换器采用了MAX111芯片,这种芯片采用内部自校准电子技术,可实现14位A/D转换,不需要附加外部元件。MAX111芯片的温度漂移、满迟滞重复性精确度±0.21±0.22±0.44±1.70±2.06±4.06±3.02±2.35±2.06±1.91±2.83±4.51量程误差很小,并且对电源波动的抗干扰能力也很强,因此由它产生的误差可以忽略不计。
单片机采用AT89C2051。它是一种具有闪速可编程、可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器,该器件采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚兼容。
电子称重仪风电源采用CMOSDC-DC开关调节器。它的优点是稳定性好,可靠性高。由于它产生的误差很少,本文不对其进行详述。
测量传感器的静态特性分析
传感器的理想输入输出特性在理论上应该是线性的,但由于以上分析的种种原因,再加上环境温度的变化和放大器零点漂移的影响等,最后放大器的输出不可能是线性的,如果按照线性处理和分析就会带来非线性误差。为了保证多项式的值在整个区间与被逼近的函数间误差最小,采用了最小二乘法拟合曲线。此外,还分析在传感器两端加力时,由于加力的方向与轴线方向有偏差而产生的误差。
由以上分析可知,传感器的最大误差为±0.44%。当所加的力没有偏心时,非线性、迟滞、重复性误差都是最小的。而当所加力有偏心时,不仅非线性误差急剧增大,它的重复性等都有较大的误差。因此,在荷重传感器两端加力时,采用柔性钢索连接,来消除由于加力的偏心而造成的误差。
测量误差及误差补偿
由上述分析可知,在整个称重系统中不可避免地产生一些误差。如何减少误差,提高精确度是最值得考虑的问题。采用了微处理器对测量结果进行分析处理,从而使称重系统的精确度得到很大提高。根据误差的性质,分别对测量误差中的系统误差、随机误差和疏失误差处理分述如下。
(1)系统误差的补偿
采用了非等距分段的方法对系统误差进行校正。这种方法的特点是函数基点的分段不是等距的,而是根据函数曲线形状变化率的大小来修正插值之间的距离。例如,可以使常用刻度范围插值距离小一点,而使非常用刻度区域的插值距离大一点。
(2）随机误差的补偿
随机误差的产生取决于测量过程中一系列随机性因素的影响。所谓随机性因素是指实验者无法加以严格控制的因素。在测量过程中,尽管测量条件不变,但由于一些不可预测的随机事件的影响,多次测量的结果仍会有差异,这就是随机误差。消除随机误差较为有效的方法是取多次测量的算术平均值。
(3)电子称重仪的疏失误差
在一定条件下进行测量,测量值明显地偏离实际值所形成的误差称之为疏失误差,也叫粗大误差。一般情况下,疏失误差是由于试验操作者在测量过程中的疏忽造成的。有时由于测量条件的突然变化,例如电源电压发生突变或由于机械冲击等引起仪器显示值的变化等,也是产生疏失误差的原因。对于疏失误差的剔除可采用莱特准则进行判断,也称3δ判断准则。其基本内容为:当某次测量值Xi所对应的剩余误差|Vi|>3δ时,该Xi则被视为错值,应将其剔除。这里δ的大小可由下式求得:
结论
原OCS-XY是机械式的称重仪,它的功能比较单调,不能适应工业自动化生产过程中连续称重、存储记忆等许多要求,而且性能指标完全依赖于传感器自身的特性,欲改善其精度颇为困难。我们在原有仪器的基础上,应用微处理器软硬件技术及数字信号处理技术,通过数字滤波、线性校正等的处理步骤,实现了自校准、自动调零、自选量程、超限报警等多种功能并有效地提高了电子称重仪表的测量精度,使开发出的电子称重仪超出了国家二级测量仪的标准,从而具有较高的可靠性和推广性。

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