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本文分析了OCS-XY型電子稱重儀的誤差產(chǎn)生原因,并在其基礎上,利用微處理器的軟硬件技術對系統(tǒng)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(chǎn)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(fā)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(shù)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,對于保證產(chǎn)品質量、提高生產(chǎn)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制開發(fā)的OCS-XY型電子稱重儀,對其測量精度和誤差進行了較為全面的分析,并改進硬件,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，該系統(tǒng)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(chǎn)生形變時,也引起應變片敏感柵的電阻發(fā)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:當結構模板基本處于純剪切狀態(tài)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(lián)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,又對垂直于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,其橫向系數(shù)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,由于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(shù)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于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?shù)男?。?jīng)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?？墒怯捎跇蚵份敵龅碾p端信號比較小,不能直接用于測量和輸出,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并把它轉換成雙端輸出信號,而且對共模信號具有較強的抑制能力。
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?shù)男?。但由?個橋臂的實際電阻值有偏差,而造成電橋處于不平衡狀態(tài)。
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、控制或進行A/D轉換。因此,當非變量通過電橋進行檢測轉換為電量后,需連接放大器進行放大。但由于構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窮大;輸入偏置電流、失調電壓不為零的影響,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、電源抑制比等引起的誤差,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(xiàn)14位A/D轉換,不需要附加外部元件。MAX111芯片的溫度漂移、滿遲滯重復性精確度±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,并且對電源波動的抗干擾能力也很強,因此由它產(chǎn)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、可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器,該器件采用ATMEL高密度、非易失存儲器制造技術制造,與工業(yè)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(jié)器。它的優(yōu)點是穩(wěn)定性好,可靠性高。由于它產(chǎn)生的誤差很少,本文不對其進行詳述。
測量傳感器的靜態(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帶來非線性誤差。為了保證多項式的值在整個區(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,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%。當所加的力沒有偏心時,非線性、遲滯、重復性誤差都是最小的。而當所加力有偏心時,不僅非線性誤差急劇增大,它的重復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,來消除由于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題。采用了微處理器對測量結果進行分析處理,從而使稱重系統(tǒng)的精確度得到很大提高。根據(jù)誤差的性質,分別對測量誤差中的系統(tǒng)誤差、隨機誤差和疏失誤差處理分述如下。
(1)系統(tǒng)誤差的補償
采用了非等距分段的方法對系統(tǒng)誤差進行校正。這種方法的特點是函數(shù)基點的分段不是等距的,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,而使非常用刻度區(qū)域的插值距離大一點。
(2）隨機誤差的補償
隨機誤差的產(chǎn)生取決于測量過程中一系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制的因素。在測量過程中,盡管測量條件不變,但由于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,疏失誤差是由于試驗操作者在測量過程中的疏忽造成的。有時由于測量條件的突然變化,例如電源電壓發(fā)生突變或由于機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。對于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所對應的剩余誤差|Vi|>3δ時,該Xi則被視為錯值,應將其剔除。這里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(yè)自動化生產(chǎn)過程中連續(xù)稱重、存儲記憶等許多要求,而且性能指標完全依賴于傳感器自身的特性,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(shù)字信號處理技術,通過數(shù)字濾波、線性校正等的處理步驟,實現(xiàn)了自校準、自動調零、自選量程、超限報警等多種功能并有效地提高了電子稱重儀表的測量精度,使開發(fā)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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