電阻應變式稱(chēng)重傳感器蠕變補償研究
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分析電阻應變式傳感器蠕變特性，利用其加/卸載和蠕變輸出變化率的不同，判斷蠕變起始點(diǎn)，根據蠕變過(guò)程和零點(diǎn)變化的特點(diǎn)進(jìn)行蠕變跟蹤，以此確定傳感器實(shí)際載荷。此方法簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)現。
關(guān)鍵詞：稱(chēng)重傳感器；蠕變；動(dòng)態(tài)補償
Researches on Compensation of Creep of Load Cell
LIN Haoshun
(Land and Resources Information Center of Fujian Province, Fuzhou 350 0 01, China)
Key words: weighing load cell; creeping; dynamic compensation
傳感器精度高低是決定天平精度高低的主要因素。目前高精密電子天平大部分采用磁懸浮式的傳感器設計，而低成本的應變式傳感器只能用于低精度的電子天平。影響電阻應變式傳感器精度的主要原因之一是這種傳感器的蠕變指標。傳感器蠕變是由彈性體產(chǎn)生的正蠕變、應變片和應變膠負蠕變綜合影響而形成的。一般來(lái)講，彈性體設計定型后，其蠕變值也大致確定，控制和調整蠕變的傳統做法是選用不同蠕變補償性能的應變片，改變貼片位置和粘膠固化工藝等方法來(lái)實(shí)現。這種靠調節制造工藝等方法來(lái)調控蠕變，其工藝過(guò)程繁復，返工量大且隨機性高。筆者多年來(lái)對傳統應變式傳感器內部性能進(jìn)行深入細致的研究，結合目前先進(jìn)的數據采集技術(shù)(利用∑-ΔA/D轉換器)，應用單片機技術(shù)實(shí)現了對傳統應變式傳感器輸出信號進(jìn)行高性能數字濾波、動(dòng)態(tài)蠕變跟蹤，零點(diǎn)漂移跟蹤。使原本只能用于低精度場(chǎng)合的應變式傳感器的測量精度大大提高(可優(yōu)于1／30000)。應用該技術(shù)設計的精密電子天平較磁懸浮式電子天平有更高的性?xún)r(jià)比。?
保持溫度恒定，在某一恒定機械應變長(cháng)期作用下，傳感器輸出隨時(shí)間變化的特性，稱(chēng)為傳感器蠕變。在不承受載荷的條件下，傳感器隨時(shí)間變化的特性稱(chēng)為零漂。零漂是不承受載荷條件下的蠕變。稱(chēng)重傳感器的蠕變特性曲線(xiàn)如圖1所示(以正蠕變?yōu)槔?，負蠕變與正蠕變相類(lèi)似)，其中曲線(xiàn)L為傳感器的加載特性曲線(xiàn)，曲線(xiàn)C為傳感器的卸載特性曲線(xiàn)。從中可以看出，傳感器的加載曲線(xiàn)由加載段L0和蠕變段L1組成。在加載段L0，傳感器的輸出急劇增加，迅速達到載荷的真實(shí)變化值W0，圖中用S1點(diǎn)表示，在這個(gè)時(shí)間段，由于時(shí)間極短，傳感器產(chǎn)生的蠕變較??；進(jìn)入L1段后，傳感器輸出發(fā)生緩慢的增加并逐漸趨近不變，蠕變值ε隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化；在傳感器卸載曲線(xiàn)C上，卸載曲線(xiàn)由卸載段C0和蠕變恢復段C1組成，傳感器輸出值以極高的速度迅速衰減到卸載曲線(xiàn)的S2點(diǎn)，超過(guò)S2點(diǎn)，傳感器輸出緩慢回零，蠕變恢復值ε也是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，并逐漸趨近零點(diǎn)不變。
電子天平的稱(chēng)重值是加載在傳感器上的載荷值減去傳感器在天平零點(diǎn)時(shí)的載荷值。從以上分析來(lái)看，我們假定蠕變和蠕變恢復是相等的(實(shí)際中有相當多傳感器這兩個(gè)階段可認為近似相等)，也就是說(shuō)，圖1所示的L1和C1相等，在加載／卸載段時(shí)間很短時(shí)，可以近似認為傳感器在這一階段蠕變?yōu)榱?，其輸出變化量就是加在傳感器上的載荷的變化量W0。設蠕變階段載荷值和迅速卸載后零點(diǎn)值的差值為W1，基于上述蠕變和蠕變恢復是相等的假定，W1=W0。而電子天平稱(chēng)重值取載荷的差值W0，所以，判斷出加載后蠕變點(diǎn)和蠕變恢復點(diǎn)就可以動(dòng)態(tài)跟蹤蠕變。具體算法如下：
式中，W——天平加載后迅速達到S1點(diǎn)傳感器輸出值；W0——天平加載后迅速達到S1點(diǎn)天平稱(chēng)重值；Wb——天平空載或歸零后零點(diǎn)值；W1——加載后蠕變和經(jīng)蠕變修正后天平稱(chēng)重值；ε——蠕變動(dòng)態(tài)值。
式(1)是加載到S1點(diǎn)天平的稱(chēng)重值；式(2)是加載穩定到S1點(diǎn)和進(jìn)行蠕變補償后天平的稱(chēng)重值，式中載荷蠕變和受加載影響天平零點(diǎn)蠕變值同是ε。
式中，W——天平加載后迅速達到S1點(diǎn)傳感器輸出值；W0——天平加載后迅速達到S1點(diǎn)天平稱(chēng)重值；Wb——天平空載或歸零后零點(diǎn)值；W1——加載后蠕變和經(jīng)蠕變修正后天平稱(chēng)重值；ε——蠕變動(dòng)態(tài)值。
式(1)是加載到S1點(diǎn)天平的稱(chēng)重值；式(2)是加載穩定到S1點(diǎn)和進(jìn)行蠕變補償后天平的稱(chēng)重值，式中載荷蠕變和受加載影響天平零點(diǎn)蠕變值同是ε。
? 蠕變跟蹤補償的關(guān)鍵是判斷和確定圖1所示的S1點(diǎn)、蠕變量ε與時(shí)間的關(guān)系，然后根據這一關(guān)系進(jìn)行蠕變補償。補償思路見(jiàn)圖4。圖4的前半段是確定S1點(diǎn)，后半段是蠕變跟蹤處理。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是如何確定蠕變跟蹤量和跟蹤時(shí)間的關(guān)系。圖1只定性地說(shuō)明傳感器的蠕變特性，但是，每個(gè)傳感器都有定量的特性，也就是蠕變量ε與時(shí)間的關(guān)系。只有確定這一關(guān)系，才能確定蠕變跟蹤時(shí)間和跟蹤量(圖4中的AD＿STA3)。解決的辦法是在天平標定時(shí)一起確定蠕變曲線(xiàn)。具體做法是：加載砝碼標定時(shí)按規程測試蠕變特性，單片機先記錄下S1點(diǎn)，并記錄每隔固定的時(shí)間段的當前A／D值與S1點(diǎn)的差值，這就是該段時(shí)間的蠕變值。用軟件辦法記錄下這個(gè)傳感器蠕變量與時(shí)間的關(guān)系，然后再根據這一關(guān)系確定跟蹤量(AD＿STA-3)和跟蹤時(shí)間。確定的原則是：固定的時(shí)間段蠕變量越大，跟蹤量(AD＿STA-3)就越大和跟蹤間隔時(shí)間就越小。反之，跟蹤量(AD＿STA-3)就越小和跟蹤間隔時(shí)間就越大。
關(guān)鍵詞：
電阻應變式
稱(chēng)重傳感器
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