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引言。
隨著稱重技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對電子衡器的測量精度和自動化程度提出了越來越高的要求。利用日益成熟的微處理器軟硬件技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)，在原有電子衡器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高測量精度，增加衡器的測量功能，對保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率具有重要意義。
本文針對太原理工大學(xué)測試技術(shù)研究所開發(fā)的OCS-XY電子衡器，對其測量精度和誤差進(jìn)行了綜合分析，并對硬件進(jìn)行了改進(jìn)，提高了衡器的測量精度和測量功能，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，也會引起應(yīng)變片敏感柵的電阻變化，這種變化可以轉(zhuǎn)化為測量電路輸出的電壓。為了確定應(yīng)變片的最佳粘貼位置，對剪切型工字梁進(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，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量敏感元件，是實驗應(yīng)力分析中測量應(yīng)變和接頭應(yīng)力的主要機電轉(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。
應(yīng)變片對溫度變化非常敏感，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，因此應(yīng)變測量中的溫度影響和補償方法是非常重要的問題。如果采用溫度補償板法，即全橋法測量橋式電路，由于溫度變化引起的橋式電路相鄰兩臂的相對電阻變化相互抵消，從而達(dá)到溫度補償?shù)男Ч嶒灡砻?，輸出基本不變?br /> (2)測量放大電路。
衡器采用的測量電路和放大電路。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。但由于橋式電路輸出的二端信號比較小，不能直接用于測量輸出。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并將其轉(zhuǎn)換為雙端輸出信號，而且對共模信號有很強的抑制能力。
在電阻應(yīng)變傳感器中，恒壓全橋電路可以起到溫度補償?shù)淖饔?。然而，由于四個橋臂的實際電阻值的偏差，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。
一般測量電路輸出的信號比較小，不能直接用于顯示、記錄、控制或A/D轉(zhuǎn)換。所以當(dāng)不變量被電橋檢測到并轉(zhuǎn)換成電的時候，就要連接一個放大器進(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)致實際運算放大器輸出出現(xiàn)偏差。計算了差模電壓增益、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。
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)，無需額外外部元件即可實現(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，對電源波動的抗干擾能力也很強，所以max111芯片產(chǎn)生的誤差可以忽略不計
單片機采用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器。該器件采用ATMEL高密度非易失性存儲器制造技術(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，會帶來非線性誤差。為了保證多項式值與逼近函數(shù)在整個區(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，非線性、滯后和重復(fù)性誤差最小。當(dāng)作用力偏心時，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，使用柔性電纜來消除由應(yīng)力偏心引起的誤差。
測量誤差和誤差補償。
從以上分析可以看出，整個稱重系統(tǒng)不可避免地會出現(xiàn)一些誤差。如何減少誤差，提高精度是最需要考慮的問題。采用微處理器對測量結(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、隨機誤差和測量誤差中的誤差的處理描述如下。
(1)系統(tǒng)誤差補償。
采用非等距分割的方法來校正系統(tǒng)誤差。該方法的特點是函數(shù)基點的分割不是等距的，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)隨機誤差的補償。
隨機誤差取決于測量過程中的一系列隨機因素。隨機因素是指實驗者不能嚴(yán)格控制的因素。在測量過程中，雖然測量條件不變，但由于一些不可預(yù)測的隨機事件的影響，多次測量的結(jié)果仍然會有所不同，這就是所謂的隨機誤差。消除隨機誤差的有效方法是取多次測量的算術(shù)平均值。
(3)電子衡器的誤差。
在一定條件下測量時，因測量值與實際值明顯偏離而產(chǎn)生的誤差稱為過失誤差，也稱為粗差。一般來說，誤差是由測試操作員在測量過程中的疏忽造成的。有時，測量條件的突然變化，如電源電壓的突然變化或機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對應(yīng)于某一測量值Xi時，該Xi被認(rèn)為是一個錯誤值，應(yīng)予以消除。
結(jié)論。
原OCS-XY是一種機械衡器，功能單調(diào)，無法滿足工業(yè)自動化生產(chǎn)過程中的連續(xù)稱重、存儲、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)字信號處理技術(shù)，通過數(shù)字濾波、線性校正等處理步驟，實現(xiàn)了自校準(zhǔn)、自動調(diào)零、自選量程、超限報警等多種功能，有效提高了電子衡器的測量精度，使研制的電子衡器超過了國家二級計量器具標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的可靠性和推廣性。

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