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一、概述
隨著科學(xué)技術(shù)的進步, 工業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化水平的提高, 許多企業(yè)對稱重計量技術(shù)提出了加快稱重速度, 縮短稱重時間的要求, 迫切需要解決快速稱重、低速動態(tài)稱重和動態(tài)稱重問題。
稱重實質(zhì)上是測量物體的質(zhì)量, 從古至今, 物體的質(zhì)量都是通過它在重力場下的重力測量來求得的。盡管重力也是力的一種形式, 但是動態(tài)測力與動態(tài)稱重卻是兩個不同的概念。動態(tài)測力時, 輸入量X( t) 總是不斷變化的, 測力傳感器的輸出量Y( t) 也是不斷變化的, 這就要求動態(tài)力測量系統(tǒng)要跟蹤力值變化。因此對測力傳感器的瞬態(tài)特性要求較高, 即幅頻要有足夠的平坦區(qū), 相位響應(yīng)在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)是線性的, 以免引起波形失真, 產(chǎn)生測量誤差。動態(tài)稱重時, 被測物體的質(zhì)量少數(shù)是變化的,例如電子皮帶秤所稱量的物料, 多數(shù)是恒定的。就后者而言, 對動態(tài)稱重系統(tǒng)瞬態(tài)特性的要求可以放寬些, 只要在允許的稱重時間內(nèi)能夠達到穩(wěn)態(tài), 準(zhǔn)確的測量出重量即可, 而頻帶的寬窄, 相位的線性,波形的失真與否都不是非常重要的。當(dāng)然這僅僅是對整個測量系統(tǒng)而言, 就稱重傳感器來講絕不排除它具有優(yōu)良的瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。因此, 本文按測量動態(tài)力的技術(shù)條件來研究、分析稱重傳感器的動態(tài)特性。
從上述分析不難得出, 稱重傳感器用于動態(tài)稱重時它的輸出信號幅值和相位與用于靜態(tài)稱重時存在著根本區(qū)別。從時間域來看, 靜態(tài)稱重時稱重傳感器的輸出與時間無關(guān), 即輸出不隨時間變化;動態(tài)稱重時稱重傳感器的輸出與時間有關(guān), 即輸出隨時間的變化而變化( 包括瞬態(tài)變化和連續(xù)變化) 。從頻率域來看, 靜態(tài)稱重時稱重傳感器的輸出信號頻譜只有零數(shù); 動態(tài)稱重時稱重傳感器的輸出信號頻譜具有各種頻率成份, 對周期信號為分離頻譜,對非周期信號為連續(xù)頻譜。
在靜態(tài)稱重中, 稱重傳感器組成的理想線性稱重系統(tǒng)的特性方程為Y=kX, 式中k 為常數(shù), 即輸出Y 是輸入X 的線性函數(shù), 稱重系統(tǒng)具有恒定的增益。
在動態(tài)稱重中, 同樣希望動態(tài)稱重系統(tǒng)具有很好的線性, 即稱重傳感器具有理想的響應(yīng), 在時間域Y( t) =CX( t) , 在頻率域Y( j!) =CX( j!) , 若要滿足上述兩式, 其頻率特性應(yīng)是一個常數(shù)。然而由于稱重傳感器是單一自由度二階線性系統(tǒng), 其儲能部件( 彈性元件) 將使頻率特性H( j!) 與頻率有關(guān), 要實現(xiàn)頻率特性H( j!) 為一常數(shù)是不可能的。由于在動態(tài)稱重過程中, 最為嚴(yán)重的情況是輸入的X( t) 總是不斷變化的, 稱重傳感器的輸出Y( t) 也是不斷變化的。動態(tài)稱重的任務(wù)就是通過稱重傳感器的輸出Y( t) 來獲得輸入X( t) , 這就要求輸出Y( t) 能夠?qū)崟r的、無失真的跟蹤輸入X( t) 的變化。因此, 必須研究、分析稱重傳感器的動態(tài)特性。
二、動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)
動態(tài)特性是指稱重傳感器對于隨時間而變化的輸入量的響應(yīng)特性。實際輸入隨時間變化的形式可能是各種各樣的, 只要輸入是時間的函數(shù), 則其輸出也將是時間的函數(shù)。動態(tài)方程就是指在動態(tài)稱重時, 稱重傳感器的輸出與輸入之間隨時間變化的函數(shù)關(guān)系。它依賴于稱重傳感器本身的測量原理、彈性元件結(jié)構(gòu), 取決于系統(tǒng)內(nèi)部機械、電氣等各種參數(shù), 而且這個特性本身不因輸入量、時間和環(huán)境
條件的不同而改變。通常研究, 分析動態(tài)特性時, 是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)輸入特性來考慮并評估稱重傳感器的響應(yīng)特性。標(biāo)準(zhǔn)輸入主要有正弦變化的輸入、階躍變化的輸入和線性輸入, 而應(yīng)用較多的是前兩種。
1.動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型
為便于分析稱重傳感器的動態(tài)特性, 必須建立數(shù)學(xué)模型。理論分析和大量試驗結(jié)果證明, 稱重傳感器可以看作是單一自由度的二階線性系統(tǒng), 它的數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)線性微分方程。對于線性定常( 時間不變) 系統(tǒng), 其數(shù)學(xué)模型為高階常系數(shù)線性微分方程, 即

式中: Y—輸出量; X—輸入量( 被測量) ; t—時間a0, a1, …, an—僅與測量系統(tǒng)特性有關(guān)的常數(shù),b0, b1, …, bn—僅與測量系統(tǒng)特性有關(guān)的常數(shù)

2.動態(tài)特性的傳遞函數(shù)
稱重傳感器動態(tài)特性的傳遞函數(shù)在線性或線性化定常( 時間不變) 系統(tǒng)中, 是指初始條件為零時, 系統(tǒng)輸出量的拉氏( Laplase) 變換與輸入量的拉氏變換之比。
在稱重傳感器的一般微分方程式( 1) 中, 當(dāng)其初始值為零時, 對式( 1) 進行拉氏變換, 即可得到動態(tài)特性的傳遞函數(shù)H( s) 的一般式, 即

式中: Y( s) —稱重傳感器輸出量的拉氏變換式X( s) —稱重傳感器輸入量的拉氏變換式根據(jù)上述定義, 將微分方程式( 4) 經(jīng)過拉氏變換即可得出工程上用的傳遞函數(shù)公式。微分方程式( 4) 的拉氏變換為

三、動態(tài)響應(yīng)及動態(tài)性能指標(biāo)
稱重傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性可以從時間域和頻率域來分析。通常在時間域, 主要分析稱重傳感器在階躍輸入、脈沖輸入下的瞬態(tài)響應(yīng)特性; 在頻率域, 主要分析稱重傳感器在正弦輸入下的穩(wěn)態(tài)特性, 并著重從幅頻特性和相頻特性來分析。
1.時間域瞬態(tài)響應(yīng)特性當(dāng)輸入量X( t) 為單位階躍信號時, 則
X( t) =!( t) =1 t≥0 ( 7)
X( t) =!( t) =0 t<0
若要求稱重傳感器對此輸入信號進行無失真、無延遲測量, 就必須使其輸出Y( t) 滿足Y=k!( t) ( 8)式( 8) 中k 為稱重傳感器的靈敏度, 也稱靜態(tài)增益。這就要求稱重傳感器的傳遞函數(shù)H( s) 或頻率特性H( j") 為一常數(shù), 即
H( s) =k或H( j") =k 0≤"<∞ ( 9)
在實際測量中, 要作到這一點是非常困難的,甚至是不可能的。為了理論分析和實際評估稱重傳感器的實際輸出偏離無失真輸出的程度, 通常在實際輸出曲線中, 從幅值和時間兩個方面找出有關(guān)特征,并以此作為分析和衡量時間域動態(tài)性能指標(biāo)的依據(jù)。瞬態(tài)載荷的波形是各種各樣的, 不可能都實施動力試驗進行檢測, 通常多選擇階躍波作為輸入,來檢測稱重傳感器的輸出響應(yīng)。

 曲線1 為稱重傳感器阻尼小( 欠阻尼) 的情況, 曲線2 為阻尼大( 過阻尼) 的情況。絕大多數(shù)稱重傳感器的阻尼都很小, 為欠阻尼情況, 允許誤差一般規(guī)定為±2%~±5%。由傳遞函數(shù)公式( 6) 和圖1 可以看出, 稱重傳感器對階躍信號的響應(yīng)主要決定于阻尼比$ 和固有頻率"0。固有頻率"0 由稱重傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,"0 越高, 動態(tài)響應(yīng)速度越快。當(dāng)"0 為常數(shù)時, 其動態(tài)響應(yīng)速度取決于阻尼比$。阻尼比$ 直接影響輸出信號的振蕩次數(shù)及超調(diào)量%。$=0 時為臨界阻尼,超調(diào)量為100%產(chǎn)生等幅振蕩; $>1 時為過阻尼, 無超調(diào)量也無振蕩, 但達到穩(wěn)態(tài)輸出所需要的時間較長; $<1 時為欠阻尼, 產(chǎn)生衰減振蕩, 達到穩(wěn)態(tài)輸出所需要的時間隨$ 的增加而減小; 在$=1 時, 達到穩(wěn)態(tài)輸出所需要的時間最短。工程中通常取$=0.6～0.8, 最大超調(diào)量約為2.5%~10%, 其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間也
較短。一般都用階躍輸入與輸出隨時間變化曲線上的特性參數(shù)來表示瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo):
( 1) 時間常數(shù)&—輸出值上升到穩(wěn)態(tài)值Y( ∞) 的63%所需要的時間。
( 2) 上升時間tr—輸出值從穩(wěn)態(tài)值Y( ∞) 的10%上升到90%所需要的時間。
( 3) 響應(yīng)時間t5 或t2—輸出值進入穩(wěn)態(tài)值Y( ∞)的5%或2%的允許誤差帶內(nèi)所需要的時間。
( 4) 超調(diào)量%—在過渡過程中, 輸出量的最大值Y( tP) 小于Y( ∞) 時, 響應(yīng)無超調(diào)量; 在Y( tP) >Y( ∞)時, 響應(yīng)有超調(diào)量。超調(diào)量的定義是超過理想的穩(wěn)態(tài)輸出值Y( ∞) 的量’Y與穩(wěn)態(tài)輸出值Y( ∞) 之比, 即

2.頻率域穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性
稱重傳感器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)或頻率響應(yīng)特性是指輸出信號的幅值和相位隨頻率變化的特性, 通常用其動態(tài)特性的傳遞函數(shù)來分析穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。與振動傳感器相同用于動態(tài)稱重系統(tǒng)的稱重傳感器也屬于單自由度二階線性傳感器。

該線性定常系統(tǒng), 有兩個十分重要的性質(zhì), 即疊加性和頻率保持性。當(dāng)系統(tǒng)有多個輸入信號激勵時, 根據(jù)疊加性輸出的響應(yīng)等于各個輸入信號單獨激勵作用的響應(yīng)之和。這樣在分析上, 就可以將復(fù)雜的激勵信號分解成若干簡單的信號, 然后求解這些簡單信號激勵響應(yīng)之和。頻率保持性表明線性系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時輸出信號的頻率保持與輸入信號的頻率相同。由于不論何種輸入信號都可以用傅里葉
級數(shù)來表示, 也就是可以用多種頻率的正弦信號疊加來表示, 因此可以用稱重傳感器對正弦輸入信號的響應(yīng)特性來判斷它對復(fù)雜輸入信號的響應(yīng)。含有質(zhì)量m, 彈性元件k, 阻尼器c 和被測載荷w( t) 的系統(tǒng), 根據(jù)牛頓第二定律其動力學(xué)方程式為

從上述公式不難看出, 頻率響應(yīng)特性主要取決于稱重傳感器的固有頻率!。和阻尼比"。在"<1, !0≥!時, A( !) ≈1, $( !) 很小, 幅頻特性平直, 輸入與輸出呈線性關(guān)系, 此時稱重傳感器的輸出能真實的再現(xiàn)輸入信號。因此在設(shè)計稱重傳感器時, 必須使阻尼比"<1, 固有率"0 至少應(yīng)大于被測信號頻率"的3～5 倍, 即"0≥( 3～5) "。實際上對固有頻率"0,要求過高, 將增加稱重傳感器的制造難度, 考慮到在整個頻譜內(nèi), 頻率越高, 幅值越小, 靈敏度越低,因此固有頻率"0 的選擇應(yīng)根據(jù)測量系統(tǒng)的需要綜合考慮。
現(xiàn)以輸入量X( t) 為正弦信號的稱重傳感器為
例分析瞬態(tài)響應(yīng)特性, 即現(xiàn)以輸入量X( t) 為正弦信號的稱重傳感器為例分析瞬態(tài)響應(yīng)特性, 即X( t) =Xmsin"t ( 18)式中Xm—輸入信號的幅值"—輸入信號的圓頻率如果稱重傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性非常好, 其輸出應(yīng)為YS( t) =KXmsin!t=Ysmsin!t ( 19)
式中K 為稱重傳感器的靈敏度。式( 13) 表明,如果是理想的稱重傳感器, 其輸出幅值為Ym=KXm,并以相同的頻率和相位作正弦變化。在實際測量中, 由于稱重傳感器有慣性等原因, 它的輸出幅值和相位不可能按式( 19) 正弦規(guī)律變化, 而是按下式作正弦變化, 即
Y( t) =Ymsin( !t+#) ( 20)稱重傳感器的正弦輸入與輸出隨時間變化的曲線如圖3 所示, 圖中曲線1 是正弦輸入信號X( t) , 曲線2 是理想輸入信號YS ( t) , 曲線3 是輸出信號Y( t) 。

在校準(zhǔn)稱重傳感器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時, 可求得不同頻率下的幅頻特性曲線和相頻特性曲線, 如圖4 所示。一般要求幅值誤差小于±5%~±2%。根據(jù)實際需要對相位誤差提出要求, 例如要求在工作頻率內(nèi)的相位差應(yīng)小于5°

可用下列指標(biāo)評定稱重傳感器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性:
( 1) 通頻帶!b———在幅頻特性曲線上幅值衰減3dB 時所對應(yīng)的頻率范圍。
( 2) 工作頻帶!g1 或!g2———幅值誤差為±5%或±10%時所對應(yīng)的頻率范圍。
( 3) 相位誤差一在工作頻帶范圍內(nèi), 稱重傳感器的實際輸出與無失真輸出之間的相位差值, 即相位誤差。
綜上所述, 稱重傳感器的動態(tài)性能指標(biāo)有:固有頻率!0; 阻尼系數(shù)( 阻尼比) "; 頻率響應(yīng)范圍;頻率特性; 時間常數(shù)#; 上升時間tr 響應(yīng)時間; 超調(diào)量$; 衰減率%; 穩(wěn)態(tài)誤差; 臨界速度; 臨界頻率等。
四、動態(tài)校準(zhǔn)和動態(tài)誤差
動態(tài)校準(zhǔn)( 或稱動態(tài)標(biāo)定) 的目的是研究和分析稱重傳感器的動態(tài)響應(yīng)以及與動態(tài)響應(yīng)有關(guān)的特性參數(shù)、性能指標(biāo), 例如固有頻率!0, 阻尼比&, 時間常數(shù)’, 上升時間tr, 峰值時間tP, 頻率響應(yīng)范圍和最大超調(diào)量等。盡管各類傳感器的動態(tài)校準(zhǔn)方法不同,相同的稱重傳感器也有多種校準(zhǔn)方法, 但其基本要求是相同的。動態(tài)校準(zhǔn)時, 稱重傳感器的輸入信號應(yīng)該是一個標(biāo)準(zhǔn)的激勵函數(shù), 如階躍函數(shù)、正弦函數(shù)等。在稱重傳感器的輸入、輸出信號間建立起時間域或頻率域的函數(shù), 并由此函數(shù)校準(zhǔn)時間域或頻率域的特性參數(shù)。目前世界各國尚無統(tǒng)一的動態(tài)校準(zhǔn)方法, 但在動態(tài)校準(zhǔn)原理和工藝上存在共識, 這就是為了獲取稱重傳感器典型輸入下的動態(tài)響應(yīng), 必須有合適的動態(tài)校準(zhǔn)設(shè)備和科學(xué)而精密的校準(zhǔn)工藝, 包括典型輸入信號發(fā)生設(shè)備, 動態(tài)信號記錄儀器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。
動態(tài)校準(zhǔn)所用的標(biāo)準(zhǔn)激勵源主要有兩種, 一是周期性函數(shù)如正弦波、三角波等, 以正弦波信號為常用; 一是瞬變函數(shù)如階躍信號、半正弦波等, 以階躍信號為常用。
目前, 世界各國動態(tài)測力與稱重傳感器的校準(zhǔn),多采用動力校準(zhǔn)方法。所謂動力校準(zhǔn)法, 就是利用動力試驗, 給測力與稱重傳感器施加一個標(biāo)準(zhǔn)激勵,測量出整個信號通道的響應(yīng), 從而確定其動態(tài)特性的傳遞函數(shù), 再以此確定頻率特性, 幅頻特性和相頻特性的校準(zhǔn)方法。
在動力校準(zhǔn)方法中, 利用電動力激勵器直接獲得頻率特性的方法最為先進, 我國目前還沒有研制這種校準(zhǔn)設(shè)備。電動力激勵器實際上就是一種電磁力馬達, 其總體結(jié)構(gòu)與電磁式振動臺相似, 主要是由直流磁場、非導(dǎo)磁材料制成的加力棒和纏繞在加力棒上的激勵繞組等組成。電動力激勵器的工作原理是處于直流磁場中的載流導(dǎo)體將產(chǎn)生勞侖茨力( 電動力) 。即當(dāng)激勵繞組通以電流時, 在磁場的作用下加力棒將作用到一個電動力, 此力的大小與磁場的磁感強度、激勵繞組的電流強度和匝數(shù)成正比, 其波形決定于激勵電流的波形。如果在激勵繞組中通以幅值恒定、頻率可變的正弦電流時, 測力與稱重傳感器就會作用到一個可變的正弦力。根據(jù)不同頻率下
測量的輸出信號的幅值和相位就可求得頻率特性。采用電動力激勵器直接獲得頻率特性的動態(tài)校準(zhǔn)方法, 最大的特點是可以很快的得出測力與稱重傳感器的頻率特性, 但需要有性能良好的電動力激勵器和高響應(yīng)的測量系統(tǒng)。
美國振動工程與測試技術(shù)專家給出了三種動力校準(zhǔn)方法: 跌落校準(zhǔn)、慣性校準(zhǔn)和比較校準(zhǔn)。動態(tài)校準(zhǔn)時稱重傳感器的動態(tài)性能用時間域表示的優(yōu)點是簡單、直觀。國內(nèi)一些科研部門多用動態(tài)校準(zhǔn)的階躍過渡過程響應(yīng)曲線上的性能參數(shù),來確定稱重傳感器的時間域特性指標(biāo)。用頻率域表示的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是富里哀分析法, 即信號頻譜分析法, 其優(yōu)點是可以直接了解信號的本質(zhì), 頻率與幅值、頻率與相位的關(guān)系。例如, 用于在線自動定量包裝等系統(tǒng)的動態(tài)稱重傳感器, 如果每分鐘稱重300次, 相當(dāng)于在0.2s 稱重時間內(nèi)稱重一次, 由于整個稱重時間的2/3 可能用于替換重物, 故剩下的實際稱重時間只有67ms, 對動態(tài)性能要求較高。因此必須進行嚴(yán)格的動態(tài)校準(zhǔn), 用頻率域分析法確定其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性。由于在動態(tài)校準(zhǔn)之前, 傳遞函數(shù)中的系數(shù)!0 和" 是未知數(shù), 必須通過動態(tài)校準(zhǔn)才能直接求得。在我國按激勵源不同有三種激勵方法。
( 1) 在標(biāo)準(zhǔn)的沖擊試驗設(shè)備上利用沖擊載荷獲
得動態(tài)響應(yīng)的校準(zhǔn)方法這種動力校準(zhǔn)方法是利用標(biāo)準(zhǔn)沖擊試驗設(shè)備上的落錘, 自由下落時撞擊稱重傳感器的頭部( 彈性元件的承載部分) , 由于是高速機械碰撞而產(chǎn)生一個沖擊載荷, 在這種激勵下稱重傳感器產(chǎn)生相應(yīng)的過渡過程, 用近似的計算方法即可獲得它的頻率
特性。
通過試驗測量可以證明, 利用落錘實現(xiàn)機械碰撞所產(chǎn)生的沖擊載荷波形是半正弦波。其最大幅值與落錘碰撞前的瞬時速度( 由落錘下落高度決定) 、落錘的質(zhì)量和稱重傳感器彈性元件的剛度成正比。因此, 可以通過選擇不同質(zhì)量的落錘和落錘的不同下落高度, 來獲得各種沖擊載荷, 在很寬的范圍內(nèi)對不同量程的稱重傳感器進行動態(tài)校準(zhǔn)。此種動態(tài)校準(zhǔn)方法比較簡單, 容易實現(xiàn), 但由于稱重傳感器動態(tài)響應(yīng)等原因, 沖擊載荷的波形易發(fā)生畸變, 以此計算的頻率特性誤差較大。
( 2) 利用激波管產(chǎn)生階躍載荷獲得動態(tài)響應(yīng)的
校準(zhǔn)方法這種動力校準(zhǔn)方法是利用激波管內(nèi)氣壓沖擊波對稱重傳感器施加階躍載荷。校準(zhǔn)時稱重傳感器的頭部對準(zhǔn)激波管的低壓室出口, 激波管與稱重傳感器通過法蘭盤和密封墊圈緊密連接。當(dāng)激波管高壓室的氣體迅速充滿低壓室時, 由于低壓室的容積遠遠小于高壓室的容積, 在這一瞬間造成壓力突然變化, 出現(xiàn)氣壓沖擊, 便在稱重傳感器頭部的面積上產(chǎn)生階躍載荷。根據(jù)階躍響應(yīng)就可以用近似的方法計算出頻率響應(yīng)特性。高壓室的靜態(tài)壓力取決于低壓室所需要的壓力大小, 低壓室的壓力由施加的階躍載荷和稱重傳感器頭部的面積決定, 上升時間取決于高壓室向低壓室充氣的時間?？衫镁幊掏ㄟ^計算機來計算階躍響應(yīng)的頻率特性。受激波管的激波壓力限制, 很難產(chǎn)生較大的階躍載荷, 一般只能校準(zhǔn)1~10t 量程范圍的稱重傳感器。對于1t 以下和10t 以上量程的稱重傳感器, 多采用突然卸載的方法進行動態(tài)校準(zhǔn), 即先給稱重傳感器施加一標(biāo)準(zhǔn)載荷, 例如將被校準(zhǔn)的稱重傳感器吊裝在剛度很大的龍門架上, 給稱重傳感器施加一個標(biāo)準(zhǔn)載荷, 利用懸吊加載系統(tǒng)中的爆炸分離裝置, 在小于10#s 的時間內(nèi)突然爆炸釋放所加的標(biāo)準(zhǔn)載荷, 使稱重傳感器獲得一個負(fù)階躍載荷, 達到與激波管產(chǎn)生階躍響應(yīng)相同的效果。
( 3) 動態(tài)校準(zhǔn)的比較法
采用上述兩種絕對校準(zhǔn)法, 雖然具有精度較高、可靠性大、能直接參考響應(yīng)波形等優(yōu)點, 但它所要求的測試設(shè)備多, 精度要求高, 技術(shù)難度大, 校準(zhǔn)時間長等缺點也非常突出, 這是動態(tài)傳感器研究和生產(chǎn)單位必須認(rèn)真解決的問題。近些年在動力校準(zhǔn)實踐中迅速發(fā)展起來的比較法, 越來越受到人們的重視和歡迎。
動態(tài)校準(zhǔn)的比較法, 就是將定期送往國家力值計量檢測部門的采用絕對法校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)稱重傳感器及其配套的動態(tài)檢測儀器設(shè)備作標(biāo)準(zhǔn), 與被檢的稱重傳感器動態(tài)性能逐項比較進行動態(tài)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時將標(biāo)準(zhǔn)稱重傳感器與被校準(zhǔn)的稱重傳感器背靠背的安裝在中頻或高頻振動臺上, 按所要求的頻率和動態(tài)載荷值進行動態(tài)加載, 通過比較和分析頻率響應(yīng)曲線等確定被校準(zhǔn)稱重傳感器的動態(tài)特性。比
較校準(zhǔn)方法的特點是簡單、快速、精確、省時。不論那一種動態(tài)校準(zhǔn), 只有動態(tài)性能非常好的稱重傳感器隨時間變化的輸出曲線能同時再現(xiàn)輸入隨時間變化的曲線, 即輸出與輸入具有相同類型的時間函數(shù)。實際上由于稱重傳感器彈性元件的結(jié)構(gòu), 輸出信號測量系統(tǒng)各環(huán)節(jié)引起的誤差等, 輸出信號一般不會與輸入信號具有完全相同的時間函數(shù), 這種輸出與輸入的差異就是動態(tài)誤差。一個具有良好靜態(tài)特性的稱重傳感器, 未必就一定具有良好的動態(tài)特性。因為對于快速變化的動態(tài)輸入信號, 需要稱重傳感器有較好的動態(tài)特性,
不僅能準(zhǔn)確的測量信號幅值的大小, 而且還要測量出信號變化過程的波形。影響動態(tài)特性的因素任何傳感器都有, 只不過是表現(xiàn)形式和作用程度不同而已。
稱重傳感器頻率特性存在的響應(yīng)誤差, 主要是隨機誤差, 因為系統(tǒng)誤差可作歸一化處理, 因此研究稱重傳感器動態(tài)特性的目的, 就是從測量誤差的角度分析產(chǎn)生動態(tài)誤差的原因, 以及提出改進措施, 提高動態(tài)稱重準(zhǔn)確度。
五、結(jié)語
應(yīng)變式稱重傳感器用于快速稱重、低速動態(tài)稱重和動態(tài)稱重時, 為保證稱重系統(tǒng)的稱量準(zhǔn)確度和工作可靠性, 盡可能的免除各類不必要的誤差, 必須研究稱重傳感器的動態(tài)特性, 并對其進行動態(tài)校準(zhǔn), 以及必要的環(huán)境試驗和物理參數(shù)測試。研究、分析稱重傳感器的動態(tài)特性, 必須建立數(shù)學(xué)模型, 由于稱重傳感器可以視為單自由度的二階線性系統(tǒng), 其數(shù)學(xué)模型為一常系數(shù)線性微分方程。當(dāng)微分方程的初始值為零時, 對其進行拉氏變換即可得到動態(tài)特性的傳遞函數(shù)的一般公式。其頻率特性可根據(jù)傳遞函數(shù)求得, 也可根據(jù)過渡過程曲線經(jīng)過相應(yīng)的近似計算方法求得, 實際上傳遞函數(shù)和頻率特性是可以相互轉(zhuǎn)換的。求稱重傳感器的傳遞函數(shù), 實際上就是根據(jù)過渡過程曲線來確定固有頻率!0 和阻尼比" 的過程, 一般都用比較簡單的激勵方法, 例如自由落錘的沖擊載荷來獲得過渡過程曲線。
動態(tài)校準(zhǔn)的意義還在于使稱重傳感器的生產(chǎn)者能正確的標(biāo)明其產(chǎn)品的性能, 給使用者提供正確選擇、合理應(yīng)用的依據(jù)。動態(tài)校準(zhǔn)的關(guān)鍵是選擇好激勵源, 輸入信號應(yīng)該是一個標(biāo)準(zhǔn)的激勵函數(shù), 以周期函數(shù)的正弦波信號, 瞬變函數(shù)的階躍信號為常用。為了獲得準(zhǔn)確可靠的動態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù), 要求測試設(shè)備中的所有影響動態(tài)校準(zhǔn)的環(huán)節(jié), 例如典型的輸入信號激勵源, 動態(tài)信號記錄設(shè)備和數(shù)據(jù)采集處理
系統(tǒng)等, 都應(yīng)具有很寬的頻帶。
美國專家給出的跌落校準(zhǔn)、慣性校準(zhǔn)和比較校準(zhǔn)三種方法, 以跌落校準(zhǔn)法應(yīng)用較多, 比較校準(zhǔn)法相對簡單易行, 快速省時。稱重傳感器頻率特性存在的頻響誤差, 即頻率域內(nèi)傳遞函數(shù)的誤差, 是由其輸入、輸出系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的誤差引起的。對于系統(tǒng)誤差可作歸一化處理, 對于隨機誤差是如何確定它給動態(tài)稱重準(zhǔn)確度帶來的影響, 從測量誤差的角度分析產(chǎn)生原因, 以及提出改進措施。
近年來, 動態(tài)稱重傳感器以及動態(tài)校準(zhǔn)方法的研究取得了較大進展。
德國Seitner( 塞特內(nèi)爾) 公司為快速稱重研制出200 型鈹青銅稱重傳感器, 固有頻率高, 動態(tài)響應(yīng)快, 獨創(chuàng)油阻尼與過載保擴裝置一體化, 在稱量時保證稱重傳感器衰變時間快, 稱量速度高, 工作壽命長。美國THI 公司為動態(tài)稱重的旋轉(zhuǎn)式定量包裝機研制的THI- 1410 型稱重傳感器, 可承受離心力和機械振動。其內(nèi)部裝有特制的粘性阻尼器, 保證稱量時有較快的穩(wěn)定時間和較小的動態(tài)稱量誤差。與動態(tài)稱重配套的能承受攪拌、振動載荷的新型稱重模塊也在美國V- BLH 公司研制成功, 并批量生產(chǎn)投放市場, 適應(yīng)了動態(tài)稱重技術(shù)發(fā)展的需要。
 

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