趙芳

摘?要：稱重傳感器在工業(yè)上應(yīng)用十分廣泛，能夠顯著提高生產(chǎn)、制造的效率和質(zhì)量，近年來稱重傳感器的技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其具備的種類和適用范圍也越來越廣泛。為提高先進(jìn)的稱重傳感器測(cè)量精度，研究和尋找稱重過程中非線性誤差補(bǔ)償方法是十分必要的。

關(guān)鍵詞：稱重傳感器;原理;非線性誤差;補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TH715文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.02.007

現(xiàn)代化的稱重系統(tǒng)是工業(yè)上不可缺少的重要檢測(cè)技術(shù)，稱重系統(tǒng)最核心的部分就是稱重傳感器，我國(guó)稱重傳感器每年的生產(chǎn)量和使用量都在飛速的增長(zhǎng)。做為電子稱重的關(guān)鍵技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，稱重傳感器在眾多領(lǐng)域起到了非常重要的作用，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物料的精準(zhǔn)和快速測(cè)量，特別是與單片機(jī)等先進(jìn)的處理技術(shù)相結(jié)合后，顯著提升了工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度。稱重傳感器作為現(xiàn)代化自動(dòng)生產(chǎn)線中必不可少的裝置之一，還能夠應(yīng)用于汽車、料斗等重量較大的設(shè)備或物料的稱重使用。隨著技術(shù)的研究與進(jìn)步，稱重傳感器在科技含量和精確度上都進(jìn)行了多處升級(jí)，稱重傳感器所能適應(yīng)的工作場(chǎng)合也越來越全面。

1?稱重傳感器基本原理

隨著傳感器技術(shù)與其它高新技術(shù)的有效結(jié)合，傳感器的相關(guān)研究與品質(zhì)得到了迅猛發(fā)展，其種類和功能也越來越豐富，現(xiàn)階段工業(yè)上應(yīng)用的傳感器包括了電阻式稱重傳感器、電容式稱重傳感器、振動(dòng)式稱重傳感器、液壓式稱重傳感器等多種類型，其具體結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)如下：

（1） 電阻式稱重傳感器主要包括了彈性敏感元件和電阻應(yīng)變計(jì)兩大部分。彈性敏感元件主要用于將物體的重量轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥孕巫兊膽?yīng)變值，再通過電阻應(yīng)變計(jì)將彈性形變產(chǎn)生的應(yīng)變值轉(zhuǎn)化為電阻值的變化，然后將轉(zhuǎn)化后的電阻值通過模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，傳遞給稱重儀表進(jìn)行顯示或由相關(guān)存儲(chǔ)處理單元進(jìn)行存儲(chǔ)和處理使用。

（2） 電容式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)與電阻式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)和原理比較相似，它是通過一個(gè)彈性敏感元件和電容式傳感器共同組成的稱重結(jié)構(gòu)。當(dāng)彈性敏感元件產(chǎn)生形變并測(cè)量后會(huì)因彈性形變而引起電容值的變化，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將稱重值傳遞給稱重儀表或其它裝置。相對(duì)于電阻式傳感器電容傳感器對(duì)物料的稱重更加迅速，但是其使用壽命不如電阻式傳感器持久。

（3） 振動(dòng)式稱重傳感器是當(dāng)稱重傳感器受到壓力的作用時(shí)，其內(nèi)部的彈性元件會(huì)產(chǎn)生固有的振動(dòng)頻率，這種固有頻率與物體重力的平方根成正比關(guān)系，通過測(cè)出彈性元件固有頻率產(chǎn)生的變化就能夠計(jì)算出被測(cè)物料施加在彈性元件上的重力值，從而計(jì)算出被測(cè)物料的重量。振動(dòng)式稱重傳感器根據(jù)彈性元件的結(jié)構(gòu)不同可分為振弦式稱重傳感器和音叉式稱重傳感器兩種類型。振動(dòng)式稱重傳感器的主要彈性元件是左右兩根弦絲，當(dāng)振動(dòng)式稱重物體壓力作用于傳感器上時(shí)，兩根弦絲的固有頻率會(huì)發(fā)生不同程度的變化，通過計(jì)算兩者之間的頻率之差就可以求出被測(cè)物體的實(shí)際質(zhì)量。音叉式稱重傳感器是以音叉做為產(chǎn)生固有頻率振動(dòng)的彈性元件，通過測(cè)量頻率的增幅能夠計(jì)算出被測(cè)物料的實(shí)際重量。

（4） 液壓式稱重傳感器主要是利用物料作用于傳感器上方時(shí)會(huì)對(duì)傳感器內(nèi)部的液體產(chǎn)生壓力作用，液體受壓力后內(nèi)部的壓力產(chǎn)生變化，通過測(cè)量液體壓力的增加值能夠確定被測(cè)物料的實(shí)際重量。液壓式稱重傳感器通常的工作方式有兩種：一是壓力厚膜技術(shù)，二是半導(dǎo)體電陰應(yīng)變技術(shù)。這兩種方式都是通過不泄漏的液體壓力變化實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)，但相對(duì)于其它稱重傳感器而言其測(cè)量精確度較低，測(cè)量精度僅能達(dá)到1%。

除上述介紹的稱重傳感器之外，常用的稱重傳感器還包括光電式稱重傳感器、電磁力式稱重傳感器、陀螺儀式稱重傳感器等多種類型，不同的傳感器測(cè)量精度和適用范圍存在一定的差異，但都是通過一定的壓力轉(zhuǎn)換為其它中間形式的介質(zhì)參數(shù)的變化，再傳化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)進(jìn)行傳遞的過程。由于電阻式壓力傳感器在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛，下文以電阻式壓力傳感器為例介紹非線性誤差補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒╗1]。

2?非線性誤差的補(bǔ)償方法

2.1?稱重傳感器的非線性誤差影響關(guān)系

電阻式稱重傳感器是通過4個(gè)電阻應(yīng)變片粘貼于彈性敏感元件上，再利用適當(dāng)?shù)男问浇M成惠斯登電橋。在稱重傳感器不負(fù)載時(shí)，彈性敏感元件因不受外力作用不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，此時(shí)粘貼在彈性敏感元件上的電阻應(yīng)變片因不發(fā)生變形而不會(huì)引起電阻的變化，使電橋平衡，輸出電壓為零。當(dāng)稱重傳感器負(fù)載，彈性敏感元件的應(yīng)變會(huì)引起電阻應(yīng)變片產(chǎn)生形變，理論情況下，負(fù)載力與電阻應(yīng)變片的應(yīng)變量應(yīng)該成正比關(guān)系，但受到加工和安裝以及材料的非線性影響，使負(fù)載力與應(yīng)變量呈現(xiàn)一定的非線性關(guān)系。此時(shí)圖中的電阻應(yīng)變片R1和R4被拉伸，電阻值增大，而R2、R3被壓縮，電阻值減小。由于不同位置的電阻發(fā)生改變，此時(shí)電橋失去平衡，傳感器會(huì)生成并輸出壓力測(cè)量電壓U2，由于U2與所受負(fù)載成非線性關(guān)系，當(dāng)負(fù)載越大，稱重傳感器的非線性誤差也就越大[2]。

2.2?非線性誤差補(bǔ)償方案

為減少稱重傳感器非線性誤差的影響，通過一定的技術(shù)手段提升稱重傳感器輸入和輸出的線性關(guān)系程度，以保證傳感器工作過程的準(zhǔn)確性和可靠性，提高測(cè)量、傳輸和控制過程的穩(wěn)定性。對(duì)于稱重傳感器非線性誤差的補(bǔ)償方法很多，按照補(bǔ)償形式大體可以分為硬件補(bǔ)償和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)軟件補(bǔ)償兩大類。

硬件補(bǔ)償主要是利用一定的元器件或電子線路進(jìn)行非線性誤差的矯正，其特點(diǎn)是相對(duì)簡(jiǎn)單便捷，是傳統(tǒng)稱重傳感器非線性誤差補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒?。隨著生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，工業(yè)上對(duì)稱重傳感器的非線性誤差補(bǔ)償精度提出了更高的要求。由于硬件補(bǔ)償受到電子器件漂移和技術(shù)能力的影響，難以做到全程補(bǔ)償，其在準(zhǔn)確性和可靠性上難以滿足更高的要求標(biāo)準(zhǔn)，因此，利用更新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和函數(shù)原理的軟件補(bǔ)償方式被快速開發(fā)。近年來，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱重傳感器進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償受到了越來越多專業(yè)人士的重視，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近功能說明：對(duì)于任意的連續(xù)函數(shù)或映射關(guān)系，必然會(huì)存在一個(gè)3層的前向網(wǎng)絡(luò)，能夠以任意準(zhǔn)確度逼近此函數(shù)或映射關(guān)系。除上述兩種補(bǔ)償方式外，還可通過多項(xiàng)式擬合法和建立傳感器的分度表的方法實(shí)現(xiàn)非線性誤差的補(bǔ)償，但由于多項(xiàng)式擬合法復(fù)雜程度高，傳感器分度表的存儲(chǔ)器容量有限，現(xiàn)階段的使用量也都在逐漸減少[3]。

對(duì)于稱重傳感器的非線性誤差補(bǔ)償，其基本原理。圖中f（mx）為稱重傳感器的輸入和輸出函數(shù)，g（Uxi）為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)函數(shù)，mx為被測(cè)載荷質(zhì)量，my為補(bǔ)償后的輸出[4]。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的目的是通過補(bǔ)償后，滿足下式要求

3?總結(jié)

稱重傳感器在工業(yè)的生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，但由于電阻式稱重傳感器在使用中存在較為嚴(yán)重的非線性誤差，必須通過一定的方式進(jìn)行補(bǔ)償。通過更為精準(zhǔn)和便捷的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行軟件補(bǔ)償，能夠有效提升電阻式稱重傳感器的測(cè)量精度。

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