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    稱重傳感器的基本原理及非線性誤差補償方法

    時間:2019-04-18 14:29:25   點擊數:

    現代化的稱重系統是工業上不可缺少的重要檢測技術, 稱重系統最核心的部分就是稱重傳感器, 我國稱重傳感器每年的生產量和使用量都在飛速的增長。做為電子稱重的關鍵技術, 隨著科學技術的不斷進步, 稱重傳感器在眾多領域起到了非常重要的作用, 它能夠實現對物料的精準和快速測量, 特別是與單片機等先進的處理技術相結合后, 顯著提升了工業生產過程的自動化程度。稱重傳感器作為現代化自動生產線中必不可少的裝置之一, 還能夠應用于汽車、料斗等重量較大的設備或物料的稱重使用。隨著技術的研究與進步, 稱重傳感器在科技含量和精確度上都進行了多處升級, 稱重傳感器所能適應的工作場合也越來越全面。

    1 稱重傳感器基本原理

    隨著傳感器技術與其它高新技術的有效結合, 傳感器的相關研究與品質得到了迅猛發展, 其種類和功能也越來越豐富, 現階段工業上應用的傳感器包括了電阻式稱重傳感器、電容式稱重傳感器、振動式稱重傳感器、液壓式稱重傳感器等多種類型, 其具體結構及特點如下:

    (1) 電阻式稱重傳感器主要包括了彈性敏感元件和電阻應變計兩大部分。彈性敏感元件主要用于將物體的重量轉變為彈性形變的應變值, 再通過電阻應變計將彈性形變產生的應變值轉化為電阻值的變化, 然后將轉化后的電阻值通過模數轉換裝置轉變為標準電信號, 傳遞給稱重儀表進行顯示或由相關存儲處理單元進行存儲和處理使用。

    (2) 電容式稱重傳感器的結構和特點與電阻式稱重傳感器的結構和原理比較相似, 它是通過一個彈性敏感元件和電容式傳感器共同組成的稱重結構。當彈性敏感元件產生形變并測量后會因彈性形變而引起電容值的變化, 再經模數轉換將稱重值傳遞給稱重儀表或其它裝置。相對于電阻式傳感器電容傳感器對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) 振動式稱重傳感器是當稱重傳感器受到壓力的作用時, 其內部的彈性元件會產生固有的振動頻率, 這種固有頻率與物體重力的平方根成正比關系, 通過測出彈性元件固有頻率產生的變化就能夠計算出被測物料施加在彈性元件上的重力值, 從而計算出被測物料的重量。振動式稱重傳感器根據彈性元件的結構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。振動式稱重傳感器的主要彈性元件是左右兩根弦絲, 當振動式稱重物體壓力作用于傳感器上時, 兩根弦絲的固有頻率會發生不同程度的變化, 通過計算兩者之間的頻率之差就可以求出被測物體的實際質量。音叉式稱重傳感器是以音叉做為產生固有頻率振動的彈性元件, 通過測量頻率的增幅能夠計算出被測物料的實際重量。

    (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會對傳感器內部的液體產生壓力作用, 液體受壓力后內部的壓力產生變化, 通過測量液體壓力的增加值能夠確定被測物料的實際重量。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, 二是半導體電陰應變技術。這兩種方式都是通過不泄漏的液體壓力變化實現的傳動, 但相對于其它稱重傳感器而言其測量精確度較低, 測量精度僅能達到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換為其它中間形式的介質參數的變化, 再傳化為標準電信號進行傳遞的過程。由于電阻式壓力傳感器在工業上應用最為廣泛, 下文以電阻式壓力傳感器為例介紹非線性誤差補償的常用方法[1]。

    2 非線性誤差的補償方法

    2.1 稱重傳感器的非線性誤差影響關系

    電阻式稱重傳感器是通過4個電阻應變片粘貼于彈性敏感元件上, 再利用適當的形式組成惠斯登電橋如圖1所示。在稱重傳感器不負載時, 彈性敏感元件因不受外力作用不會產生應變, 此時粘貼在彈性敏感元件上的電阻應變片因不發生變形而不會引起電阻的變化, 使電橋平衡, 輸出電壓為零。當稱重傳感器負載, 彈性敏感元件的應變會引起電阻應變片產生形變, 理論情況下, 負載力與電阻應變片的應變量應該成正比關系, 但受到加工和安裝以及材料的非線性影響, 使負載力與應變量呈現一定的非線性關系。此時圖中的電阻應變片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生改變, 此時電橋失去平衡, 傳感器會生成并輸出壓力測量電壓U2, 由于U2與所受負載成非線性關系, 當負載越大, 稱重傳感器的非線性誤差也就越大[2]。

    圖1 電阻式壓力傳感器結構原理

    圖1 電阻式壓力傳感器結構原理 


    2.2 非線性誤差補償方案

    為減少稱重傳感器非線性誤差的影響, 通過一定的技術手段提升稱重傳感器輸入和輸出的線性關系程度, 以保證傳感器工作過程的準確性和可靠性, 提高測量、傳輸和控制過程的穩定性。對于稱重傳感器非線性誤差的補償方法很多, 按照補償形式大體可以分為硬件補償和人工神經網絡軟件補償兩大類。

    硬件補償主要是利用一定的元器件或電子線路進行非線性誤差的矯正, 其特點是相對簡單便捷, 是傳統稱重傳感器非線性誤差補償的常用方法。隨著生產力的不斷進步, 工業上對稱重傳感器的非線性誤差補償精度提出了更高的要求。由于硬件補償受到電子器件漂移和技術能力的影響, 難以做到全程補償, 其在準確性和可靠性上難以滿足更高的要求標準, 因此, 利用更新的計算機技術和函數原理的軟件補償方式被快速開發。近年來, 通過神經網絡對稱重傳感器進行非線性誤差補償受到了越來越多專業人士的重視, 人工神經網絡的函數逼近功能說明:對于任意的連續函數或映射關系, 必然會存在一個3層的前向網絡, 能夠以任意準確度逼近此函數或映射關系, 如圖2所示。除上述兩種補償方式外, 還可通過多項式擬合法和建立傳感器的分度表的方法實現非線性誤差的補償, 但由于多項式擬合法復雜程度高, 傳感器分度表的存儲器容量有限, 現階段的使用量也都在逐漸減少[3]。

    對于稱重傳感器的非線性誤差補償, 其基本原理如圖3所示。圖中f (mx) 為稱重傳感器的輸入和輸出函數, g (Uxi) 為補償網絡函數, mx為被測載荷質量, my為補償后的輸出[[4]]。補償網絡的目的是通過補償后, 滿足下式要求

    圖2 三層神經網絡模型

    圖2 三層神經網絡模型   


    圖3 非線性誤差補償基本原理

    圖3 非線性誤差補償基本原理 


     


     


    由于上式中f (mx) 為非線性函數, 可知g (Uxi) 同樣是非線性函數。通過使用人工神經網絡強大的逼近非線性函數的功能, 能夠以任意精度逼近g (Uxi) , 從而完成對稱重傳感器的非線性補償[5]。

    3 總結

    稱重傳感器在工業的生產中發揮了巨大的作用, 但由于電阻式稱重傳感器在使用中存在較為嚴重的非線性誤差, 必須通過一定的方式進行補償。通過更為精準和便捷的人工神經網絡方式進行軟件補償, 能夠有效提升電阻式稱重傳感器的測量精度。


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