現(xiàn)代化的稱重系統(tǒng)是工業(yè)上不可缺少的重要檢測技術(shù), 稱重系統(tǒng)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(chǎn)量和使用量都在飛速的增長。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)對物料的精準(zhǔn)和快速測量, 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)過程的自動化程度。稱重傳感器作為現(xiàn)代化自動生產(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, 稱重傳感器所能適應(yīng)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(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, 傳遞給稱重儀表進(jìn)行顯示或由相關(guān)存儲處理單元進(jìn)行存儲和處理使用。

(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)生形變并測量后會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(dāng)稱重傳感器受到壓力的作用時(shí), 其內(nèi)部的彈性元件會產(chǎn)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(guān)系, 通過測出彈性元件固有頻率產(chǎn)生的變化就能夠計(jì)算出被測物料施加在彈性元件上的重力值, 從而計(jì)算出被測物料的重量。振動式稱重傳感器根據(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。振動式稱重傳感器的主要彈性元件是左右兩根弦絲, 當(dāng)振動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)生固有頻率振動的彈性元件, 通過測量頻率的增幅能夠計(jì)算出被測物料的實(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)會對傳感器內(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, 通過測量液體壓力的增加值能夠確定被測物料的實(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, 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(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?citation id="35" type="reference" style="padding: 0px; margin: 0px;">[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成惠斯登電橋如圖1所示。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, 傳感器會生成并輸出壓力測量電壓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]。

圖1 電阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理 

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, 提高測量、傳輸和控制過程的穩(wěn)定性。對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)是相對簡單便捷, 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:對于任意的連續(xù)函數(shù)或映射關(guān)系, 必然會存在一個(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, 如圖2所示。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器容量有限, 現(xiàn)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(bǔ)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(shù), g (Uxi) 為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)函數(shù), mx為被測載荷質(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

圖2 三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型   

圖3 非線性誤差補(bǔ)償基本原理 

即

由于上式中f (mx) 為非線性函數(shù), 可知g (Uxi) 同樣是非線性函數(shù)。通過使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的逼近非線性函數(shù)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(bǔ)償[5]。

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量精度。