- 電阻應變式稱重傳感器蠕變補償研究
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/12/17
分析電阻應變式傳感器蠕變特性，利用其加/卸載和蠕變輸出變化率的不同，判斷蠕變起始點，根據蠕變過程和零點變化的特點進行蠕變跟蹤，以此確定傳感器實際載荷。此方法簡單方便，易于實現。
傳感器精度高低是決定天平精度高低的主要因素。目前高精密電子天平大部分采用磁懸浮式的傳感器設計，而低成本的應變式傳感器只能用于低精度的電子天平。影響電阻應變式傳感器精度的主要原因之一是這種傳感器的蠕變指標。傳感器蠕變是由彈性體產生的正蠕變、應變片和應變膠負蠕變綜合影響而形成的。一般來講，彈性體設計定型后，其蠕變值也大致確定，控制和調整蠕變的傳統做法是選用不同蠕變補償性能的應變片，改變貼片位置和粘膠固化工藝等方法來實現。這種靠調節制造工藝等方法來調控蠕變，其工藝過程繁復，返工量大且隨機性高。筆者多年來對傳統應變式傳感器內部性能進行深入細致的研究，結合目前先進的數據采集技術（利用∑-ΔA/D轉換器），應用單片機技術實現了對傳統應變式傳感器輸出信號進行高性能數字濾波、動態蠕變跟蹤，零點漂移跟蹤。使原本只能用于低精度場合的應變式傳感器的測量精度大大提高（可優于1/30000）。應用該技術設計的精密電子天平較磁懸浮式電子天平有更高的性價比。
保持溫度恒定，在某一恒定機械應變長期作用下，傳感器輸出隨時間變化的特性，稱為傳感器蠕變。在不承受載荷的條件下，傳感器隨時間變化的特性稱為零漂。零漂是不承受載荷條件下的蠕變。稱重傳感器的蠕變特性曲線如圖1所示（以正蠕變為例，負蠕變與正蠕變相類似），其中曲線L為傳感器的加載特性曲線，曲線C為傳感器的卸載特性曲線。從中可以看出，傳感器的加載曲線由加載段L0和蠕變段L1組成。在加載段L0，傳感器的輸出急劇增加，迅速達到載荷的真實變化值W0，
圖中用S1點表示，在這個時間段，由于時間極短，傳感器產生的蠕變較小；進入L1段后，傳感器輸出發生緩慢的增加并逐漸趨近不變，蠕變值ε隨時間動態變化；在傳感器卸載曲線C上，卸載曲線由卸載段C0和蠕變恢復段C1組成，傳感器輸出值以極高的速度迅速衰減到卸載曲線的S2點，超過S2點，傳感器輸出緩慢回零，蠕變恢復值ε也是隨時間動態變化的，并逐漸趨近零點不變。電子天平的稱重值是加載在傳感器上的載荷值減去傳感器在天平零點時的載荷值。從以上分析來看，我們假定蠕變和蠕變恢復是相等的（實際中有相當多傳感器這兩個階段可認為近似相等），也就是說，圖1所示的L1和C1相等，在加載/卸載段時間很短時，可以近似認為傳感器在這一階段蠕變為零，其輸出變化量就是加在傳感器上的載荷的變化量W0.設蠕變階段載荷值和迅速卸載后零點值的差值為W1，基于上述蠕變和蠕變恢復是相等的假定，W1=W0.而電子天平稱重值取載荷的差值W0，所以，判斷出加載后蠕變點和蠕變恢復點就可以動態跟蹤蠕變。具體算法如下：
式中，W——天平加載后迅速達到S1點傳感器輸出值；W0——天平加載后迅速達到S1點天平稱重值；Wb——天平空載或歸零后零點值；W1——加載后蠕變和經蠕變修正后天平稱重值；ε——蠕變動態值。
式（1）是加載到S1點天平的稱重值；式（2）是加載穩定到S1點和進行蠕變補償后天平的稱重值，式中載荷蠕變和受加載影響天平零點蠕變值同是ε。？蠕變跟蹤補償的關鍵是判斷和確定圖1所示的S1點、蠕變量ε與時間的關系，然后根據這一關系進行蠕變補償。補償思路見圖4.圖4的前半段是確定S1點，后半段是蠕變跟蹤處理。這里的關鍵問題是如何確定蠕變跟蹤量和跟蹤時間的關系。圖1只定性地說明傳感器的蠕變特性，但是，每個傳感器都有定量的特性，也就是蠕變量ε與時間的關系。只有確定這一關系，才能確定蠕變跟蹤時間和跟蹤量（圖4中的AD＿STA3）。解決的辦法是在天平標定時一起確定蠕變曲線。具體做法是：加載砝碼標定時按規程測試蠕變特性，單片機先記錄下S1點，并記錄每隔固定的時間段的當前A/D值與S1點的差值，這就是該段時間的蠕變值。用軟件辦法記錄下這個傳感器蠕變量與時間的關系，然后再根據這一關系確定跟蹤量（AD＿STA-3）和跟蹤時間。確定的原則是：固定的時間段蠕變量越大，跟蹤量（AD＿STA-3）就越大和跟蹤間隔時間就越小。反之，跟蹤量（AD＿STA-3）就越小和跟蹤間隔時間就越大。
ING-TOP： 0px">通過對傳感器工作狀況和蠕變的分析，在測量過程中對蠕變誤差進行實時跟蹤，連續地對不同過程的蠕變量進行動態修正，因此，能實現高精度蠕變補償。該方法只需在對天平標定時對傳感器蠕變特性進行簡易測試，補償過程簡單，無須人工干預，且補償不受傳感器載荷和溫度影響。利用此方法設計的天平經多年批量投產證明，方法行之有效。
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