数字蠕变和漂移校正的制作方法

通常通过测量弹性元件的变形来实现力测量，其中变形是所述力的某一函数。存在如下的已知问题：变形不仅是力的函数，而且还是施加力的时间长度的函数。在大多数情况下，由于时间所引起的变形的变化大小远小于由于施加力时的初始变形所引起的变化大小，但是在许多情况下，如果使变形与力相关的函数不包括时间如何影响变形，则由于时间所引起的变形的变化大小将影响力测量的精度。这种时间依赖性的变形通常被称为蠕变。本发明涉及一种能够考虑变形力测量系统中的蠕变的影响、并由此提高力测量精度的方法。

考虑蠕变的方法是已知的，但是这些方法需要如下的硬件，其中该硬件的特征在于具有与蠕变相反的影响，以使得输出与特征校正的总和是无蠕变的。虽然该方法确实提供了改进，但它在设计和制造一致性方面受限于表征的精度。这类校正在设计和应用应变仪的领域中是已知的。一些方法将力测量值转换为数字信号，并应用包括时间的算法来进行校正。然而这些方法不允许或者不足以允许连续变化的力；以静态力来考虑蠕变比利用变化的力容易得多。本发明的一部分涉及一种使用可在所有情况下更精确地校正蠕变、并包括力改变的位置的算法的特定方法。

根据第一方面，本发明提供了一种用于确定在传感器设备所包括的传感器的输出中由于蠕变所引起的变形的方法，所述传感器测量机械力，所述方法包括以下步骤：

-对所述传感器施加机械力；

-在当前测量中利用所述传感器测量由施加力所引起的所述传感器的位移；

-利用所述传感器设备所包括的处理器组件通过以下操作来确定由于蠕变所引起的变形以供所述传感器进行下一测量：

-提供蠕变函数，其中所述蠕变函数定义由于随时间的蠕变所引起的变形；

-基于以下各项来计算由于蠕变所引起的变形以供下一测量用：

-所述蠕变函数；

-以下各项之间的时间：

c)所述传感器的所述当前测量，以及

d)所述下一测量，

其中，所述当前测量和所述下一测量之间的时间是总测量时间的一小部分。所述测量时间通常是总测量时间的1/50或更少。在许多情况下，总测量时间是连续的，然后测量之间的时间朝向1/无限远。

-所述当前测量中所测量出的施加力；以及

-由于所述当前测量中的蠕变所引起的变形。

本发明人的见解是，由于可以预先估计或确定蠕变函数，因此可以确定由于蠕变所引起的变形。在已知蠕变函数的情况下，可以在已知蠕变函数、传感器组件的当前测量与下一测量之间的时间、当前测量中所测量出的施加力、以及由于当前测量中的蠕变所引起的变形这四个变量的情况下，为由于蠕变所引起的变形提供估计。

基于这些方面，可以针对下一测量而确定由于蠕变所引起的变形。

在本发明的有益方面，蠕变函数是进一步取决于初始施加力的指数函数。只要已知蠕变函数、并且已知相对于时间在蠕变函数中的位置，则可以确定蠕变。

在其它方面，本发明提供了一种用于使用测量所施加的机械力并且面临漂移误差的传感器的输出来确定所施加的机械力的方法，所述方法由传感器设备执行，所述方法包括以下的后续步骤：

-在第一测量中利用所述传感器设备的所述传感器来测量没有进行力施加时的施加力；

-利用所述传感器设备所包括的处理器组件来使所述第一测量中所测量出的施加力为零；

-对所述传感器施加机械力；

-在第二测量中利用所述传感器设备的所述传感器来测量施加力；

-停止对所述传感器施加机械力；

-在第三测量中利用所述传感器来测量没有对所述传感器进行力施加时的施加力；

-利用所述处理器组件来使所述第三测量中所测量出的施加力为零，于是获得所述第一测量和所述第三测量之间出现的漂移误差；以及

-利用插值来校正所述第二测量，所述插值通过利用所述处理器组件对所述第一测量和所述第三测量之间所获得的漂移误差进行插值而提供，以供所述第二测量用。

本发明人已经发现，传感器的输出可以随时间而漂移。这里，在第一测量和第三测量中确定漂移误差。可以在第一测量和第三测量中确定漂移误差，这是因为在这些时刻没有对传感器施加力。然后对漂移误差进行插值，并且通过插值后的漂移误差来校正第二测量、即施加力时的测量。当在一段时间内测量施加力时，可以进行多次第二测量。

附图说明

根据以下参考附图的说明，本发明的特征将会是明显的，在附图中：

图1示出正蠕变的图形表示。

图2示出负蠕变的图形表示。

图3示出任一测量处的蠕变的计算的图形表示。

图4示出与图3相同的图形表示，但是其中测量的“时间零点”关于时间轴标准化为等于零。

图5示出与图4类似的情况，但是其中先前测量中的蠕变为负。

图6示出与图3类似的另一种情况，但是其中蠕变减少。

图7示出与图6类似的情况，但是其中先前测量中的蠕变大于时间零点处发生的蠕变。

图8.1、图8.2和图8.3示出漂移校正方法的图形说明。

具体实施方式

本发明的方法需要定义并校准蠕变的性质。图1是被瞬时施加了恒定力的力传感器输出的图形表示。在施加力时，测量力fn上升至nn，然后按照某一时间函数朝向ln蠕变。在该方法中，dn被定义为与初始力nn成正比，使得：

dn＝rnn

其中，

r＝蠕变常数(被定义为蠕变常数)。

在一些力测量系统中，如图2中以图形方式所示，蠕变为负。这种蠕变的特征除了以下方面以外与正蠕变相同：在力初始上升至nn之后，然后下降至ln。负蠕变发生在复杂的结构中，其中变形测量系统的一部分蠕变得更多，并且沿着与其主要部分中的蠕变相反的方向蠕变。因此，尽管变形总体为正，但蠕变为负。在可以使用应变仪的一些负荷传感器中可以看到这种行为。在该方法中，负蠕变由r的负值定义。

如果施加的负荷nn为负、并且r为正，则dn将为负，因此蠕变负向增加。这是正蠕变的图关于图1中的水平轴的“镜像”，并且意味着变形的大小将随时间而增加。如果施加的负荷nn为负、并且r为负，则蠕变的大小将减小，即为负蠕变的镜像。

校正方法从起始条件开始有效，其中在起始条件中，力传感器在足够的时间内不具有作用于其上的负荷，使得可以假设任何蠕变可忽略且等于零。测量传感器变形，并以数字形式来表示该传感器变形。传感器变形以所设置的时间间隔δt进行。

已知值的随机时间间隔也是可能的，但不是优选的。当前测量与该当前测量之前的一次测量之间的时间被称为“单元(cell)”。图3是单元的图形表示，其中当前变形为fn，并且包括当前蠕变d(n-1)。当前单元中的蠕变dn是根据先前单元的蠕变d(n-1)加上当前单元中将会发生的蠕变所计算出的。为此，必须计算出所处的蠕变曲线，该蠕变曲线具有等效的初始力nn、当前蠕变d(n-1)以及当前变形fn。各单元的初始力nn是等效的初始负荷，其中蠕变将为零、然后在时间tn内增进至fn。一旦有nn和tn，就可以根据时间tn+δt＝tn而计算该单元中的蠕变。根据蠕变函数推导出nn、tn和dn的解。由于先前蠕变d(n-1)和当前变形fn是已知的，因此可以求解出nn的值、然后求解出dn的值。

图3示出任意单元的等效蠕变曲线可以如何占据绝对力时间图中的许多位置，其中时间以零蠕变开始。图4将相同的等效蠕变曲线标准化在其自身的时间零点附近，其中在从等于零的时间开始的tn处发生变形fn。然而有可能的是，如图5中以图形方式所示，d(n-1)可能为负。在蠕变时间函数的正确解中，这些事件将会“注意自身”，也就是说，为d(n-1)输入负项将导致负的时间tn。在图4和图5这两者中，蠕变正在增加。还存在如下的可能性：单元中的蠕变可能减少。如图6所示，这发生在d(n-1)大于ln和nn之间的差的情况下。此外，如图7所示，tn可以为负。

图4、图5、图6和图7所示的可能示例用于fn为正的情况。当fn为负时，可能出现类似的情况，其中图示将关于图的时间轴发生镜像、并且各项的符号相反。图4、图5、图6和图7中的示例还示出具有正蠕变特征的情况。针对如图2初始所示的负蠕变，存在类似的示例。在所有情况下，对于蠕变时间函数的正确解中的各项输入正确的符号(正或负)将得到dn的正确计算。

如果由于蠕变、传感器的变形是时间依赖性的，则必须考虑什么是正确的变形、或者换句话说“真实”的传感器输出。根据校正方法，有两个值nn和ln。nn是在传感器未蠕变的情况下的当前时间点处的变形的值。ln是在当前时间点的所有蠕变有时间达到平衡的情况下的变形的值。然后可以使用nn和ln这两者作为考虑了蠕变的值。在优选实施例中，为便于校准传感器，将使用ln。为校准传感器，必须施加已知负荷。如果快速地施加已知负荷使得接近于瞬时，则传感器变形或输出将初始上升至nn，然后如果保持负荷，则变形将在蠕变的影响下朝向ln改变。如果保持负荷足够的时间、使得变形接近于恒定值，则可以校准ln和蠕变特征这两者。使用nn的常见问题将是何时使用重物来施加已知负荷。在这种情况下，重物的施加需要在施加时刻改变负荷的加速度，因此瞬时负荷不是nn。

在优选实施例中，在该方法中将蠕变的性质定义为指数，但是对于与蠕变特征非常类似的其它函数可以进行合理的校正。在优选实施例中，蠕变特征的表达式于是为：

dn＝dn(1-e^-tn/τ)

其中，

dn＝时间tn时的蠕变

dn＝时间无限远时的总蠕变

τ＝蠕变时间常数

在该方法中，蠕变特征于是由两个常数τ和r来定义。

使用图1～图7中的符号表示而应用于蠕变的指数特征的全解得到以下表达式：

如果

则dn＝d(n-1)；

如果

则

如果

则

以及ln＝(1+r)(fn-d(n-1))。

可以看出，dn的值依赖于下式的“状态”：

这通过如参考图4、图5、图6和图7所讨论的先前测量中的蠕变的不同状态来解释。另外如前所述，在所假设的蠕变函数的正确解中，求出当前“状态”的需求变得明显，其中所假设的蠕变函数为指数函数。

在已知δt、r、τ、fn和d(n-1)的情况下，可以使用这些表达式来计算任意单元的dn和ln。

δt是当前单元和下一单元之间的时间。在优选实施例中，δt对于所有单元是恒定的。

fn和d(n-1)分别是当前变形和先前蠕变。

r和τ是按照以下表达式根据图1或图2中用符号表示的依赖于蠕变特征的类型的校准而计算出的：

可选地，r和τ可以通过参考已知负荷条件的反复试验而求出。

本发明的另一方面是漂移的最小化。力测量系统的输出的误差可以来自许多来源。可以减少像蠕变这样的一些误差。误差的另一常见原因起因于温度的变化。温度的影响可以并且经常被考虑并减小。误差的其它来源可以是未知的，并且可以仅减小所考虑的这些来源；但它们不能被消除。如果传感器被保持为其上没有任何负荷并且没有记录零点输出，则将具有变化。这种变化被称为零位漂移(零位是无负荷的情况下的输出)，并且是本发明的第二方面。零位漂移还会使施加了负荷的情况下的输出改变类似的量。减少零位漂移的影响的一种方法是公知的，并且有时被称为“扣重”。一个常见的示例是称重装置的无负荷输出被设置为零的情况。这消除了继而施加重物时的零位误差。该方法消除了完成时的任何零位误差，但是零位漂移可能从该点继续，并且再次引入误差。如参考图8所示，本发明涉及获取两个零位的方法。

图8.1示出快速施加的恒定负荷1，其中该恒定负荷1然后被保持一段时间、之后被快速移除。原理同样适用于任何负荷时间函数，但是所示的这种“阶跃输入”形状有助于解释。如果未施加负荷，则传感器的零位输出将如线2所示地漂移。如本领域技术人员已知的，传感器输出在n1处可以为零位，从而消除了该时间点处的误差。在本示例中，漂移继续，使得漂移在负荷施加期间显著地影响传感器输出。对负荷的影响如图8.2中的线3所示。尽管通过使传感器归零来在n1处初始消除了零位误差，但考虑到负荷施加，漂移会继续影响传感器输出。本发明的方法是在负荷施加之后获取第二个零位n2。在图中，n2处的零位误差的大小为b。然后从该点处的传感器输出中减去该误差，并且该误差与线4的直到n1的所有输出点成线性比例，其中在n1处，零位误差已经是零。减去与两个零位n1和n2成比例的零位误差的效果如图8.3中的线5所示。不校正两个零位点之间并非线性的任何漂移，但是校正任何总变化及其线性分量。虽然线5与真实的负荷施加1不完全相同，但是线5是较接近的表示。

可以单独地或联合地应用本发明的两个部分。在优选实施例中，首先应用蠕变校正，然后应用漂移校正。