不受安装随机性影响的并联传感器称重系统在位标定方法与流程

本发明涉及传感技术领域，提供了一种不受安装随机性影响的并联传感器称重系统在位标定方法。

背景技术：

以对于单传感器系统，称重系统灵敏度标定相对简单，一般的方式是在传感器安装完成后用精度等级更高的仪器给出已知的被测重(质)量w输入给待标定的传感器，同时得到测量系统的输出量z，根据输入输出的对应关系：z＝sw，可求得s，如果不考虑传感器线性度误差，则s为系统的灵敏度系数；对于有线性度误差的测量系统，则可采用分段标定或多点标定然后拟合等方法得到系统的灵敏度系数。系统灵敏度系数确定以后，就可根据测量系统输出值z计算得到被测量的数值w。

采用并联测量方式，底层测量单元信号传递关系如图1所示。

输入输出关系可表达为：

z1＝s1w1(1)

z2＝s2w2(2)

其中s1、s2为该测量支路的灵敏度系数。

令k1＝1/s1；k2＝1/s2，则有：

w1＝k1z1(3)

w2＝k2z2(4)

由于w＝w1+w2，于是有：

w＝k1z1+k2z2(5)

本系统中传感器和料斗的安装形式如图2所示。

两传感器安装完成后，理想状态下可认为传感器灵敏度系数s1、s2和单独使用时一样，理论上可根据(3)、(4)、(5)式通过称重系统的输出值求得被测值。但实际系统中，传感器的受力情况将受多种因素的影响，主要因素有以下几种：

1、安装传感器的结构件平面度、平行度以及相对于料斗中心线的对称度的影响；

2、料斗装料后左右重量不一定均匀，或料斗重心不在中心线上使两传感器对总重量的分担情况会随机变化；

图3是倾斜角导致灵敏度变化的示意图，假设传感器安装完成以后有一定水平倾斜角，在其上加载重量w后，输出为：

z＝w·s·cosα(6)

式中z为输出ad值，s是传感器本身的灵敏度，α是传感器为水平倾斜角；

可以认为安装完成后传感器的灵敏度系数由原来的s变成了s′，且

s′＝s·cosα(7)

基于上述原因，称重系统传感器安装完成后其灵敏度系数s1、s2与离线标定得到的灵敏度系数是不相同的，即k1、k2未知，无法用式(5)获得被测量w；另外料斗装料重心不一定在中心线上，每次加载后重心可能有一定的随机变化，即两个传感器承担的重量有一定的随机性，是不一样的，因此，标定时图1中w值虽然已知，但w1、w2却是未知的，即使可获取z1、z2也无法根据式(1)和式(2)求出s1和s2，也就是说，两个测量支路的输入输出关系还将受系统偏载影响。因此，本系统测量支路的灵敏度系数的标定一方面应在传感器安装完成后，即受力情况确定后进行；另一方面还需要考虑两个传感器对总重量的分担情况。由于这两个因素的交互影响，测量支路的灵敏度系数的标定变得困难，不能用传统的单传感器标定方法完成。

通过查阅文献，有关多传感器称重系统偏载问题的研究为数不多，少数几篇文献介绍的标定方法十分相似，均是在传感器安装完成后，通过电压调节(调输入)或电流调节(调输出)来消除偏载影响。

图4为常用偏载调节电路。电压调节是在电源激励电压与传感器电桥电路中串联一个电阻或电位器，从而改变传感器的输出电压；而电流调节是在电桥输出端跨接一电位器，调节电桥输出的分流电流i。

显然，无论电压调节还是电流调节都是通过调节传感器内部基本转换电路，达到改变信号输入输出关系的目的，即通过改变传感器本身灵敏度的方法来改变某一路测量电路的灵敏度，使各路的灵敏度系数一致，进而消除偏载误差。对该调节方法进行进一步分析可知，其基本原理在于通过改变传感器内部基本转换电路的有关参数，使得各测量支路灵敏度系数相同，即式(5)中k1＝k2，若令其为k，于是有w＝k(z1+z2)。因此，在电路调节完成(保证s1＝s2，即k1＝k2)后，标定时w、z1和z2已知，可求得k和系统灵敏度系数s。

这种方法一般用于电子汽车衡等大型称重设备的偏载调节和灵敏度系数标定上，调节时需要打开电路接线盒，在接线板上加装、调整相应的电位器改变传感器以及支路的灵敏度系数。显然，这种调节方式繁琐、工作量大，非专业人员难以完成，而且调节时所调节测量支路必须和其他支路分离，保证输入全部加载在该传感器上，这对于安装完成的系统是不易做到的。另一方面，电位器位置在使用过程中可能改变，系统灵敏度系数s难以保证长期稳定性，更为不利的是，传感器本身的灵敏度改变后，其他参数如线性度、温漂、蠕变等是否改变以及如何改变不得而知，这都会给测量精度带来不利影响。

技术实现要素：

针对并联系统现行标定方法的不足，提供一种不改变原测量电路，将并联系统灵敏度系数分解为耦合系p数和转换系数k两部分，在系统安装完成后分别进行在位标定的方法来解决并联系统因传感器安装时产生的倾斜角导致灵敏度变化的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种不受安装随机性影响的并联传感器称重系统在位标定方法，传感器称重系统包括称重传感器1和称重传感器2，系统灵敏度系数分解为转换系数k和耦合系数p两部分，两系数标定步骤如下:

步骤s1：第一次测量，取已知重量的重块，将重块放于偏向称重传感器1一侧(实际位置本领域技术人员应当得知，这的传感器1一侧应当是泛指，只要满足两次测试保证重块重心位置不同即可)，记录称重传感器1测量支路和称重传感器2测量支路输出值zij，其中i表示测量次数，j表示传感器标号，则有称重传感器1测量支路的输出值z11和称重传感器2测量支路的输出值z12；

步骤s2：第二次测量，取第一次测量的重块，将重块放于偏向称重传感器2一侧(本领域技术人员在本方案技术启示下应当得知，第二次测试的本质在于改变重块的重心位置)，记录称重传感器1测量支路的输出值z21和称重传感器2测量支路的输出值z22；

步骤s3：根据公式z11+pz12＝z21+pz22,其中耦合系数p为常量，求出耦合系数p的值，根据w＝k(zi1+pzi2)求出转换系数k的值，转换系数k为常量，其中w为已知重块的重量,其中z1为传感器1输出值，z2为传感器2输出值；

步骤s4：测得重物重量w＝k(z1+pz2)，其中z1为传感器1输出值，z2为传感器2输出值。

本申请还提供了一种不受安装随机性影响的并联传感器称重系统在位标定方法，传感器称重系统包括称重传感器1和称重传感器2，系统灵敏度系数分解为转换系数k和耦合系数p两部分，两系数标定步骤如下:

步骤s1:第一次测量，取已知重量的重块a和重块b，将重块a放于称重传感器1一侧、重块b块放于称重传感器2一侧，记录称重传感器1测量支路的输出值z1a和称重传感器2测量支路的输出值z2b；

步骤s2：第二次测量，交换步骤s1中所述重块a和重块b的位置，将重块b块放于称重传感器1一侧、重块a放于称重传感器2一侧，记录称重传感器1测量支路的输出值z1b和称重传感器2测量支路的输出值z2a；

步骤s3：根据公式z1a+pz2b＝z1b+pz2a求出p的值，根据w＝k(z1+pz2)求出k的值，w为重块a和重块b的重量总和,其中z1为传感器1输出值，z2为传感器2输出值；

步骤s4：在实际使用中，测得重物重量w＝k(z1+pz2)，其中z1中为传感器1输出值，z2为传感器2输出值。

本发明提供了一种并联称重系统，传感器称重系统包括称重传感器1和称重传感器2，测得重物重量w＝k(z1+pz2)，其中z1为传感器1输出值，z2为传感器2输出值，其中k，p为常量。

因为本发明采用上述技术方案因此具备以下有益效果：

1、传统的通过电压调节(调输入)或电流调节(调输出)来消除偏载影响。其不管是通过电压调节还是电流调节，在调节单个测量支路的系统灵敏度系数时，需要单独对两个支路的传感器进行负载，然后进行调节，使其两支路的系统灵敏度相等，即s1＝s2，然后再安装托盘(料斗)，这样会造成传感器安装完成以后有一定水平倾斜角，这使得s1＝s2在实际生产中不可能做到相等，即通过电压调节(调输入)或电流调节(调输出)是不能完全消除偏载影响的。而本申请转换系数k和耦合系数p的标定均在传感器安装完成后进行，可将传感器安装误差、结构件制造误差等因素的影响全部考虑在内，是一种完全的在位标定，不会因附加电位器等元件对原信号处理电路带来不利影响；也不会因附加电位器在使用过程中参数改变而影响系统灵敏度；如果使用过程中传感器本身的灵敏度发生了改变，用户均可以快速在线进行重新标定，实现快速校准系统测量精度的效果；

2、标定方法简单，只需改变已知重块的重心位置，记录4个数据进行两次计算即可得到耦合系数p和转换系数k，而且，记录、计算工作可由程序实现，无需人工干预，自动化程度高；

3、纯软件标定，标定过程无需附加元件，调整电路参数，工作量小并极大降低了对标定人员的专业要求，更为重要的是不会引起传感器其他性能参数的不可预测变化；

4、抗偏载。系统标定后，即使加载重量重心变化均可得到准确测量值。

附图说明

图1为并联系统信号传递关系图；

图2传感器安装示意图；

图3为倾斜角导致灵敏度变化示意图；

图4为传感器偏载调节电路；

图5为称重系统受力情况影响示意图；

图6偏载修正系数标定示意图；

图7为第一次测量数据；

图8交换重块位置后第二次测量数据；

图9和图10为修正后测量数据截图；

图中1为加料口，2为称重传感器1，3为称重传感器2，4为结构件，5为料斗，6为重块a，7为重块b。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的描述。

关于偏载修正的理论推导和实验验证详述如下。

1)系统偏载修正的理论基础

对于本系统而言，假设传感器安装完后，两支路灵敏度系数分别为s1、s2,信号输入输出关系可表示为：

z1＝s1w1(8)

z2＝s2w2(9)

令k1＝1/s1；k2＝1/s2，上式可改写为：

w1＝k1z1(10)

w2＝k2z2(11)

根据式(5)，加载总重量值w可表示为：

w＝k1z1+k2z2(12)

即：

将常数k1表示为k；表示为p(即则式(13)可表示为：

w＝k(z1+pz2)(14)

当系统两次加载同样重量时，即使在偏载情况下，w值应该相同，由于k＝k1＝1/s1为常数，两次ad值按z1+pz2关系计算也应该相等，根据这一原理，可用同一重物在不同位置加载两次，保证两次z1值和z2值不同，则可求出p值，进一步地，p值求出后，w、z1、z2、p值均已知，自然可求得k值。

下面从受力分析进一步说明式(14)的正确性。

假设加载重量为w，加载后重心随机地落在o，两传感器距离为l，重心距两传感器距离分别为l1、l2，则称重系统受力情况如图5所示。

两传感器受力w1、w2大小分别为:

两传感器输出ad值分别为:

传感器安装完后，两支路灵敏度系数s1、s2为常数，可令s2＝ns1(n为常数)，

于是有：

两式相加：

即：

令k＝1/s1；p＝1/n(即)，上式可改写为

w＝k(z1+pz2)(20)

式(14)得证。本发明将k定义为转换系数、p为系统耦合系数。该式说明即使加载后重心在两传感器之间变化，引起系统偏载，但都可通过求出系统k、p值

实施例：

求取耦合系数p值和转换系数k值的具体方法如下：

当传感器安装完成后，取已知重量重块(重量不得超过系统的最大载荷值)，进行标定。第一次测试：现将重块放于偏向传感器1一侧，记录两测量支路的输出值z11和z12，具体数值如图7所示，其中z11＝6012、z12＝2877，二者之和为8889。其中z11为第一次测量传感器1的输出值，z12为第一次测量传感器2的输出值；

第二次测试：改变重块位置，放于传感器2一侧，测得数据如图8所示。其中z21＝2692、z22＝6378，二者之和为9070。重块重量未变，但两次测量的累加值不同，显然这是因为两只传感器的灵敏度不相同，且两次测量时偏载情况也不相同引起的，根据式(14)，应该有z11+pz12＝z21+pz22，即6012+2877p＝2692+6378p，由此求出耦合修正系数p＝0.949。其中z21为第二次测量传感器1的输出值，z22为第二次测量传感器2的输出值；

在测量软件中将耦合系数0.949设为传感器2的转换系数，传感器1的转换系数保持为1，使输入输出关系满足式(14)，按前述方法交换重块位置，进行两次测量，测试软件截图如图9、图10所示。

从截图数据可以看出，两次测量的“总重量”分别为8861和8865，在存在随机误差的情况下，可认为重块位置交换前后的测量值是相同的，这是因为系统经偏载修正后，被测量w与两测量支路的ad输出值之间的对应关系不再变化，即系统的偏载影响已被消除。

当然，8861并非重块的真实重量值，将z11＝6012、z12＝2877带入w＝k(z1+pz2)

，因为w为已知量，假设w为100kg，则有100kg＝k(6012+0.949×2877)，即可求出k的值，再后续实际测量中，按照w＝k(z1+pz2)可快速测得被测物体的重量值w。

以上仅是本发明众多具体应用范围中的代表性实施例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用变换或是等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。