专利名称：滞后补偿的衡量器和方法
技术领域：
本发明涉及用于对由测量装置(例如测量力或重量、位移的那些装置)、材料分析以及偏差相关系统所呈现的滞后现象进行校正的方法和装置。
要求力图改善诸如秤等测力装置精度的研究者考虑并努力补偿各种诸如漂移、滞弹性变形、温致效应以及滞后等现象。滞后现象多年来已造成很大的问题并发现它的起源在测力计或测力装置的换能器中。典型地，一个测力装置构造如下由含有反力的测力计支承的装载重物秤台或被加于该秤台的负载与该装置或秤盘底之间的张力所挤压并响应该张力的结构。如应变仪等测力计之类的测力仪器与这种张力作用形成输出，一般要求对上述现象进行校正。当施加一连串负载并随后以任何数不清的序列除去负载时，滞后(或有时称之为“内部摩擦力”)出现在换能器的输出端。在一种典型的秤使用过程中，对大部分来讲这些加载序列是随机性的，例如，添加在量值上从部分到装满分布的负载，并从台秤中全部或仅部分地除去。比较该装置的输出或示数，照此随示数除去负载，当加上负载时在同样负载产生差异。这种差异即认为是滞后。滞后效应主要是由于材料特性和衡量器换能器的几何形状而产生的。例如，所有反力材料、无论金属或玻璃/陶瓷均呈现不同程度的滞后。通常，如在称重设备中广泛使用的、基于环氧树脂的应变仪也显现滞后现象并显著影响在秤输出中所见的整个滞后。不同于应变仪产生的该效果，滞后现象也可能由于安装的方法或给该秤换能器加载的方法而引起。在这方面，常常在测力计与秤结构之间存在表现为滞后的滑动或移动。
一种改善滞后效应的常规方法是试图改进反力或换能器材料的质量。例如，通过形成诸如铍-铜或玻璃(陶瓷)材料的测力计而表现低能级滞后。然而，这种方法被认为对于打算作常规应用的秤结构使用起来过于昂贵。后面一种材料还面临一定的制造困难。通过改变产品参量和热处理过程，对某些应用来讲已取得滞后上的改进。但是，这些技术实质上是探索性的并基本上从部件到部件是不可重复的。当在测力计仪器的应变仪中出现滞后效应时，其它比如那些表示振动线路或电容器技术的传感器自身不呈现滞后，但该现象将出现在具有这种仪器的单元的输出端，因为它保留在整个反力结构内。
随着微处理器驱动仪器的出现，一种针对该现象的实际措施将获得在测力计输出端数字校正滞后的预期方法。但是，该措施要求精确量化基于测力计动作的滞后。这种预期数字校正措施已成功地对蠕变现象引入。关于这点见题为“蠕变补偿衡量器”、由Griffen提出，于1987年9月1日公开且并此共同转让的美国专利第4，691，290号。
本发明的校正措施是从基于实验室的发现以及对该现象某些特性的观察得出的。在这方面，已观察到滞后效应是可重复的并不依赖于时间。这种可重复性特性与称重设备加载进程的即刻随时间的变化有关。而且，加于称重设备的负载或重物的进程或顺序从0或最小负载到最大负载值将导致输出或示数从直线特性的一系列可重复的偏离。直线特性被认为是指该设备的指示输出正比于所加重量。当以图解形式绘制时，所指出添加序列的输出是可表征的并称之为增加线性。类似地，加于秤的负载的进程或顺序从最大负载至最小或0负载将导致从直线特性的一系列也是可重复的偏离。这种减小负载输出可以标绘并表现为减少的线性特性。通过将增加线性曲线与减少线性曲线组合产生在最大和最小负载位置会聚的包络图。发现所有归因于滞后的称重偏离发生在该包络图之内。另外的分析揭示出对任何加载进程序列来讲当在增加负载进程或减少负载进程的意义上重量以相同方向连续变化时，设备的输出示数将趋向于产生返回该包络图界限的偏离。
根据以上观察和发现，测力装置的滞后特性可被量化，并由此可设计出通过常规微处理器功能的计算能力实现的必要精度的校正过程。
一种按照本发明对秤在以给定负载进程随时间的变化施负载于其上的最小负载与最大负载之间发生滞后效应的输出进行校正的方法，所包括的步骤为导出表示该秤从最小负载到最大负载的增加线性特性值的多项式;
导出表示该秤从最大负截一直到最小负载的减少线性特性值的多项式;
形成表示从一个多项式的偏离的校正表达式;
获得加于该秤的负载量值表示R;
将量值R应用于校正表达式导出校正值;
根据校正值大小调节量值R;以及输出经调整量值。
本发明的另一特征提供补偿滞后的测量装置，该装置包括测量机构以及用于保持测量机构负载进程随时间的变化、并保持其在最大与最小负载之间的增加和减少线性偏移特性的存储特征。提供一种用于获得测量机构上负载表示R的配置。该装置的控制响应负载表示R、存储器所存储负载进程随时间的变化、以及选出的线性偏移特性以导出校正值并将该校正值与负载表示R组合以形成校正后的重量表示，并在该存储器中存储以负载表示R表征的负载进程与时间的关系的变化。
本发明还提供用于校正测力装置输出滞后的方法，所包括的步骤为获得施加于测力装置的力的表达式;
利用力的表达式以及该装置瞬时经过的力施予序列与时间的关系导出测力装置的滞后状态;以及将所导出测力装置的滞后状态与力表达式组合以提供施加于补偿后效应的测力装置的力的表示。
作为另一特征，本发明提供用于减小响应于负载的发生在增加和减少型加载序列中测量装置所测输出的非单值性的方法，该方法所包括的步骤为保持放置于测量装置上负载的负载进程随时间的变化，如这种所测输出、这种类型加载序列、其转换以及该装置在最大负载与最小负载之间的增加和减少线性偏移特性;
获得当前测量输出作为量值R;
根据量值R、负载进程与时间的关系以及选择线性特性导出校正值;
根据校正值大小调节数值R;以及输出经调整数值。
作为又一特征，本发明提供补偿对于给定负载进程随时间的变化发生在所加最小负载与最大负载之间的滞后效应的衡量器。该设备包括称重机构以及用于存储表示分布在最小负载与最大负载之间的称重机构的增加和减少线性偏移特性的表达式的装置。形成一种用于获得加于称重机构负载的量值表示R的配置以及将量值R应用于表示自线性偏移特性表示式之一的偏移的校正表示式从而导出校正值的装置。另外，提供根据校正值大小调节量值R的装置并提供用于输出所调节值的配置。
本发明的部分其它目的将是很显然的并在下面说明。
因此，本发明包含从结构、元件组合、步骤到部件布局的装置和方法，在下面详细公开中进行了举例说明。为了更完整理解本发明的性质和目的，必须参照下面结合附图的详细描述。
图1是结合本发明的易受到滞后影响的微计算机控制衡量器的框图;
图2是一称重装置线性偏移的图示说明，示出由增加和减少线性特性形成的包络图;
图3是象图2一样的图形表示，但是示出了从转折点到最小负载的增加负载状况的端点;
图4是类似于图2的图形表示，但示出了加载在转折点从负载减小状态反转并增加至最大加载值的负载进程替换;
图5是类似于图2的图形表示，但示出复杂加载进程的偏移特性;
图6是说明一个不复杂的负载进程的校正过程流程图;
图7是类似于图2的图形表示，但示出加载进程中从负载增加进程到转折点并返回最小负载值的转换;
图8是类似于图2的图形表示，但示出在减小负载进程中在转折点的中断以及接着至最大负载的增加负载进程;
图9是描述本发明的更复杂秤加载序列的校正过程的流程图;
图10是结合实验室观察进行的简单加载过程的图形说明;
图11是说明图10数据但结合与其相对应的基于多项式的曲线的图示说明;
图12是对应于图10所产生数据进行的校正过程的图形表示;
图13图示说明表示加于秤的复杂负载进程的读出数据滞后效应;
图14图示说明图13所表示基于滞后校正的偏移的线性偏移;以及图15是非常详细地说明结合本发明的衡量器的最佳形式的框图。
这里提出的滞后校正过程是从已获得对校正的量化方法的实验室研究和实验而导出的。因此，在以下的论述中，结合基于试验的信息和为了清楚起见结合简化或有代表性图形二者来描述这些实验。
首先看图1，总的以标号10示出可包括本发明滞后校正特性的一种典型测力装置或秤。秤10包括含有有时称之为小底板或秤台、放置在测力计14之上的重物接受盘12的称重机构。测力计14连带方块16表示的应变仪电桥一起运行。置于盘12上的负载在测力计14内产生应力，该应力是由测力计内的应变仪检测的，并转而使该仪器的电桥单元16不平衡。电桥16的不平衡响应输出将模拟重量信号提供给模/数(A/D)转换器18将该模拟值转换为数字式信号。转换器18受方框20表示的微处理器驱动控制电路或微计算机控制。对从转换器18送至控制功能部件20的数据进行适当的基于标准化的和预先的校正处理并送至在该图中以显示单元22表示的适当输出。相应的控制和以往数据保存在以方框24表示的存储功能部件中供微计算机20使用。从这点来讲，该存储功能部件将包括常规只读存储器(ROM)以及保存瞬时校正过程所需的以往数据的随机存取存储器(RAM)，因此将具有非易失数据保存能力。
图2是描述仅考虑滞后效应的基于应变仪的换能器的直线线性输出的变化的典型图示。该图表示任意单位的线性偏移与所加负载的关系曲线，其中负载从最小负载值(例如0负载)加到最大负载值。如果加于秤的重物以递增形式从指出的最小值到最大值且该秤未呈现滞后或标准线性，那么，秤的输出可在递增施加负载过程中由分布在最小负载值和最大负载值之间并示出零线性偏移的直线30表示。继续假设这种理想模式，当逐步除去负载或重物时，则该秤的输出将再次沿线30回扫，表明没有偏离直线性。但是，现在考虑滞后现象，当逐步施加重物于该秤时，存在在此称之为“增加线性”的从理想直线30的线性偏移过程并由下部曲线32表示。在这种从最小到最大加载重物的进程中，秤输出将趋于低并为了直接的目的以负向弯曲形式曲线32表示。根据这种瞬时观察，现在应从最大负载开始逐步从秤上除去重物，秤的读出将以此时用弓形曲线34表示的方式偏离线30表示的直线性。注意曲线34与曲线32为相反符号，并表示为大小相等的偏离。由曲线32和34限定的这种包络对称在给定测量装置中不是固有的。但是，通过数学调整，可为这种装置产生一种发现有时对专业人员有帮助的初始过程。曲线34称为“减少线性”。滞后是增加线性32与减少线性34之间的差异，并可用图形表达，例如，用矢量箭头，其中一些以35示出，并被看作包含在由曲线32和34环绕的封闭包络线内。
假定秤是在逐步从最小或零负载到最大负载并随后除去负载直到再次达到零负载的限制参量下操作，那么对该综合滞后的校正易于完成。例如，可以推导出一数学表达式来描述曲线32和34的抛物线特性。若已知称重状态为负载增加或负载减小的情况，那么可容易地导出校正增加状态或减小状态的秤输出的多项式，例如抛物线表示式。当然，在这些状态下该秤的示数或输出表达式实质上本身即表示滞后误差。实验室观察已表明滞后状态对上述要求最小负载值与最大负载值之间偏移的性能参数是可重复的。当以上参量表示对校正易做的修正时，基础操作参量(如指出的)是相当有限的。
现在参见图3，下一个操作参量或秤或测力装置的使用状态要考虑下述情况即保持如图2中曲线32和34所表示的相同第一参量但处在所加负载总是始于最小值或零值并逐步添加重物以定义较早描述的曲线32的附加状态下。但是，在现有的校正状态下，在从零或最小负载值施加负载之后尚未到达最大负载值之前去掉负载。例如，这里将负载从由转折点TAP1表示的最大加载状态附近的位置去掉，那么减少线性或负载减小的点的轨迹将定义从TAP1到零或最小位置描绘的曲线36。同样地，在如转折点TAP2所标示的较早位置除去负载将产生定义从TAP2延伸到零或最小位置的曲线38的负载减小输出点轨迹。最后，较早除去负载(例如在转折点TAP3)将产生定义曲线40的减少负载点的轨迹。
由上述内容可以看出包络曲线32和34对这种实验保持不变，并且增加线性曲线32对这种状态保持相同，但是，减小负载曲线36-40对瞬时状态要求不同的数学定义。为了产生确定输出校正的要求算法或表达式，将会发现必须知道适当的转折点(TAP)。此外，注意到曲线36、38和40保留在由增加线性曲线32和减少线性曲线34限定的包络图之内。
参照图4，该图描绘出由最小或零负载开始加载递增到最大负载的加载模式产生的另一滞后状态。然后从该最大负载除去重物，接着再次将重物添加至最大负载位置。所得滞后图案实质上是图3中所示出图案的旋转图象。注意从这点来讲，增加线性曲线32以及减少线性曲线34保持如前。但是，当从最大位置除去负载并且滞后状态沿减少线性曲线34轨迹变化时，可考虑一系列转折点，在那里停止除去负载并将重物再次加至最大值。注意这种状态由从减少线性曲线34上的转折点TAP4延伸的曲线42表示。类似地，当除去负载导致该系统跟踪减少线性曲线34至转折点TAP5然后再要求加载时，增加线性曲线44扩展至最大负载点，以同样的方式，当除去负载或重物至TAP6表示的转折点然后要求达到最大值时，产生如46表示的较短增加线性曲线。对于这种配置，当减少线性曲线34的数学算法保持如前面一样时，按透视法缩小增加线性曲线42、44和46并要求经调整的数学定义。图4中所示出的图形表示在该秤从来不空载并添加和除去重物的秤使用过程中遇到的状态。
考虑对该加载参量或图3及图4状态的一种补偿方法，可以预料到对于在各种给定负载随时间变化条件下放于秤上的给定重物，将对该单个重物产生数种秤输出，每种需要独立的补偿。例如，在图4中，如果具有由点划线48与直线30的交叉点表示的实际重量值的负载在曲线32、34和42-46表示的状态下称量，那么在A-E表示出的5种不同未校正输出变成为可能。为了获得对图3和图4状态的校正，有必要知道加载随时间的变化。从这一点来讲，需要知道适当的转换位置或转折点(TAP)以及负载进程，即负载从最小或零负载增加或负载从最大负载减小的状态。对于至此描述的加载状态或参量，可导出各种算法以获得滞后的校正。将会知道表示增加线性曲线32和减少线性曲线34的数学表达式而且这些表达式最好表示一种调整，使这些曲线例如关于直线30是对称的。对这种校正的一种完善的方法包含对例如在沿曲线32和34的百分之一增量导出的每种所示状态确定曲线的数学表达式。一种较简单的方法由相对于适当和相应增加线性曲线32或减少线性曲线34的按透视法缩小曲线的比例性产生。通过监视转折点(TAP)，可由表示转折点与适当最小或零以及最大加载值的比率的乘积导出校正。事实上，对于瞬时、不够完善的模式和以下更复杂的状态，转折点(TAP)变为负载随时间的变化点。对上述过程和以下过程来讲，需要衡量器滞后的状态，以获得预先校正。
参照图5，以与图2-4类似的方式图示出相应于更普遍遇到和更复杂加载随时间变化的滞后特性。在图5中，沿形成如前所述包络图的增加线性曲线32和减少线性曲线34再次复制理想输出直线30。对于所描述的加载状态，在零负载或最小负载开始加载并达到满负荷。然后如曲线34所表示的除去重物直至零或最小负载，然后再次如曲线32所示的增加负载至转折点TAP7。然后负载被去除但来达到完全去除(即至零负载)的程度。该状态得出模拟图3中36、38和40所描绘曲线的负载减少曲线50。然而，曲线50在包络内部转换或转折位置(即转折点TAP8)终止，从那里再次将重物加于该装置从而产生从TAP8延伸到最大负载位置的负载增加曲线52。曲线52被看作类似于图4中所描述诸如42、44和46所表示的曲线。可看出由曲线50、52所表示以及图3和图4所描述的偏差均保留在由增加线性曲线32和减少线性曲线34所限定的包络图之内。
以上讨论的滞后现象在实验室条件下的实验已产生下列观测结果(1)滞后现象是可重复的。如果同样的重物以同样次序精确地加于秤上，该秤的输出将重复;
(2)如果设立最大和最小负载或重量，通过从最小至最大增加所加负载并返回最小而产生以线性曲线32和34表示的偏移包络图案则变成为有限包络。在这些限制之间重量的任何变化将不产生该包络图以外的输出;
(3)当所加负载或重物继续以单一方向、即向该包络图的最大负载会聚或零或最小负载会聚继续变化时，秤输出趋于返回该包络图的界限。
现在考虑按照本发明的由微计算机进行滞后补偿所用的程序，首先考虑的是结合以上图2和图3所表示和描述的最简单情况的称量过程。为产生对这些情况进行预选校正的程序，首先说明曲线32和34之间所指出现存包络图的特性。实现这一点的一种措施是以简单循环(从最小负载到最大负载然后返回到最小负载)将重物加于讨论中的换能器。随后可导出两种对应曲线的算法，第一种符合或对应增加线性曲线32，第二种对应减少线性曲线34。因此，当这两条曲线会聚时将定义所指出的包络图案。如更早一点所指出的，要求数学调整该图形，以使曲线32和34关于直线30对称。一种可用于实现上述对应的多项式可如下式所示A＊R+B＊R2+C＊R3(1)在以上表达式中，R是基本读数，其最好表示已校正蠕变并已经数字滤波的衡量器的计数输出。对非滞后现象的校正或未校正数据形式的选择只是设计选择的问题。在该表示式中，A、B和C项是常数。如上所述，在许多情况下，一个简单的二次项将满足瞬时作用，例如，该二次项可为如下所列A＊R+B＊R2(2)用在程序算法中的校正表示式或等式简单地为满足用于定义曲线32和34的包络图的方程的负向曲线。从原始数据输入数据或读数减去曲率以形成直线30输出的等效值。
参照图6，该图示出描述形成图2情况下校正方法的程序并使用上述滞后补偿表达式的流程图。见该图，从该程序的起始点60开始，该程序在方框62要求读换能器的输出。从该装置接收的数据，其如上所述最好经过滤波并可以按照要求的补偿协定预先补偿其它现象。一旦读到换能器输出，那么如方框64所示，与已保留在暂存非易失存储器中的以前数据或读数或称量装置进行比较。该输入决定读数是否表示增加线性曲线32上的位置或减少线性曲线34上的位置。这种信息是必要的，因为数学表示式本身的数值和符号可随增加或减少负载状态变化。如虚线框66所示，当瞬时读数大于以前读数时，则这种随时间变化数据表明当与增加线性曲线32有关时要求一增加重量数学表示式或等式。这样，如框68所表示使用该等式。然后如在框70所示，该程序存储当前读数且该存储数值表示该程序下一次迭代的以前输出，将它与框64表示的下一输出读数进行比较。如框72所示，跟随该存储过程，作滞后校正后的重量读数输出到下一校正过程或为显示或类似目的进行数据处理。然后该程序如框74所示返回到起始点60。
当包络曲线32和34会聚时，例如在最大负载值，那么在框64进行的比较决定瞬时读数小于以前读数，如框76所示。这样则如框78所示要使用与减小线性曲线34有关的校正表示式。然后该程序如框70以及下列等所示继续进行。
现在考虑可能与称量状态或所讨论参量有关的，例如，结合图3-5的一种滞后补偿的更复杂形式，参照图7进行。在图7中，由曲线32和34结合直线30表示的包络图再次出现。该图另外示出的是以图1的方式从称量机构添加和除去负载的称量状态。但是，在第二偏移上，表示出转折点TAP9，重物加载方向上的变化是增加还是减小未出现在包络图的外部点。从转折点TAP9，以图3描述的方法接着产生减少负载曲线86，曲线86持续到该包络图的零会聚点或最小位置。从图7可以看出，由垂直直线强调并总体以88表示的区域从转折点TAP9处第一条标以“WO”的垂直线延伸至减少线性曲线34上相应点。注意区域88在从线WO延伸至零会聚点时包含的垂直线越接近会聚点变得越短。因此，对于沿曲线86下降的减负荷过程，可根据已知减少线性曲线34和曲线86预测输出。从而，代替使用上述借助比例因子形式的给定乘积表达式，可导出误差值作为与定义该包络图的已知和恒定曲线32和34的宽度差值。各种用于推导这种误差数据的技术是适用的，例如，区域88具有从直线WO至该包络图的零会聚点的指数下降分布。
借助图8示出了与结合图4进行的说明有关的相反状态。在该图中，结合称量直线30再次形成表示该包络图边界的曲线32和34。如前所述，衡量器从零或最小负载加载到最大或满负载，然后逐步减载跟随减少线性曲线34到达零。然而，称量过程随后在转折点TAP10转向添加重物形成延伸到曲线32和34的最大负载会聚点的增加负载曲线90。相同的分析应用在结合图7所描述的瞬时演示中，而对这种开始于满负荷的状态现在使用一种旋转图象方法。再者，可从转折点TAP10画垂线WO，当它在曲线32和90之间延伸并会聚于最大负载点时可说明区域92。如前所述，通过将从区域92内垂线或数值导出的校正值与增加线性曲线32的数字表达式结合可获得对曲线90给定点的校正。例如，区域92表现为可数学表示的指数下降。考虑这种下降，可从图7和8的演示得到以下结论，从定义曲线32和34的包络图上任何位置开始，并以相反方向施负载于所表示(其上箭头所示)的称量进程，该趋势作为衡量器的实际输出下降或趋近包络图外部轮廓或曲线之一。可归纳出，不管何处在转折点发生负载进程转换，将产生趋于接近该限制包络图并且其幅度值从不超过或体现超出该包络图的偏移的曲线。因此，可导出总是趋于将偏移折回到预定限制包络图以得出滞后补偿分量的数学表达式。当该装置上的负载减少时，所得减少负载曲线将趋于靠近减少线性曲线34，并得到相反状态，当负载增加时，将得出趋于接近增加线性曲线32的特性曲线。
现在考虑误差测定的指数下降形式，对于图7和图8所表示的每种情况来讲，区域88或92内垂直线的范围或宽度可认为变化如下WIDTH＝WO＊exp[(R-RO)/TAU] (3)其中WO是如图7和8所示的初始宽度，RO是该装置在转折点(如所示在TAP9或TAP10)的输出;R是讨论的给定读数，TAU是表示下降的常数，它可带有表示增加或减少负载序列的符号和数值。
考虑到上面所述，可使用的校正方程具有下列形式A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊exp[(R-RO)/TAU] (4)总之，误差校正方程将具有上面提出的形式。每当测力装置上的重物加载改变方向时，计算WO的新值并应用该校正方程。这种数学理解也相对于图5表示的复杂加载状态或参量而言。返回到该图，可以看到曲线50和34之间虚线构成的区域94再次表明这种可辨别的校正区域。该区域94将以衰减或确定的方式趋近由减少线性曲线34表示的限制包络，由此成为可识别的校正分量。以类似的方式，在曲线32和52之间以虚线表示的区域96也趋近于作为限制的增加线性曲线32并呈现类似的衰减或其它确定函数。
参照图9，该图绘制出可实现以上所示一般校正情况的程序流程图。在该图中，程序从结点100表示的起始指示开始执行并进行到框102的说明。此时，读换能器的输出以获得数据值R，其如后面将要描述的可进行滤波处理。另外，回顾依据设计者要求的约定，其它校正过程可用于获得该数据值R，例如蠕变校正。然后如框104所表示该程序进行与以前输出比较的判定。因为有必要知道重量是增加还是减少故进行这种判定。从这点来讲，如果瞬时读数大于上一个或以前读数，则如虚线边界106所表示程序进入到框108的说明。在框108，判定重物加载方向是否已发生变化。事实上，这种判定是一种对于是否遇到转折点(TAP)或转换的判断。因此，将涉及两个问题即判定重量是否增加和是否是第一次增加。若瞬时称重表示转折点(TAP)，那么如框110所示，有必要重新计算数值WO。另一方面，当还未遇到转折点时，则WO值保持以前通过或测定的相同数值。每当遇到转折点(TAP)时，表示重量在增加或减小方向上发生变化，要重新计算WO。然后该程序进行到如框112所表示，用增加重量方程求出数值DR、其中DR是被加以所接收读数以导出校正输出的差值或德尔他值。当求得数值DR后，如框113所示该程序导出校正输出CR。然后如框114所指出的，该程序为其下一次迭代存储当前读数，对下一次迭代来讲，该当前读数成为以前读出PR。则表示为CR校正读出输出至使用或显示装置(如框116所表示)接着如框118所示该程序返回起始点。
结果连同框104的说明所作判定表明当前读出小于上一读数时，如虚线边界120所指出的，该程序沿流程图的右边部分进行，其中如框122所指出判定重物加载方向是否已发生变化。当判定为肯定时，则检测转折点(TAP)并如框124所指出重新计算WO。然后如框126所指出的用减少重量方程求出数值DR，如前所述进而该程序导出校正输出CR并如框113、114和116所示存储和输出该读数，然后如框118所示返回起始点。
下面给出根据图9所示流程图以大家熟知的计算机语言Basic编写的程序。鉴于后面所公开的改进。该程序并未用在本发明的实际作法中，而是作为对本主题的初步讲授方法。括号中提供给右端程序信息的数字与该部分程序所属的图9中各框对应。在所示程序中，AI，BI，CI，AD，BD，CD，BIE以及BDE为常数，从一个负载单元到另一负载单元它们将改变并在它们的制造过程中作为校正过程的部分产生。
START(102) INPUT R(104，106) IF R＝PR THEN S＝1(104，120) ELSE S＝-1(104) END IF(106) IF R ＝PR THEN(108，110) IF PS S THEN AIE＝DR-AI＊PR-BR＊PR2-CI＊PR3R0＝PR(108) END IF(112) DR＝AI＊R+BI＊R2+CI＊R3+AIE＊exp(-BIE＊(R-R0))(120 ELSE
(122，124) IF PS S THEN ADE＝DR-AD＊PR-BD＊PR2-CD＊PR3R0＝PREND IF(126) DR＝AD＊R+BD＊R2+CD＊R3+ADE＊exp(-BDE＊(R-R0))(122) END IF(113) CR＝R+DR(114) PR＝RPS＝S(116) PRINT CR(118) GOTO START在框102和相应程序行，读原始数据R。然后如框104、106和120以及相应程序行所示，利用标识符S作为重量是否正进行增加或减少的方向指示。特别见相应于框106的程序行，其中标识符设定为+1，则现有的是增加状态，如与该程序行相邻相应于框104和120的程序行所示，其中数值R小于以前读数则此时为减少状态且标识符S设定为-1。如由框106表示的相应程序行所示，当判定称重过程为增加过程时，则程序知道重量上升并如相应于108和110的程序行所示作出关于这是否第一次增加的疑问。事实上，作出关于S的以前值(表示为PS)是否不等于S的判定。当该情况为真时，则计算出对应于WO的AIE值或增加误差衰减。另外，使RO项等于PR项，PR表示原始数据的以前读数。如果数值PS不等于S，则确定出一个转折点。
若以前的S(即PS)等于所得当前S时，则由于不存在转折点，WO项不必计算。如果存在一个转折点RO，则相应框112所表示，可以计算DR值。
如相应于框120的ELSE语句所表明的，当原始数据读数不等于或大于以前的该读出时，则现有的为减少负载状态，如框122和124所表示，对S值与S的以前值或PS进行计算。当这些值不相等时，则有一转折点，并确定此处视为ADE或减少误差衰减的WO值，而转折点RO将为以前读数PR。另一方面，如果没有确定出转折点，则根据END IF语句，不作出WO的这种重新判定。然后如相应框126所示计算出表示R变化的德尔他或差值DR。如相应于框113的表示，然后导出作为R与DR之和的经校正输出CR。框标识114表明对于下一次迭代，使以前读数等于R，S的以前值等于S。见相应于框号116的表示，打印经校正读数CR，并如与相应于框号118的语句所表明，该程序返回开始。
从以上程序可以看到，在负载增加或负载减少情形之间校正系统存在希望的对称。提供了用于导出转折点(TAP)的相同技术并马上认识到在推导AIE与ADE之间的相似性。而且，对应DR的两条数学途径体现出这种相同的所希望对称。该方法在例如微处理机驱动设备的编程中是非常合乎需要的。事实上，该程序以“IF”语句开始，以“END IF”语句结束。
以基于下列表达式的方法实现不同的校正分析DR＝A＊R+B＊R2+C＊R3+PWO＊(1-(R-PR)/TAU)，(5)在以上表达式中，PR是基于预先校正的R值，PWO是前述垂线WO的下一个预先校正长度值。因此，上述表达式的第二部分指出由于输出读数变化的结果该垂线变为多短。该表达式根本上与前面的不同。对照前面的表达式，可以看到不存在“RO”项。
用于计算阴影区域88和92的一种改进方程避免利用指数衰减，而代之以使用直线近似。用该方法，计算出转折点与包络定义曲线32或34的距离。然后，假定输出遵循的曲线是从起始点延伸到原点的直线。例如，在图7中，直线114从转折点TAP9延伸到原点或最小值。对于增加负载，该方程可采取以下形式，其中RMAX表示最大可能读数
DR＝A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊ ((RMAX-R))/((RMAX-RO)) (6)对于减小负载，可使用一替换方法，如图8中线116所示从转折点TAP10延伸到包络定义曲线32和34内的最大负载。假设另外可使用一个RMIN项(为零)，该减少负载方程采取下列形式DR＝A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊ (R)/(RO) (7)事实上将线114和116弯曲可产生更高量级的精确度。对于增加负载，这可用从常数DI开始的插入项而达到(见下述)。因此，增加负载表达式可采取下列形式DR＝A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊[ ((RMAX-R))/((RMAX-RO)) -DI＊ ((RMAX-R)＊(R-RO))/((RMAX-RO)) ] (8)对应地，应用常数项DD，减少负载的表达式变为如下形式DR＝A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊[ (R)/(RO) -DD＊ (R＊(RO-R))/(RO) ] (9)
常数DI和DE用于调节回归曲线的曲率大小。
如前面所指出的，用于减小衡量器输出端滞后效应的补偿表达式依赖测力计随时间的变化确定当前读数高于还是低于以前读数。根据这种过去测定的结果而计算出一校正因子。在现场称量的实际过程中，任何换能器型装置的输出通常都是不均匀的，它受到振动、静电噪声、温度效应等的影响。这可能导致控制系统在校正过程中被运用到其失去分辨力的程度。因此，在进行校正之前需要对接收的数据进行滤波，例如，等待合理的有效重量变化。一种更简单和更必要的方法是“平滑化”重量数据并由此减少转折点数。可根据下列表达式导出这样的方法FR＝0.1＊R+0.9＊PFR其中FR是用在进行上述数据控制中的滤波读数，R是实际数据点，PFR是用在以前迭代中的FR。因此，每次接收到输出时，将当前读数的十分之一加到上一滤波读数的十分之九上。这意味着任何一个读数仅能对系统输出施加10%的影响。如果该读数是不变的，则近似有R＝FR。若该读数是变化的，则有足够强的降噪效果，并过调为光滑变化曲线。当然，对于更噪杂或更易振动环境，为减少归因于负载引入振荡和噪声的转折点数量，以以使用更强的滤波。噪声可同时由电子装置或由加载引起。
由曲线32和34表示的包络已在实验室环境内产生。例如，一负载序列已加到一压缩称杆单元，该序列以5，000磅增量在零磅至20，000磅之间分布，然后回到零磅。在图10中以增加线性曲线118和减少线性曲线120表示出运行产生的单元输出，所述曲线未作对称调节。利用上述表达式(1)的形式，则产生两曲线以得出调整包络图。该曲线产生的结果在图11中示出，其中小方块指出减少负载的计算点，如曲线120所表示，＊表示相对曲线118的计算点。在图12中再次复制出曲线120和118及其相应的补偿曲线122和124。补偿曲线122和124表示在负载从零加至最大再返回的简单情况下本发明的滞后补偿方法运用良好。
再次利用-压缩称杆测力计进行本发明滞后补偿方法的鉴定，该压缩称杆测力计用含有基于A/D的信号处理的适当仪器测定和结合。然后将该测力计的输出送入计算机进行处理和分析。得出的分析包括两个读数校正后的输出以及产生该输出需要的校正量值。因此，通过适当的组合，未补偿的数据变得可为观察所用。使用在这种测定中的重物施加序列当重物从最小进行到最大再返回时包括几次满运行。因此，从最小负载开始并在返回最小负载之前仅进行到至最大负载的部分轨迹的几次运行被执行。在该步运行之后，施加满负荷，然后部分地除去重物或负载并再重复施加几次。随后激发进一步的随机重量变化试图模拟该领域可能遇到的任何和所有重量变化。图13示出以误差或偏移图形式的原始数据。通过应用本发明的补偿过程，产生图14所示偏移的相应图形表示。在后而后面的补偿方法中，利用(8)和(9)表示的表达式。
参照图15，其绘制出总的以130表示的本发明衡量器的一种形式。设备130包含与主机或称量系统微计算机134相接的总体以132表示“数字测力计”。除其它功能之外，微计算机134控制显示器136和打印机138，并通过键盘140接收操作信息。图15的设备与图1表示的更典型装置的不同之处主要在于，各种电路组合在具有A/D转换功能的同一印制电路板上，并增加了专用测力计微处理器和存储器。其结果是自身可作为组件进行校准、补偿和校正并结合到各种微计算机控制称量系统中的数字测力计。当如此结合时，数字测力计与诸如134所表示的称量系统微计算机或主微计算机相接。
在图15所示形式中，数字测力计132包括应变仪电桥142，其提供模拟重量信号给前置放大功能块144，接着由144形成输入到模拟滤波功能块146的放大输出。然后在框150表示的编程微处理机控制下由148表示的A/D转换器将已滤波和前置放大输出转换为数字形式。数字化重量数据输入给微处理器，由微处理器结合152表示的其组成部件对保存随时间变化的数据来说为非易失的存储器进行能够以数字方式执行的滞后和其它形式的校正。微处理器150还与称量系统微计算机134通信并将重量数据传输到那里作进一步处理以及例如在显示器136进行显示。
由于对上述方法和装置可作某些修改而不偏离本发明在此所涉及的范围，因此包含在说明书和示出在附图中所有内容应解释为说明而不带任何限制意义。
权利要求
1.用于对秤在以给定负载进程随时间的变化施负载于其上的最小负载与最大负载之间发生滞后效应的输出进行校正的方法，所包含的步骤为导出表示所述秤从所述最小负载到所述最大负载的增加线性特性值的多项式，导出表示所述秤从所述最大负载到所述最小负载的减少线性特性值的多项式，形成表示从一个所述多项式的偏移的校正表达式，获得加于所述秤的负载值R的表示，将所述值R应用于所述校正表达式导出校正值，根据所述校正值大小调节所述值R，以及输出所述已调节值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于导出所述校正表达式以提供其值总是落在由所述所导出多项式定义的数值的包络内的所述偏移。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述校正表达式包括具有作为限制的所述多项式的指数衰减函数。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述多项式的形式为AR+BR2+CR3。其中A、B、C为常数。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据判断数值R是否表示所述秤在所述负载进程随时间的变化中作反向转换得出所述校正值的所述偏差。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于形成校正表达式的所述步骤包括形成增加重量表达式，及形成减少重量表达式。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于用于导出校正值的所述步骤包括将量值R的所述表示与以前的这种表示相比较，当量值R的所述表示大于所述以前的表示时用所述增加重量表达式导出所述校正值，以及当数值R的所述表示小于所述以前的表示时用所述减少重量表达式导出所述校正值。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于用于导出校正值的所述步骤包括将量值R的所述表示与以前的这种表示相比较，当所述比较表示所述负载进程的反向时，确定所述以前表示的所述偏差作为数值WO，以及将所述量值R和所述数值WO应用于所述校正表达式导出所述校正值。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于用于导出校正值的所述步骤包括将量值R的所述表示与以前的这种表示相比较，当所述量值R表示所述负载进程的反向时确定所述以前表示PR的所述偏差作为数值WO，当所述数值R大于所述数据PR时用所述增加重量表达式代入所述数值R和PR导出所述校正值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于用于导出校正值的所述步骤包括当所述量值R小于所述量值PR时用所述减少重量表达式代入所述数值R和PR导出校正值。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述增加重量表达式具有形式A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊(RMAX-R)/(RMAX-RO)其中RMAX是所述量大负载值，A、B和C为常数，RO是对应WO的负载值的所述表示。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述增加重量表达式具有形式A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊(RMAX-R)/(RMAX-RO)-DI＊(RMAX-R)＊(R-RO)/(RMAX-RO)]其中RMAX是所述量大负载值，A、B和C和DI为常数，RO是对应于WO的负载值的所述表示。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述减少重量表达式具有形式A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊R/RO，其中A、B和C为常数，RO是对应于WO的所述负载值的表示。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述减少重量表达式具有形式A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊[R/RO+DD＊R＊(RO-R)/RO]其中A、B和C和DD为常数，RO是对应于WO的负载值的所述表示。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述增加重量表达式具有形式AI＊R+BI＊R2+CI＊R3+WO＊exp(-BIE＊(R-RO))其中AI、BI、CI和BIE为常数，RO是对应于WO的负载值的所述表示。
16.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述减少重量表达式具有形式AD＊R+BD＊R2+CD＊R3+WO＊exp(-BDE＊(R-RO))其中AD、BD、CD和BDE为常数，RO是对应于WO的负载值的所述表示。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于获得负载表示的步骤包括通过导出限制于相应于负载的下一个以前表示的预定允许增量变化的数值滤除接收的所述负载表示，以导出用于导出所述校正值的所述量值R的表示。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于通过利用以下形式的表达式计算进行所述滤波FR＝E＊R+F＊PFR其中E和F为满足关系式E+F＝1.0的常数，FR是负载的滤波表示值，PFR是负载以前的滤波表示值。
19.用于滞后补偿的测量装置，它包含测量机构，用于保存置于所述测量机构上负载的加载进程随时间的变化以及最大与最小负载之间的增加以及减小线性偏移特性的存储装置，用于获得测量机构上负载表示R的装置，响应所述负载表示R、所述存储装置存储的负载进程随时间的变化及选择的所述线性偏移特性、用于导出校正值并将所述校正值与所述负载表示R结合以提供经校正的重量表示、以及用于在所述存储装置中存储由所述负载表示R表示的在所述负载进程随时间的变化过程中的变化的控制装置。
20.如权利要求19所述的测量装置，其特征在于所述控制装置对导出作为所述存储装置保存的选择线性特性的偏移的所述校正值是敏感的。
21.如权利要求19所述的测量装置，其特征在于所述增加和减少线性特性由下列形式的表达式计算A＊R+B＊R2+C＊R3其中A、B和C为常数。
22.如权利要求19所述的测量装置，其特征在于所述存储装置保存的负载进行与时间的关系包括用于与所述负载表示值R比较以判定增加与减少负载进程之间是否存在转换的负载随时间的变化的数据。
23.如权利要求22所述的测量装置，其特征在于所述存储装置保存的负载进程随时间的变化包括下一个以前的负载表示值PR，以及所述控制装置响应于所述负载随时间的变化数据、所述PR值和所述R值，以实现所述转换的判定，以所述转换过程中发生响应从而导出修正负载随时间变化数据并传送给所述存储装置、导出对应于所述PR值的所述线性偏移特性的转折点偏差值WO，并响应于所述数值WO、R和PR以导出所述校正值。
24.如权利要求23所述的测量装置，其特征在于所述存储装置的增加和减少偏移线性特性表现为多次式形式AR+BR2+CR3其中A、B和C为常数。
25.如权利要求23所述的测量装置，其特征在于当所述R值大于所述PR值时所述控制装置按照下列增加重量表达式导出所述校正值A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊(RMAX-R)/(RMAX-RO)其中RMAX最所述最大负载的所述表示值，RO是对应于WO的负载值的所述表示，A、B和C为常数。
26.如权利要求23所述的测量装置，其特征在于当所述R值大于所述PR值时所述控制装置按照下列增加重量表达式导出所述校正值A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊(RMAX-R)/(RMAX-RO)-DI＊(RMAX-R)＊(R-RO)/(RMAX-RO)]其中RMAX和RO分别为所述最大负载和对应于WO的所述表示值，A、B和C和DI为常数。
27.如权利要求23所述的测量装置，其特征在于当所述R值小于所述PR值时，所述控制装置按照下列减少重量表达式导出所述校正值A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊R/RO其中A、B和C为常数，RO是对应于WO的所述负载值的表示。
28.如权利要求23所述的测量装置，其特征在于当所述R值小于所述PR值时，所述控制装置按照下列减少重量表达式导出所述校正值A＊R+B＊R2+C＊R3+WO＊[R/RO-DD＊R＊(RO-R)/RO]其中A、B和C和DD为常数，RO是对应于WO的所述负载值的表示。
29.如权利要求23所述的测量装置，其特征在于当所述R值大于所述PR值时，所述控制装置根据下列形式的增加重量表达式导出所述校正值AI＊R+BI＊R2+CI＊R3+WO＊exp(-BIE＊(R-RO))其中AI、BI、CI和BIE为常数，RO是对应于WO的负载值的所述表示。
30.如权利要求23所述的测量装置，其特征在于当所述R值小于所述PR值时，所述控制装置按照下列形式的减少重量表达式导出所述校正值AD＊R+BD＊R2+CD＊R3+WO＊exp(-BDE＊(R-RO))其中AD、BD、CD和BDE为常数，RO是对应于WO的负载值的所述表示。
31.如权利要求19所述的测量装置，其特征在于所述控制装置响应初始获得的所述负载值R以通过将所述负载表示转换为对应于下一个以前负载表示的预定允许增量变化限定的数值实现其滤波以导出用于导出所述校正值的所述表示R。
32.如权利要求31所述的测量装置，其特征在于由下列形式的表达式实现所述控制装置滤波FR＝E＊R+F＊PFR其中E和F为满足关系式E+F＝1.0的常数，FR是称重机构上所述负载的经滤波的表示，PFR是以前的已滤波负载表示值。
33.用于校正测力装置输出滞后的方法，其步骤包括获得施加于该测力装置的力的表示，导出利用所述力表示的测力装置的滞后状态和所述装置的瞬时经过力施加序列随时间的变化，以及将导出的测力装置的滞后状态与力表示组合以提供施于经补偿滞后效应后的所述测力装置的力的指示。
34.如权利要求33所述的方法，其特征在于导出所述滞后状态的步骤包括将加于所述测力装置的下一以前的所述力表示存储作为以往数据，确定加于所述测力装置的力的所述表示相应于所述存储的下一以前表示的数值关系，以及确定具有基于所述数值关系的校正值的所述滞后状态推导的数学表示。
35.如权利要求33所述的方法，其特征在于导出所述滞后状态的步骤包括确定所述测力装置在最小力值与预定较大力值之间的增加线性特性，确定所述测力装置在所述预定较大力值与所述零力值之间的减小线性特性，以及确定具有处在所述增加线性特性与所述减小线性特性中间的校正值的所述滞后状态推导的数学表示。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于由以下形式的数字表达式确定所述增加和减少线性特性AR+BR2+CR3其中A、B和C为常数。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于所述数学表示包括指数衰减函数。
38.如权利要求35所述的方法包括以下步骤将施加于所述测力装置的力的下一个以前的所述表示PR存储作为以往数据，确定施加于所述测力装置的力的所述表示R相对于所述存储的下一以前表示PR的数值关系，确定具有进一步基于所述数值关系的所述校正值的所述数学表示。
39.用于在测量装置响应负载的测量输出中减小发生在增加和减少类型加载序列内的歧义性的方法，该方法包括下列步骤保留置于所述测量装置上的负载的负载进程随时间的变化作为所述测量输出、所述加载序列类型和其转换、以及所述装置在最大与最小负载之间的增加和减少线性偏移转性，获得当前所述测量输出作为R值，导出基于所述R值、所述负载进程随时间的变化以及选择的所述线性特性的校正值，根据所述校正值大小调节所述R值，和输出所述调节值。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于导出所述校正值作为所述选择的线性特性的偏移。
41.如权利要求39所述的方法，其特征在于所述校正值推导的步骤包括将所述值R与保留作为所述负载进程随时间的变化的下一个以前数值PR比较以导出对应于所述R值的所述加载序列类型。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于获得当前测量输出的所述步骤包括通过将其转换为由对应于所述PR值的预定允许增量变化限定的数值对所述测量输出进行滤波以导出所述当前测量输出R值。
43.如权利要求39所述的方法，其特征在于所述校正值推导包括将所述R值与其下一以前值PR与所述类型加载序列比较以确定是否存在经校正的所述转换的步骤。
44.对发生在以给定负载进程随时间的变化施负载于其上的最小与最大负载之间的滞后效应进行补偿的衡量器包括称重机构，用于存储表示所述称重机构在所述最小与最大负载之间分布的增加和减少线性偏移特性的表达式的装置，用于获得施加于所述称重机构的负载的R值表示的装置，用于将所述R值代入表示与一个所述线性偏移特性表达式相偏离的校正表示式导出校正值的装置，用于根据所述校正值大小调节所述R值的装置，以及用于输出所述调节值的装置。
45.如权利要求44所述的衡量器包含用于存储置于所述称重机构上负载的负载进程随时间变化的装置，并且用于导出所述校正值的所述装置根据所述存储的负载进程随时间的变化导出所述校正值。
46.如权利要求45所述的衡量器包含用于存储在由所述表示R表示的所述负载进程随时间的变化过程中的变化的装置。
47.如权利要求45所述的衡量器，其特征在于所述负载进程随时间的变化包括与所述R值进行比较用于判定增加与减少负载进程之间的转换是否存在的负载的以往数据。
48.如权利要求47所述的衡量器，其特征在于所述存储的负载进程随时间的变化包括负载的下一个以前的表示值PR，以及用于导出校正值的所述装置根据所述负载以往数据、所述PR值和所述R值实现对所述转换的判定，根据所述转换的存在导出用于存储的经修正负载以往数据、导出对应于所述PR值的所述线性偏移特性的转折点偏移值WO，以及依据所述WO、R、PR值导出所述校正值。
全文摘要
一种数字秤通过表征确定滞后误差极限的增加和减少线性特性的包络图而进行滞后补偿。多项式定义这种包络图，并根据与包络图的偏移以及由复杂加载规律表示的合并偏移特征得出校正过程。后面的以往数据用于确定为产生校正值所需的加载进程转换。
文档编号G01G3/14GK1056745SQ9110341
公开日1991年12月4日 申请日期1991年5月16日 优先权日1990年5月16日
发明者尼尔·C·格里芬 申请人:梅特勒-托利多有限公司