傳感器——地磅的“心臟”
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，傳感器以及偏載調(diào)試電路經(jīng)過(guò)了數(shù)次變革，取得了卓越的成就。但是在平常使用過(guò)程中，很多工程師并不是很注重傳感器的計(jì)算選擇，從而造成了很多傳感器錯(cuò)選的現(xiàn)象，導(dǎo)致衡器測(cè)量進(jìn)度降低。而常用的偏載調(diào)整電路，則存在不能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定及不能獨(dú)立采集和在線監(jiān)測(cè)并聯(lián)組秤里面單個(gè)傳感器的承重狀態(tài)的弊端。
想要提高“以傳感器為核心”的信息準(zhǔn)確采集精度，就要知道如何確定傳感器的準(zhǔn)確度，以及提供一種能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定并且能夠獨(dú)立采集單個(gè)傳感器承重狀態(tài)的電路。
如何確定傳感器的準(zhǔn)確度
傳感器的準(zhǔn)確度是一個(gè)綜合概念，需要有一組量值共同構(gòu)成。構(gòu)成準(zhǔn)確度的量值來(lái)自兩個(gè)方面：一方面是按統(tǒng)一性要求由衡器分解而來(lái)的，如安全極限負(fù)荷、最大秤值、最小靜負(fù)荷等，我們稱這組量為基本量；另一方面是來(lái)自傳感器性能，如誤差、分度值等。
基本量的確定基本量的確定方法如下：
（l）測(cè)量范圍：由所組地磅的最大秤量分解(要考慮到最不利的分配因素)而來(lái)。例如，多傳感器地磅的最大秤量與傳感器的測(cè)量范圍相等一臺(tái)地磅中用了多個(gè)傳感器，那么由各傳感器測(cè)量范圍合成為衡器的最大秤量。
（2）安全極限載荷：考慮到衡器受到?jīng)_擊、振動(dòng)、不均分配等過(guò)載因素后所需的最大承載值。通常，非自動(dòng)衡器用傳感器的安全極限載荷是最大測(cè)量范圍的 1.6~2 倍，自動(dòng)衡器用傳感器的安全極限載荷是最大測(cè)量范圍的 1.25~1.6 倍，即安全系數(shù)。有時(shí)，安全極限載荷不便確定，則可先確定測(cè)量范圍，再乘以安全系數(shù)得到該值。
（3）最小靜負(fù)荷：每一種稱重傳感器都有其較具體的應(yīng)用領(lǐng)域，傳感器的最小靜負(fù)荷與衡器零點(diǎn)是同一概念，因此可由該類衡器中承載器的最小可能值計(jì)算最小靜負(fù)荷。
（4）最大秤量：最大測(cè)量范圍與最小靜負(fù)荷之和。有了以上四個(gè)基本量,可以對(duì)傳感器進(jìn)行初步的選擇。
初步選擇傳感器之后，則要檢測(cè)傳感器準(zhǔn)確度，以檢驗(yàn)所選用的傳感器是否滿足準(zhǔn)確度要求。準(zhǔn)確度的確定（1）按 R60 國(guó)際建議做全部試驗(yàn)操作。
（2）用常溫測(cè)量的最小靜負(fù)荷點(diǎn)進(jìn)程測(cè)量平均值，最大測(cè)量范圍 75%左右點(diǎn)的測(cè)量均值為參考點(diǎn)作出計(jì)算偏差的參考直線。
（3）在最小靜負(fù)荷點(diǎn)及其最近測(cè)試點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)中選最大偏差，將其除以 0.35 得到 V1 值；選最大秤量點(diǎn)全部數(shù)據(jù)中的最大偏差并除以 1.05 得 V2；選最大測(cè)量范圍 1/2 點(diǎn)全部數(shù)據(jù)中的最大偏差并除以 0.7 得 V3(若預(yù)計(jì)分度數(shù)大于 4000，則除以 1.05)；最后在 V1、V2、V3 中選最大值作為分度值的預(yù)選值，記為 V。
（4）用最大秤量與最小靜負(fù)荷的差值除 V，得到分度數(shù) n 的預(yù)選值，記為 n。用 n將測(cè)量范圍分段，若此時(shí)其他各測(cè)量數(shù)據(jù)均符合允差要求，則 n=n，否則應(yīng)根據(jù)超差點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算壓縮比 k（k<1），得到 n=km。
選定傳感器
監(jiān)測(cè)傳感器準(zhǔn)確度是否符合要求，如符合要求則確定使用，如果不符合要求則重新選用，重復(fù)以上步驟。
傳感器電路
現(xiàn)在最為常用的稱重傳感器是電阻應(yīng)變式稱重，下文便以該傳感器為例，介紹傳感器電路。單個(gè)電阻應(yīng)變式稱重傳感器的電路電阻應(yīng)變式稱重傳感器是在彈性體上按照一定的規(guī)律粘貼電阻應(yīng)變片且接成電橋電路形式。
為了滿足多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到要求，就需加一些補(bǔ)償電阻。
根據(jù)戴維定理，一只稱重傳感器的電路可以等效為一個(gè)電壓源和與其輸出阻抗串聯(lián)的電路。 e 是傳感器受載后產(chǎn)生的電壓信號(hào)，其大小正比于傳感器的靈敏度系數(shù) k 和重量 W 的大小。
R0 是傳感器的輸出阻抗。如果在傳感器輸出端并接一個(gè)可調(diào)電位器 Rw，加以調(diào)整，則可使多個(gè)傳感器的輸出電壓相等，即U01=U02=U0n。目前應(yīng)用最多的偏載誤差調(diào)整方法就是基于此原理。
多個(gè)傳感器并聯(lián)的電路
多個(gè)傳感器的輸入端并聯(lián)，由稱重儀表里的直流穩(wěn)壓電源供電作為橋壓，輸出端也并聯(lián)，輸出信號(hào)電壓至稱重儀表。
n 只傳感器并聯(lián)輸出的等效電路，ei 為第 i 個(gè)傳感器輸出端開(kāi)路的輸出電壓，Roi 為第 i 個(gè)傳感器在電壓源短路的輸出電阻，e 為 n 個(gè)傳感器并聯(lián)后的總的輸出電壓。
并聯(lián)輸出等效電路的節(jié)點(diǎn)電壓方程式為：
因?yàn)?ei=kiwi 所以
由上式可得，對(duì)于用 n 個(gè)傳感器并聯(lián)組成的電子衡器，
是一個(gè)確定的系數(shù)，它不會(huì)給電子衡器造成偏載誤差。而 Ki 和 R0i 的分散性卻會(huì)直接影響 e 和 w 成正比的關(guān)系。因此，只有當(dāng)多個(gè)傳感器的靈敏度系數(shù) Ki 和輸出阻抗 R0i 都相等，或者它們的比值
相等時(shí)，才能保證無(wú)偏載誤差。顯然多個(gè)稱重傳感器并聯(lián)組秤所必須具備的條件，就是各傳感器的比值一致。
但由于大批量生產(chǎn)制造出來(lái)的同一系列同規(guī)格稱重傳感器的靈敏度系數(shù)和輸出阻抗不可避免地存在一定離散性，所以多個(gè)稱重傳感器并聯(lián)組秤都需要設(shè)置接線調(diào)整盒來(lái)解決便在誤差問(wèn)題。
現(xiàn)在實(shí)用的調(diào)整電路
稱重傳感器并聯(lián)組秤時(shí)，常用的偏載誤差調(diào)整的方式如圖 1 所示。
稱重傳感器生產(chǎn)制造時(shí)對(duì)各種技術(shù)參數(shù)的補(bǔ)償修正是對(duì)稱調(diào)整實(shí)施，所謂電壓調(diào)節(jié)方式，實(shí)質(zhì)上是微調(diào)其靈敏度系數(shù)，故也應(yīng)該以對(duì)稱形式出現(xiàn)在輸入端。
圖 1(a)方式，是在多個(gè)稱重傳感器輸入端各串接一對(duì)精密電位器(Rw=20Ω)，對(duì)多個(gè)傳感器得到的激勵(lì)電壓作細(xì)微的調(diào)整，從而改變其靈敏度系數(shù)，以使各傳感器的比值
趨于一致，消除偏載誤差。圖 1(b)是在多個(gè)稱重傳感器輸出端串聯(lián)一對(duì)誤差小 0.05% （2.5K~5K）阻值遠(yuǎn)大于傳感器的輸出電阻，從而相對(duì)有效地減小傳感器輸出電阻的離散程度。二是在輸入端兩邊對(duì)稱的串接三個(gè)小阻值的精密電阻，每個(gè)電阻有短接焊點(diǎn)，來(lái)改變每個(gè)傳感器所得到的激勵(lì)電壓值的大小，微調(diào)其靈敏度系數(shù)，使各傳感器的比值
一致。實(shí)際使用情況表明，這種調(diào)整方法相對(duì)比用電位器（圖 1(a)）的長(zhǎng)期穩(wěn)定性要好。圖 1(c)是多個(gè)稱重傳感器并聯(lián)組秤普遍采用的一種調(diào)整電路。電阻 R 可以防止電位器 Rw 短
路；精密電阻 Rg 為隔離電阻，將各傳感器經(jīng)調(diào)整后的電壓隔離開(kāi)來(lái)；傳感器輸出電壓經(jīng)過(guò)各自的隔離電阻，并聯(lián)起來(lái)送至稱重儀表。顯然，通過(guò)改變 Rw 可以使各個(gè)傳感器輸出電壓趨于一致，加之隔離電阻也能起到減小傳感器輸出電阻離散程度的作用，這樣有效的消除了偏載誤差。實(shí)際使用時(shí)的接線如圖 2 所示（未畫(huà)出 TVS 管）。
偏載調(diào)整監(jiān)測(cè)電路
基于以上分析，本文提出一種偏載調(diào)試調(diào)整監(jiān)測(cè)電路，既能夠達(dá)到信號(hào)長(zhǎng)期穩(wěn)定的效果，還能夠?qū)蝹€(gè)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如圖 3 所示。
（1）在這個(gè)電路中，借鑒圖 1（b）和圖 2 兩種方案，在輸出端并聯(lián)五個(gè)串接的電阻，每個(gè)電阻有短接焊點(diǎn)，可供調(diào)整，改善了圖 2 方案中，因電位器而引起的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差的弊端。
（2）采用“信號(hào)分離器”
隨著計(jì)量設(shè)備智能診斷技術(shù)的發(fā)展，傳感器輸出信號(hào)并聯(lián)方法無(wú)法獨(dú)立采集，限制了智能測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用。僅靠人工經(jīng)驗(yàn)，不僅在線管理難度大、成本高，而且無(wú)法及時(shí)掌控設(shè)備的工作狀態(tài)。
圖中“信號(hào)分離器”不但能夠?qū)崿F(xiàn)將輸出端并聯(lián)的作用；而且還能夠分離各個(gè)傳感器的輸出信號(hào)。
隨后采用稱重傳感器累計(jì)量校準(zhǔn)方法來(lái)判斷稱重傳感器在線狀態(tài)，判斷出稱重傳感器的稱重累計(jì)量誤差趨勢(shì)，從而判斷出誤差的部位和所在傳感器系統(tǒng)，達(dá)到監(jiān)測(cè)的目的。
最后由監(jiān)測(cè)所得結(jié)果，對(duì)稱重系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)，提高稱重系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。
掌握傳感器準(zhǔn)確度確定的方法，能夠使得設(shè)計(jì)工程師選擇合適的傳感器。全新的偏載調(diào)試監(jiān)測(cè)電路可以提高傳感器的檢測(cè)精度，并且能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷故障部位，從而進(jìn)行修復(fù)。整個(gè)過(guò)程，以傳感器為核心，可以有效減小傳感器測(cè)量誤差，提高衡器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。
