《应变式称重传感器的补偿技术》

学年论文

论文题目：应变式称重传感器的补偿技术

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摘要：电阻应变式传感器在实际工程中应用很广，但由于元件材料本身和结构

形式、工艺、应变计性能及黏贴等原因，还会由于温度等产生误差，故本文就上述原因产生的传感器的非线性、温度效应、蠕变、滞后性问题进行了讨论，并总结了目前这些问题常见的解决办法。

Abstract:The resistance strain sensor applies in the actual project very broadly , but as a result of part material itself and reasons and so on structural, craft,strain gauge performance and glue ,but also can have the zero creep as a result of the temperature change to have the error,this article carries on the analysis to its compensation technology.

关键字：应变式称重传感器；补偿技术；非线性误差；温度效应；蠕变效应；

滞后性误差

Keywords: load cell ; compensation technology; nonlinear error ; temperature effect;slow change; delay error 引言：

随着科学技术的不断发展，与电阻应变式称重传感器的性能密切相关的技术取的了突破性进展，传感器技术已在各个领域取得了显著进步，再加上加工工艺、稳定化处理工艺、黏贴工艺、可靠性大大提高。但是，要获得高精确度的传感器，不是一件轻而易举的事，虽然应变计拱桥电压选的适合，黏贴和防潮处理都符号要求，但由于弹性原件材料本身和结构形式、热处理工艺、应变计性能及黏贴等原因，还会由于温度变化而产生零点漂移。因此，为获得较大的测量精度，减小误差对测量结果的影响是电阻应变式传感器在设计过程中必须考虑的一个问题。下面对电阻应变式传感器的几种常见的引起误差的因素进行分析，并给出相应的补偿措施。

一、非线性误差补偿

电阻应变式传感器在实际应用中可等效一个电桥电路，如图1所示。若电桥为非线性，即输出电压不与应变片的应变成正比，其精确度公式为：

U0[Ek(1234)/4](1),为非线性系数。

1R1R2/[R1R2R1R2(R3R4)](R2/R3)BRR。

12AR3R4D 图1：电阻应变式传感器等效电桥电路图

E Io C ＋RLU－o由上式可知，称重传感器的电桥输出和承受的载荷力成非线性关系，所承受的载荷力越大，称重传感器的非线性越明显，误差越大。

在减小非线性误差上，方法主要有以下几种： 1、硬件电路补偿法

在对非线性补偿时常在电路上进行，根据所采用的线性补偿应变计不同，补偿方法有两种：一种是采用半导体应变计的方法，另一种是将线性补偿与灵敏度温度补偿合二为一，共同采用一个镍箔应变计。下面就采用半导体应变计的线性补偿方法进行说明。

在圆柱事或者圆筒式弹性元件的应变区内，沿主轴方向黏贴一或二片半导体应变计。当弹性元件承受轴向载荷时，半导体应变计产生压应力，电阻值减小。因为供桥路的实际桥电压随着半导体应变计电阻的减小而增大，由于桥路的输出电压与实际供桥电压成正比，所以使桥路的输出成线性递增趋势，而该传感器在未进行线性补偿前，其输出都是呈递减趋势。适当选择半导体应变计的电阻值和灵敏系数，再用并联电阻法精确调整其线性补偿特性，使无补偿时与有补偿时两者的输出互补，这样线性补偿后的传感器输出就近似为直线[1]。

2、自适应补偿法

由于称重传感器在额定量程内的非线性误差不同，提出了一种非线性误差自 适应分段补偿方法：在额定量程的上限区，采用基于径向基函数神经网络的补偿网络完成传感器的非线性误差补偿；在下线区，采用数字滤波器完成非线性误差补偿；在中间区，传感器不补偿。同时利用自适应选择网络，完成了分段补偿的选择[2]-[4]。

除了，上述介绍的几种具有代表性的补偿方法外，还有多项式插值法、查表法、神经网络法等软件补偿方法。

二、温度引起的误差及补偿

对于电阻式应变计的温度效应来说，主要由两个因素引起：一、应变合金丝材料的电阻随温度变化而变化；二、被测物体因温度改变而产生附加应力对应变片的输出影响，也引起电阻值的变化[5]。偿 1、温度补偿

称重传感器空载，接入供桥电压输出端便有一定的毫伏输出，零点输出的大小受环境温度影响。引起此项输出主要原因是传感器弹性元件和电阻应变计的敏感栅材料温度系数、线胀系数、组桥引线长度不一致等综合因素。最终导致传感器组成电桥后相邻臂总体温度系数有一定的差异，当温度变化时，相邻臂电阻变化量不同，从而使电桥产生不平衡。

解决方法如下，根据高温和常温试验测得空载情况下的输出电压，将任意一可调电阻接入相应的桥臂中。调整该阻值，使传感器输出电压等于一个计算值。这种方法可直接观察数字电压表数值变化，调整电阻大小，使仪表示值达到计算

[6]

值，则接入电阻亦达到合适值。

上述的调电压的方法接入电阻的方法虽然比较简单，但由于温度变化的不确定性，所以该方法得到的电路还需经常维护和更换电阻值，所以在实际运用中不是很方便，因此，又提出了温度自补偿法。

温度自补偿法是通过调整应变计敏感栅材料的合金成分配比、改变冷轧成型压缩率以及适当的热处理，可以使敏感栅材料的内部晶体结构重新组合，改变其电阻温度系数，从而使应变计的热输出值趋于零，实现对弹性体或试件材料的温

度补偿功能，满足高精度应力分析和传感器生产要求。图2中给出了康铜、卡玛自补偿应变计的典型热输出曲线。在20小[7]。

~250C温度范围内，它们的热输出很

图2 卡玛自补偿应变计的典型热输出曲线图

2、灵敏度温度补偿

灵敏度误差补偿的原理是：由于弹性体的纵谈行系数E随着温度上升而减小；应变计导体材料康铜的应变系数随温度上升而增大，从而造成传感器输出随温度上升而增加，因此，补偿主要利用具有高的电阻温度系数的电阻器串联在传感器桥路的输入端，用电补偿来抵消由于传感器弹性元件的杨氏模量的温度系数，应变计的K的温度系数以及元件的线膨胀系数等原因引起温度对传感器灵敏度的影响。

三、滞后性补偿

滞后是反映传感器在正反行程过程中输出—输入曲线的不重合程度的指标。一般来说，电阻应变式传感器机械滞后的大小应与应变片所承受的应变力有关，加载时的机械应变越大，卸载时的机械滞后就越大。故在这里通过硬件解决较为麻烦，故可通过软件的方法解决。解决的方法是在各种加卸载情况下的特性的分析，总结其规律，建立相应的数学模型，从而通过程序在仪表中对传感器的滞后性进行补偿[8]。 四、蠕变补偿

传感器蠕变是由弹性体产生的正蠕变、应变片和应变胶负蠕变综合影响而形成的。一般来讲，弹性体设计定型后，其蠕变值也大致确定，控制和调整蠕变的传统做法是选用不同蠕变补偿性能的应变片，改变贴片的位置和粘胶固化工艺等方法来实现。这种靠调节制造工艺等方法来调控蠕变，其工艺过程繁复，返工量大且随机性高。现在更多的是通过数字化补偿技术，常见的有以下几种：

1、蠕变跟踪补偿：通过对传统应变式传感器内部性能的研究，结合目前先进的数据采集技术，应用单片机技术实现对传统应变式传感器输出信号进行高性能数字滤波、动态蠕变跟踪，零点漂移跟踪，使原本只能用于低精度场合的应变式传感器的精度大大提高，该方法的处理流程如下：

图3 信号处理流程

2、基于神经网络的补偿法：通过分析双指数曲线衰减补偿法，并在此基础同提出了一种基于BP神经网络的称重传感器的蠕变补偿方法。

结束语

对于一般压力测量可采用桥式电路补偿或自补偿，对于应变较大的半导体应变片的非线性误差可采用对测量值的修正或线性补偿措施。对于精度要求较高的则可采用桥路补偿或者自补偿的同时，在采用压力和温度变送器的基础上，增加A/D转换电路、计算机电路就可以对压力传感器的温度、非线性进行补偿，可以大大提高测量精度，从而很好的补偿误差。

参考文献：

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