稱重傳感器并聯(lián)組秤的偏載調(diào)試技術(shù)

【摘 要】本文分析了電阻應(yīng)變式稱重傳感器并聯(lián)組秤的偏載誤差調(diào)試原理，重點(diǎn)介紹了一些調(diào)整偏載誤差的實(shí)用電路和實(shí)際調(diào)試時(shí)需注意的事項(xiàng)。
【關(guān)鍵詞】 稱重傳感器；并聯(lián)組秤；偏載調(diào)試
一、引言
中、大型電子衡器均由幾個(gè)電阻應(yīng)變式稱重傳感器（以下簡(jiǎn)稱為稱重傳感器）組成，而稱重顯示儀表則僅用一塊。對(duì)于幾個(gè)稱重傳感器組秤的聯(lián)接有二種方式，即串聯(lián)組秤和并聯(lián)組秤。由于電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，單片機(jī)的普及，稱重儀表的輸入靈敏度等性能的極大提高，*了并聯(lián)組秤的技術(shù)要求，所以從上世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)也淘汰了串聯(lián)組秤，普遍采用并聯(lián)組秤方式。
然而由于電子衡器受土建施工和機(jī)械安裝的影響，易造成各個(gè)稱重傳感器受力的不均勻。加之稱重傳感器的制造，雖經(jīng)電路補(bǔ)償與調(diào)整，各項(xiàng)參數(shù)也不可能做到*一致。這樣有可能會(huì)給用多個(gè)稱重傳感器并聯(lián)工作的電子衡器帶來(lái)不能接受的偏載誤差。電子衡器業(yè)內(nèi)周知偏載測(cè)試合格與
否，是電子衡器能否通過檢定，正常使用的關(guān)鍵一項(xiàng)。因此分析稱重傳感器并聯(lián)組秤時(shí)偏載調(diào)試的原理，減小偏載誤差，探討有效合理的調(diào)試方法十分必要。
二、稱重傳感器并聯(lián)電路簡(jiǎn)析
1、一個(gè)稱重傳感器的電路
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。為使多項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到要求，還需逐個(gè)進(jìn)行電路補(bǔ)償與調(diào)整，加一些補(bǔ)償電阻。如圖一所示。
R1、R2、R3、R4 電阻應(yīng)變片 RZT 零點(diǎn)輸出溫度補(bǔ)償電阻
Ri 輸入阻抗補(bǔ)償電阻 RZ 零點(diǎn)輸出補(bǔ)償電阻
RL 線性補(bǔ)償電阻 RO 輸出阻抗補(bǔ)償電阻
RS 靈敏度補(bǔ)償電阻 RST 靈敏度溫度補(bǔ)償電阻
圖一
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 如圖二所示。
圖二
e是稱重傳感器受載后產(chǎn)生的電壓信號(hào)，其大小正比于稱重傳感器的靈敏度系數(shù)K和重量W的大小。RO是稱重傳感器的輸出阻抗。如果在稱重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)稱重傳感器的輸出電壓相等，即U01=U02=U0n。如圖三所示。目前應(yīng)用多的偏載誤差調(diào)整方法就是基于此原理。 1011101.WWRRReU+= 2022202.WWRRReU+=
圖三
2、多個(gè)稱重傳感器并聯(lián)的電路
多個(gè)稱重傳感器并聯(lián)連接電路如圖四所示。多個(gè)稱重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。
圖四
n只稱重傳感器并聯(lián)輸出的等效電路如圖五。ei為第i個(gè)稱重傳感器輸出端開路的輸出電壓。R0i為第i個(gè)稱重傳感器在電壓源短路的輸出電阻。e為n個(gè)稱重傳感器并聯(lián)后的總的輸出電壓。
圖五
圖五并聯(lián)輸出等效電路的節(jié)點(diǎn)電壓方程式為： nnnReReReRRRe002201100201...1...11+++=????????+++
因?yàn)閑i=kiwi 所以ΣΣ===niiniiiiRRwke10101
由上式可以看出，對(duì)于用n個(gè)稱重傳感器并聯(lián)組成的電子衡器，Σ=niiR101必然是一個(gè)確定的常數(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。也就是說(shuō)，只有當(dāng)多個(gè)稱重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iiRK0相等時(shí)，才能保證同一載荷W在電子衡器臺(tái)面不同的位置上，顯示值一致，即無(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是各稱重傳感器的iiRK0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)和輸出阻抗存在一定離散性是不可避免的，加之土建施工、機(jī)械安裝因素，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)解決偏載誤差問題。
三、實(shí)用的調(diào)整電路
圖六
稱重傳感器并聯(lián)組秤時(shí)，常用的偏載誤差調(diào)整的方式如圖六所示。*，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)償修正都是對(duì)稱調(diào)整實(shí)施的。例如靈敏度系數(shù)調(diào)整電阻就是以對(duì)稱形式連接在輸入端的兩邊。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。
上世紀(jì)90年代金鐘公司生產(chǎn)的靜態(tài)電子軌道衡就是采用圖六（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)稱重傳感器得到的激勵(lì)電壓作細(xì)微的調(diào)整，從而改變其靈敏度系數(shù)，以使各稱重傳感器的Ki/Roi比值趨于一致，消除偏載誤差。
圖六（b）為一進(jìn)口稱重設(shè)備上接線盒中的電路。一是在多個(gè)稱重傳感器輸出端串聯(lián)一對(duì)誤差小0.05%的精密電阻（2.5K～5K）。精密電阻阻值遠(yuǎn)大于稱重傳感器的輸出電阻，從而相對(duì)有效地減小稱重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)，供調(diào)整之用。實(shí)質(zhì)上是改變每個(gè)稱重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)，達(dá)到各稱重傳感器的Ki/Roi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（圖六（a））的長(zhǎng)期穩(wěn)定性要好。上二種調(diào)整方式，在調(diào)試時(shí)要注意兩邊對(duì)稱調(diào)整。早期有些調(diào)整電路僅在輸入端單邊串接一只精密電位器，易造成稱重傳感器中點(diǎn)電位的差異，對(duì)輸出零點(diǎn)和稱量精度都會(huì)帶來(lái)影響，這是不提倡使用的。
圖六（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是為了防止電位器Rw短路而設(shè)，精密電阻Rg為隔離電阻，將各稱重傳感器經(jīng)調(diào)整后的電壓隔離開來(lái)，稱重傳感器輸出電壓經(jīng)過各自的隔離電阻，并聯(lián)起來(lái)送至稱重儀表。顯然，通過改變Rw可以使各個(gè)稱重傳感器輸出電壓趨于一致，加之隔離電阻也能起到減小稱重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)的接線如圖七所示（未畫出TVS管）。此法我們?cè)缫娪谏鲜兰o(jì)80年代中托利多公司生產(chǎn)的電子汽車衡中，后被大家接受，廣泛使用。
圖七
可以明顯的看出來(lái)，和近來(lái)有些文章中所給出的電流調(diào)節(jié)方式的電路（《衡器》2010年5期26頁(yè)圖3）相比，雖然電路參數(shù)相同，但其作用效果大不一樣。在不考慮其他并聯(lián)稱重傳感器的影響情況下，畫出二種等效電路，以輸出電阻RO=700Ω的稱重傳感器為例，下面的等效電路圖（右圖）調(diào)節(jié)范圍為：-0.3%～-6.5%，調(diào)整量為6.2%?！逗馄鳌?010年5期第26頁(yè)圖3的等效電路調(diào)節(jié)范圍為：-2.6%～-36.3%，調(diào)整量為33.7%。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)稱重傳感器質(zhì)量普遍提高，尤其是幾個(gè)大廠的，*并聯(lián)組秤的要求。不知設(shè)計(jì)如此之大的調(diào)整量有何用？且一開始會(huì)造成稱重傳感器輸出信號(hào)電壓衰減近3％，真令人難以理解。所以我們認(rèn)為下圖3方式是不妥的，主要是隔離電阻起不到隔離
電阻應(yīng)有的作用。開始我們臆斷，可能是作者粗心把隔離電阻的位置畫錯(cuò)了，或者是印刷有誤。然而我們?cè)谙群蟛煌娜恼拢ㄖ袊?guó)計(jì)量2009-5-91頁(yè)，計(jì)量技術(shù)2009-12-58頁(yè)，衡器2010-5-26頁(yè)）中都看到是同樣的表述，不知作者是否實(shí)際使用過這種調(diào)整方式，我們推測(cè)，如不是特例，下圖3方式是無(wú)法正常工作的。
《衡器》2010-5-26頁(yè) 等效電路
圖3的等效電路
四、實(shí)際調(diào)試時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)
1、選配稱重傳感器
因?yàn)槎鄠€(gè)稱重傳感器的iiRK0比值相等是并聯(lián)組秤的*條件，所以要有意識(shí)的盡量選擇靈敏度系數(shù)Ki和輸出電阻Ro的數(shù)值接近一致的稱重傳感器作為一組，供并聯(lián)組秤用。不要依賴有調(diào)整電路，隨意地取幾個(gè)進(jìn)行組合，這樣有可能會(huì)給偏載調(diào)試帶來(lái)麻煩。
2、檢查稱重傳感器受力情況
在實(shí)際調(diào)試時(shí)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)偏載誤差較大時(shí)，應(yīng)首先檢查和排除因基礎(chǔ)施工和機(jī)械傳力機(jī)構(gòu)安裝不當(dāng)所造成的故障。比如固定稱重傳感器的承重底板的水平和高差是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，各稱重傳感器受力是否正確，找出產(chǎn)生偏載誤差的真正原因，不要輕率地就進(jìn)行調(diào)整，因?yàn)橐话阏{(diào)整電路的可調(diào)范圍不大，這樣往往會(huì)無(wú)功而返，即使能夠調(diào)好也會(huì)留有隱患，尤其是對(duì)于新安裝的秤。
3、接線盒與稱重傳感器匹配的確認(rèn)
要檢查一下接線盒內(nèi)的調(diào)整電路是否與稱重傳感器的輸出電阻相匹配。接線盒（圖六C）是批量生產(chǎn)的通用標(biāo)準(zhǔn)配件，供輸出電阻為350Ω～1000Ω的多種稱重傳感器并聯(lián)組秤時(shí)，偏載調(diào)試用。但對(duì)于輸出電阻為4KΩ的稱重傳感器就不適合了，需重新配置調(diào)整電路中的電阻。另外，接線盒中的多個(gè)電位器在調(diào)試前，應(yīng)注意檢查是否處于中間位置，以便可以向兩個(gè)方向調(diào)整。首先用約等于（Max/N-1）值的穩(wěn)定載荷把N個(gè)承
重點(diǎn)檢測(cè)一遍，記錄下N個(gè)數(shù)據(jù)，然后依照“少數(shù)服從多數(shù)，向中間值靠攏”的原則進(jìn)行調(diào)試，這樣可使N個(gè)數(shù)據(jù)盡快趨于一致，順利完成偏載誤差的調(diào)試檢定工作。
五、結(jié)束語(yǔ)
電子衡器的偏載測(cè)試是檢定工作中至關(guān)重要的一項(xiàng)，在實(shí)際操作中，從業(yè)人員能對(duì)偏載誤差產(chǎn)生的原因作出正確的判斷，明確調(diào)整的原理，掌握行之有效的調(diào)整方法是十分必要的。