CN102353439B - 具有温度补偿功能的数字模块的温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有温度补偿功能的数字模块的温度补偿方法，所述数字模块包括单片机接口电路，与所述单片机接口电路连接的温度测量及参考电压电路，所述温度测量及参考电压电路的接口外接数字温度传感器，所述温度补偿方法包括零点温度补偿和灵敏度温度补偿方法，其特征在于，所述零点补偿采用点斜式公式：AD补偿量＝K(TX-T F标)+AD Z；所述灵敏度补偿采用公式：N输出＝N实测-((N实测-N基准点)×K每公斤+K基准点)×(T实测-T基准点)。

Description

具有温度补偿功能的数字模块的温度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种数字模块，尤其是具有温度补偿功能的数字模块，采用这种数字模块进行温度补偿的方法。

背景技术

称重传感器是一种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置，由于内在的各种影响因素和外部环境条件的影响，其输出特性将会较大地偏离理想的输出特性，为了提高称重传感器的综合性能指标，就必须采取各种补偿措施。

称重传感器有6大补偿，分别是零点补偿、零点温度补偿、灵敏度补偿、灵敏度温度补偿、非线性补偿和输入电阻标准化调整。传统的补偿方法需要十多个元器件，全部由人工测试和焊接，用此方法不仅造成传感器结构上复杂化，而且一般需要在-10℃、20℃和40℃温度等多个温度条件下的交变测试，其测试时间一般为22小时/件，其中对称重传感器的升降温及保温时间约为19小时，由于这一热平衡辅助时间较长，造成整个测试时间长，不仅能量消耗大，而且生产效率低下。

上述为模拟式的称重传感器，目前已有数字式的称重传感器，是在称重传感器的基础上增加数字模块，把模拟电压信号转换成数字信号进行传输，数字传感器可以用软件实现非线性补偿和输入电阻标准化调整，但其他的补偿仍需要采用模拟方式实现，则还存在如上述模拟称重传感器的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有温度补偿功能的数字模块的温度补偿方法，可以自动地对称重传感器进行温度补偿，质量稳定精度高。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种具有温度补偿功能的数字模块的温度补偿方法，所述数字模块包括单片机接口电路，与所述单片机接口电路连接的温度测量及参考电压电路，所述温度测量及参考电压电路的接口外接数字温度传感器，所述温度补偿方法包括零点温度补偿和灵敏度温度补偿方法，其特征在于，所述零点补偿采用点斜式公式：AD_补偿量＝K(T_X-T_F标)+AD_Z；

其中，K是零点温度系数；T_X是当前温度；

是当前温度T _X所处温度段的温度起始值；

所述灵敏度补偿采用公式：N_输出＝N_实测-((N_实测-N_基准点)×K_每公斤+K_基准点)×(T_实测-T_基准点)；其中，N_输出：在当前温度下数字传感器经补偿后输出的重量值；N_实测：在当前温度下数字传感器实测输出值；N_基准点：选定的基准点，在线性标定时选其中的某一点；K_每公斤：每公斤重量对应的温度系数的差；K_基准点：选定的基准点的温度系数；T_实测：当前温度；T_基准点：传感器线性标定时的温度。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用软件自动进行温度补偿，减少了补偿器件，降低了人工，可实现生产自动化，产品的一致性好，质量稳定精度高；采用高度集成化电子元件和多种数字补偿方式，克服了模拟量补偿的随机性误差，消除了人为因素对补偿的影响，大大提高了传感器的综合精度和可靠性；由于采用数字化传输，传感器的信号传输距离大大提高，抗干扰能力明显增强。

附图说明

图1为本发明的数字模块的示意图；

图2为本发明的数字模块的系统框图；

图3为本发明数字模块的单片机接口电路、温度测量及参考电压的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

参见图1和图2，一种具有温度补偿功能的数字模块，包括温度测量及参考电压电路1、AD采样电路2、单片机接口电路3、电源电路4、接口电路5和通讯电路6。

温度测量及参考电压电路1，外接数字温度传感器，如精密数字温度传感器MCP9804。温度测量及参考电压电路1的输出端连接单片机接口电路3，将数字温度传感器采集到的数据传送到单片机接口电路3处理以进行温度补偿。

接口电路5包括三个接口，仿真及烧写接口CN4，用于连接PC和单片机接口电路3，以将生产过程中的程序烧写到单片机接口电路3的单片机；传感器接口CN5，用于连接AD采样电路2和模拟式称重传感器，AD采样电路2将称重传感器采集到的数据传送到单片机接口3处理，AD采样电路2采用的是24位、低功耗、高性能的∑-Δ型模数转换芯片，可以直接输入模拟信号；以及电源及通讯接口CN6，电源电路4通过该接口与外部的电源连接以对数字模块进行供电，通讯电路6的输入端与单片机接口电路3连接，输出端通过该接口连接RS485串行通讯。

参见图3，在本发明的一个优选实施例中，单片机接口电路3的单片机采用PIC18F25K20引脚闪存单片机，温度测量及参考电压电路1具有用于连接温度传感器的四个接口，外接正电源的第一接口P-VCC、外接SDA数据线连接温度传感器的第二接口P-DATA、外接SCL时钟线连接温度传感器的第三接口P-SDA和外接负电源的第四接口P-GND。其中，第一接口P-VCC内接高电平，第二接口P-DATA的内输出端u9out连接第一温度采集电路7的第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接单片机的第一I/O接口T1(即单片机的第23引脚)，该第一电阻R1通过第一电容C1接地；第三接口P-SDA内接单片机的第二I/O接口SDA_1(即单片机的第22引脚)，第四接口P-GND内接地。

温度测量及参考电压电路1还包括第二温度采集电路8和电源电压检测电路9，第二温度采集电路8作为第一温度采集电路7的备用电路，采用TC1047集成温度传感器，将温度转换为电压，其公共接地引脚VSS接地，工作电压引脚VDD连接高电平，输出引脚VOUT连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接单片机的第三I/O接口T2(即单片机的第24引脚)，该第二电阻R2通过第二电容C2接地。电源电压检测电路9，用于检测第二温度采集电路8，包括第三电阻R3，其一端连接高电平，另一端连接单片机的第5引脚，即参考电压端VREF，该第三电阻R3的另一端还通过并联的第四电阻R4和第三电容C3接地。

上述的数字模块嵌入在弹性体里面，弹性体必须可靠接地，以确保数字传感器(数字模块结合称重传感器)使用的安全性和数据的稳定性。该数字模块的的综合精度0.02％F.S(-10～40℃)，使用电压范围：DC6V～15V，优选的为输入12V，工作电流＜6mA。使用的温度范围：-10℃～40℃，补偿温度范围：-40℃～70℃。

本发明的温度补偿是这样实现的：

补偿原理是根据称重传感器本身物理特性与实时采样温度之间的特有关系，建立数学模型，采用二维补偿计算方法对零点、零点温度、灵敏度和灵敏度温度进行补偿，同时采用自动标定技术实现灵敏度补偿、非线性补偿、输入电阻标准化调整。

1、零点温度补偿

数字模块使用时，采集到的温度数据经过单片机处理以进行补偿，采用点斜式公式：AD_补偿量＝K(T_X-T_F标)+AD_Z；

其中，K是零点温度系数(T_X＝10℃，则

)；

T_X是当前温度；

是当前温度T_X所处温度段的温度起始值(如T_X＝10℃，则

取

)；

AD_Z是当前温度T_X所处温度段的AD码起始值(如T_X＝10℃，则AD_Z取AD_Z1)。

在生产过程中，第1步：采用点斜式对数字传感器补偿，标定时需采集8个数据(数字温度传感器温度值4个数据和称重传感器零点AD值4个数据)，见表1：

表1

当烘箱温度达到设定值并保温工艺要求的时间后由PC发指令，数字传感器收到指令后保存当前的弹性体温度和传感器零点AD值，并上传至PC保存。

第2步：取2个温度点验证，见表2

表2

烘箱温度(设定)	-5℃	40℃
			传感器零点AD值(实测)	ADZ验1	ADZ验2
传感器零点AD补偿输出值(计算输出)	ADZ补1	ADZ补2
			F模块温度值即弹性体温度(计算输出)	TF补验1	TF补验2

当烘箱温度达到设定值并保温工艺要求的时间后由PC发指令，数字传感器收到指令后上传表2实测和计算的共6个数据，由PC保存并判定是否合格。

|(AD_Z补2-AD_Z补1)/(T_F补验2-T_F补验1)|≤2.36(总码13.5万，即相当于0.0175％/10℃)，满足以上条件为合格否则为不合格

注：2.36这个值不能固定，后续根据精度的调整而调整，2.36这个值也要保存。

2、线性标定

在生产过程中，需要对数字模块进行线性标定，采用公式Y＝aX²+bX+c，见表3：

表3

除表3的6个参数外其他相关参数的说明：

AD_{零点温补标}：线性标定时的零点温度补偿量(与标定时的温度有关)；

AD_{零点偏差值}：当空载时由于AD芯片、底座等其他综合因素的影响使得AD值偏离零点的值，AD_{零点偏差值}＝AD_t0-AD_{零点温补标}。

加载AD值由数字模块上传到PC或标定表，PC或标定表根据表3中的加载重量和加载AD值计算出标定系数(a，b，c)，然后把a，b，c共3个数据下传到数字模块保存，同时数字模块还要保存计算得出的AD_{零点偏差值}、标定时的温度T_基准点、50％加载点线性化后的数据N_基准点。

系数a，b，c计算方法(由PC或标定表完成)：

t₀，t₁，t₂分别对应公式的Y1，Y2，Y3；

${\mathrm{AD}}_{t00}={\mathrm{AD}}_{t^0}-{\mathrm{AD}}_{t0},$ ${\mathrm{AD}}_{t11}={\mathrm{AD}}_{t^1}-{\mathrm{AD}}_{t0},$ ${\mathrm{AD}}_{t22}={\mathrm{AD}}_{t^2}-{\mathrm{AD}}_{t0},$

AD_t00，AD_t11，AD_t22分别对应公式的X1，X2，X3，把X1，X2，X3和Y1，Y2，Y3代入公式Y＝aX²+bX+c计算出a，b，c。

称重时在线性化之前先对采样到的数据进行预处理然后代入线性化公式计算：

①预处理：

AD_线性化前＝AD_实测-AD_零温补-AD_{零点偏差值}；

AD_实测：称重时模拟电压经AD转换并滤波后的数据；

AD_零温补：当前温度下的零点温度补偿值；

AD_{零点偏差值}：线性化标定时保存的值；

②线性化计算：

把AD_线性化前代入线性化公式Y＝aX²+bX+c的X即可计算出线性化后的数据N_实测，N_实测用于后续的弹模补偿计算。

3、弹模补偿(即灵敏度温度补偿)

数字模块使用时，采集到的温度数据经过单片机处理以进行补偿，采用的公式为：

N_输出＝N_实测-N_补偿

N_输出：在当前温度下数字传感器经补偿后输出的重量值；

N_实测：在当前温度下数字传感器实测输出值；

N_补偿：在当前温度下需补偿的数值；

1)：N_补偿＝ΔN×ΔT

ΔN：实际加载点的温飘系数(温度每变化1℃对应重量的变化量)；

ΔT：当前温度与基准温度的差；

2)：ΔT＝T_实测-T_基准点

T_实测：当前温度；

T_基准点：传感器线性标定时的温度；

3)：ΔN＝(N_实测-N_基准点)×K_每公斤+K_基准点

N_基准点：选定的基准点，在线性标定时选其中的某一点(最好是50％的加载点)；

K_每公斤：每公斤重量对应的温度系数的差(根据弹模实验数据计算后得到)；

K_基准点：选定的基准点的温度系数(根据弹模实验数据计算后得到)；

数字模块使用时，灵敏度温度补偿的综合公式：

N_输出＝N_实测-((N_实测-N_基准点)×K_每公斤+K_基准点)×(T_实测-T_基准点)；

反向求N实测的方法，设T_实测-T_基准点＝ΔT，

则N_实测＝(N_输出-N_基准点×K_每公斤×ΔT+K_基准点×ΔT)/(1-K_每公斤×ΔT)。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种具有温度补偿功能的数字模块的温度补偿方法，所述数字模块包括单片机接口电路(3)，与所述单片机接口电路(3)连接的温度测量及参考电压电路(1)，所述温度测量及参考电压电路(1)的接口外接数字温度传感器，所述温度补偿方法包括零点温度补偿和灵敏度温度补偿方法，其特征在于，所述零点补偿采用点斜式公式：AD_补偿量＝K(T_X-T _F标)+AD_Z； 

其中，K是零点温度系数；T_X是当前温度；T_F标是当前温度T_X所处温度段的温度起始值；AD_Z是当前温度T_X所处温度段的AD码起始值；AD_补偿量是当前温度T_X下采样AD值经过补偿后的输出值； 

所述灵敏度补偿采用公式：N_输出＝N_实测-((N_实测-N_基准点)×K_每公斤+K_基准点)×(T_实测-T_基准点)；其中，N_输出：在当前温度下数字传感器经补偿后输出的重量值；N_实测：在当前温度下数字传感器实测输出值；N_基准点：选定的基准点，在线性标定时选其中的某一点；K_每公斤：每公斤重量对应的温度系数的差；K_基准点：选定的基准点的温度系数；T_实测：当前温度；T_基准点：传感器线性标定时的温度。 

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