CN116295766A - 一种质量比较仪偏载识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种质量比较仪偏载识别方法及系统，通过以下方式进行识别：对每个称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理，并判断归一化处理的值是否在对应称重传感器的归一化后的最大输出值和最小输出值范围之内；本发明在砝码检定过程中自动识别砝码放置位置，如果砝码放置位置偏载较大，提示检定人员偏载误差较大，能够解决质量比较仪在实际使用时偏载误差较大的问题。
Description
技术领域
本发明属于质量计量领域，特别是一种质量比较仪使用时的偏载识别方法及系统。
背景技术
质量比较仪是质量计量中的一种重要的计量器具，主要用于质量的量值传递。其主要溯源原理为：将标准砝码和被检砝码放置于质量比较仪上，得出被检砝码与标准砝码的差值，由已知标准砝码的质量，便可得出被测砝码的值。
用于大质量的砝码量值传递的质量比较仪一般为多称重传感器结构。其一般为三只或者四只应变式称重传感器组成的质量比较仪，多只传感器就会引入偏载误差。
偏载误差影响会影响质量比较仪的称重结果的准确度。主要是由于多路称重传感器的灵敏度的分散性、承载器的刚度与强度以及质量比较仪加工、安装产生的内应力、机械变形及尺寸误差等因素影响，导致砝码放置质量比较仪的不同位置会有不同的称重结果，即偏载误差。由于在检定过程中被检砝码和标准砝码很难放置于质量比较仪秤体得同一位置，因此，如果有较大得偏载误差就会导致检定误差不准确，影响量值溯源。
传统多传感器称重结构一般采用模拟接线盒的形式，通过调节接线盒上每个称重传感器对应的电位器来调节角差，但是采用这种方式需要调节人员有较强的实际操作经验，并且需要反复调试，费时费力，而且也只能在质量比较仪中心小范围内解决偏载误差的问题。但是在实际使用时，检定人员放置被检砝码和标准砝码时很难保证放置在质量比较仪秤体得中心位置，因此在实际使用时偏载误差较大会影响称量结果的准确度。
基于以上原因很多大质量比较仪在现实应用的过程中使用效果并不理想，偏载误差较大，难以满足使用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种质量比较仪使用时的偏载识别方法及系统，以解决质量比较仪在实际使用时偏载误差较大的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种质量比较仪偏载识别方法，包括以下步骤：通过以下方式进行识别：
对每个称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理，并判断归一化处理的值是否在对应称重传感器的归一化后的最大输出值和最小输出值范围之内；
其中称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理过程为：
其中P i为第i个称重传感器输出模数转换的AD值F i的归一化后的值，k i为第i个称重传感器的角差系数；M为质量比较仪稳定后显示的砝码质量；
其中，称重传感器的系数通过最小二乘法解以下超正定方程组式获得：
其中W为秤台上放置砝码的重量，m为放置次数，n为称重传感器的数量，f ji则为第j次放置砝码后，第i个称重传感器模数转换后输出AD值。
一种质量比较仪偏载识别系统，包括以下步骤：设有偏载识别模块和报警模块；
所述数据采集模块，用于采集质量比较仪稳定后显示的砝码质量，每个称重传感器输出模数转换的AD值；
所述偏载识别模块通过以下方式对砝码是否放置在称重区域内进行识别：
对每个称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理，并判断归一化处理的值是否在对应称重传感器的归一化后的最大输出值和最小输出值范围之内；
其中称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理过程为：
其中P i为第i个称重传感器输出模数转换的AD值F i的归一化后的值，k i为第i个称重传感器的角差系数；M为质量比较仪稳定后显示的砝码质量；
其中，称重传感器的系数通过最小二乘法解以下超正定方程组式获得：
其中W为秤台上放置砝码的重量，m为放置次数，n为称重传感器的数量，f ji则为第j次放置砝码后，第i个称重传感器模数转换后输出AD值；
当识别出砝码未放置在称重区域内时，报警模块进行报警提示。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
本发明提供的一种质量比较仪使用时偏载识别方法，在砝码检定过程中自动识别砝码放置位置，如果砝码放置位置偏载较大，提示检定人员偏载误差较大，避免影响检定结果。
附图说明
图1为传感器数据融合算法区域划定示意图。
图2为质量比较仪偏载识别系统实物图。
图3（a）为砝码正常放置于中心位置，（b）为对应的显示数值图。
图4（a）砝码放置偏载较大位置，（b）为对应的报警提示图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
本发明的一种质量比较仪偏载识别方法，包括以下步骤：
步骤1：区域划定。即划定质量比较仪秤台的称重区域，在此区域内偏载误差满足称重要求，超出此区域则偏载误差不能满足要求。此步骤只需要在质量比较仪首次安装或者质量比较仪移动位置后进行。
步骤1.1确定每个称重传感器的角差系数。质量比较仪在首次安装或者移动位置后必须要重新确定每个称重传感器的角差系数。本发明专利采用将每个传感器分别进行模数转换，通过求解超正定方程组的方式来确定角差系数。
首先以一定重量的砝码放置在秤台不同位置，在放置砝码时用相同重量的砝码，且尽量砝码重心在秤体在中心范围内放置，如图1圆点为每次放置砝码的重心位置。
设放置次数为m，称重传感器的数量为n，放置砝码的重量为W，n个称重传感器的系数为k 1,k 2,…,k i,…,k n,f为放置砝码稳定后称重传感器模数转换后输出值，例如f ji则为第j次放置砝码后，第i个称重传感器模数转换后输出AD值，1≤i≤n，1≤j≤m。根据每次加载可得方程组：
转换为矩阵表达式为：
式中m＞n，建议m≥3n。
然后通过最小二乘法解超正定方程组式（2），便可求出每个称重传感器的系数k 1,k 2,…,k i,…,k n。
步骤1.2 确定称重区域。
基本思路：根据步骤1.1中求解称重传感器角差时砝码的放置位置来确定称重区域，在砝码放置范围内划定为称重区域，超出此范围的则认为数据的偏载误差较大。
如图1所示，以四个称重传感器（n=4）质量比较仪为例，即确定A、B、C、D四个点的位置。首先，将式（2）中称重传感器模数转换输出AD值矩阵拆分为式（3）：
则式（2）中列的值为同一个称重传感器在砝码放置不同位置时的输出得AD值，然后求每列的最大值和最小值：
其中f imax为第i号称重传感器在步骤1.1中砝码放置不同位置时的最大输出值；
其中f imin为第i号称重传感器在步骤1.1中砝码放置不同位置时的最小输出值；
根据式（4）求得图1中的f 1max，f 1min，f 2max，f 2min，f 3max，f 3min，f 4max，f 4min的值，在步骤1.1中砝码放置在A点时，放置位置距离称重传感器1最近，距离称重传感器3最远，因此称重传感器1输出最大值，称重传感器3输出最小值。便可得f 1max和f 3min。同理，在步骤1.1中砝码放置在B点时，可得f 2max和f 4min；C点时f 3max和f 1min；D点时f 4max和f 2min。由此便可以根据称重传感器的输出极值确定称重区域（图中ABCD组成的区域）。
然后将求得称重传感器的最大输出值和最小输出值进行归一化处理。
其中p imax为f imax归一化后的值；
其中p imin为f imin归一化后的值；
根据p imax和p imin可以判断出第i个称重传感器的归一化最大值和最小值。在正常使用放置砝码时，如果第i个称重传感器的归一化值P i满足
，则说明没有发生偏载，如果超出此范围则说明发生了较大偏载，需要进行提示报警。
步骤2 偏载识别
由图1可以看出，当砝码放置于称重区域内时，其各个称重传感器归一化后的值应该是大于步骤1.2中求出的归一化最小值，小于归一化后的最大值。
当质量比较仪使用时，砝码放置于质量比较仪秤台上，质量比较仪稳定后显示砝码质量为M，质量比较仪稳定后每个称重传感器输出模数转换的AD值为（F 1，F 2，…,F i ，… F n）。则对每个称重传感器输出值进行归一化处理：
根据式（6）可求得图1中的P 1，P 2，P 3，P 4。
判断P i的值是否在[p imin,p imax]之间，如果p imin≤P i≤p imax，则认为砝码放置在称重区域内；如果P i＜p imin或者P i＞p imax则认为砝码放置超出划定的称重区域，容易引发较大的偏载误差，仪表发出报警提示，完成整个偏载识别过程。
本发明基于上述的方法，设置了一种质量比较仪偏载识别系统，该识别系统设有数据采集模块、偏载识别模块和报警模块，所述数据采集模块，用于采集质量比较仪稳定后显示的砝码质量，每个称重传感器输出模数转换的AD值；所述偏载识别模块基于上述步骤2的算法对砝码是否放置在称重区域内进行识别，此处不再赘述。当识别出砝码未放置在称重区域内时，报警模块进行报警提示。
实施例1
为了验证算法的可行性，使用自主研发的大质量比较仪作为试验平台。大质量比较仪硬件图如图2所示，大质量比较仪采用四只称重传感器结构。
首先确定每个称重传感器的角差系数，采用1t的砝码放置在秤台不同位置，即（W=1t）。放置次数m=15，称重传感器个数n=4。各个位置输出的AD值如下表所示。
通过以上数据，根据式2求解超正定方程组得出各个称重传感器的角差系数。
k 1=0.14193005859
k 2=0.13988704979
k 3=0.13975673913
k 4=0.13981688022
根据式4求得：
f 1max=1862127，f 1min=1313566
f 2max=2263848，f 2min=1654663
f 3max=1870659，f 3min=1348181
f 4max=2309755，f 4min=1471109
然后根据式5得：
p 1max=0.264291793，p 1min=0.186434993
p 2max=0.316683024，p 2min=0.231465925
p 3max=0.261437207，p 3min=0.188417380
p 4max=0.322942734，p 4min=0.205685871
质量比较仪使用过程中，当砝码加载完毕，显示数值稳定之后，得到M值，通过式（6），求P 1，P 2，P 3，P 4，通过判断
，/>
，/>
，
便可得出是否发生偏载。
采用1t砝码放置于质量比较仪不同位置，验证上述算法对偏载识别，如图3、图4所示，图3（a）砝码正常放置于中心位置，图3（b）砝码正常放置在中心位置时显示数值正常。图4（a）砝码放置于砝码放置偏载较大位置，图4（b）偏载较大时仪表报警提示。
Claims (5)
1.一种质量比较仪偏载识别方法，其特征在于，包括以下步骤：通过以下方式进行识别：
对每个称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理，并判断归一化处理的值是否在对应称重传感器的归一化后的最大输出值和最小输出值范围之内；
其中称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理过程为：
其中P i为第i个称重传感器输出模数转换的AD值F i的归一化后的值，k i为第i个称重传感器的角差系数；M为质量比较仪稳定后显示的砝码质量；
其中，称重传感器的系数通过最小二乘法解以下超正定方程组式获得：
其中W为秤台上放置砝码的重量，m为放置次数，n为称重传感器的数量，f ji则为第j次放置砝码后，第i个称重传感器模数转换后输出AD值。
2.根据权利要求1所述的质量比较仪偏载识别方法，其特征在于，称重传感器的归一化后的最大输出值和最小输出值范围，通过以下方式获取：
其中p imax为f imax归一化后的最大输出值；p imin为f imin归一化后的最小输出值；f imax为第i号称重传感器在砝码放置不同位置时的最大输出值，f imin为第i号称重传感器在砝码放置不同位置时的最小输出值。
3.根据权利要求2所述的质量比较仪偏载识别方法，其特征在于，其中
4.根据权利要求3所述的质量比较仪偏载识别方法，其特征在于，用于确定称重区域，采用在确定每个称重传感器的角差系数时称重传感器输出的最大归一化值和最小归一化值作为称重区域的边界。
5.一种质量比较仪偏载识别系统，其特征在于，包括以下步骤：设有偏载识别模块和报警模块；
所述数据采集模块，用于采集质量比较仪稳定后显示的砝码质量，每个称重传感器输出模数转换的AD值；
所述偏载识别模块通过以下方式对砝码是否放置在称重区域内进行识别：
对每个称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理，并判断归一化处理的值是否在对应称重传感器的归一化后的最大输出值和最小输出值范围之内；
其中称重传感器输出模数转换的AD值进行归一化处理过程为：
其中P i为第i个称重传感器输出模数转换的AD值F i的归一化后的值，k i为第i个称重传感器的角差系数；M为质量比较仪稳定后显示的砝码质量；
其中，称重传感器的系数通过最小二乘法解以下超正定方程组式获得：
其中W为秤台上放置砝码的重量，m为放置次数，n为称重传感器的数量，f ji则为第j次放置砝码后，第i个称重传感器模数转换后输出AD值；
当识别出砝码未放置在称重区域内时，报警模块进行报警提示。
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