CN117760536A - 一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及称重传感器技术领域，尤其涉及一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，包括如下步骤：高精度称重传感器通电并将产生的电压持续传输给电压放大模块，电压放大模块将电压放大后传输给AD模块，AD模块将电压转化成数字量传输给微处理器；微处理器计算电压变化率的变化率再判断其是否在接近于零的固定阈值范围内，若在接近于零的固定阈值范围内，则判断高精度称重传感器为蠕变状态，若不在接近于零的固定阈值范围内，则将差值补偿在本次测得的电压值上并转化成真实压力值显示在高精度称重传感器显示屏上。本发明提供的方法避免了给高精度传感器加上微小载荷被判定成蠕变的情况，增加了判断蠕变状态的普适性和准确性。

Description

一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法

技术领域

本发明涉及称重传感器技术领域，尤其涉及一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法。

背景技术

在一个测量系统中，称重传感器的测量范围可以等分成传感器能够准确测量的多个最小分度，同时根据传感器的综合性能可以把称重传感器分成A、B、C、D四个准度等级。其中高精度称重传感器是准确等级为高准度级、最大检定分度值也很高的A类称重传感器，它具有准确度高、灵敏度高等优点。蠕变是一个重要的检测称重传感器性能的指标，它描述了在保持应力不变的情况下，固体材料的应变随着时间延长而逐渐增加的现象。对于高精度称重传感器来说它的蠕变误差带来的误差影响也会更大。所以说对高精度称重传感器的蠕变补偿的要求会更高，而对其硬件补偿的方法效果不会很显著。对其进行数字量蠕变补偿来说区别蠕变状态和非蠕变状态非常困难，从而使得高精度传感器的蠕变补偿会变得异常艰难。现有的蠕变误差的模糊补偿方法，通过模糊识别中的最大隶属原则来判断是非蠕变段还是蠕变段，但是该方法中的隶属函数是根据行业内随机抽样调查得到的，由于样本可能不完全代表整个行业，采样可能会存在偏差，导致结果不准确，当给传感器上加微小的载荷时会把它判断成蠕变状态，而对于高精度称重传感器的蠕变补偿来说对蠕变状态判断的准确性要求会更高，如果蠕变状态判断错误将会对高精度称重传感器的测量精度产生较大影响。

目前对于高精度传感器的蠕变补偿还有硬件补偿、通过建立数学模型进行补偿等补偿方法。对于硬件补偿来说，对传感器上的应变计制作工艺要求很高而且硬件补偿只能适用于常温下的蠕变补偿，对于低温和高温的补偿效果不理想。通过建立数学模型进行补偿则需要连接计算机成本高且不具有实时性和广泛性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法能够准确判断高精度称重传感器是否处于蠕变状态，然后对高精度称重传感器测量值进行补偿，避免了给高精度传感器加上微小载荷会被判定成蠕变的情况，增加了判断蠕变状态的普适性和准确性。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，其包括如下步骤：

S1：高精度称重传感器通电并将应变计产生的电压持续传输给电压放大模块，电压放大模块将电压放大后传输给AD模块，AD模块将电压模拟量转化成数字量传输给微处理器；

S2：微处理器记录接收的电压信息，并计算电压变化率，然后再进一步计算电压变化率的变化率；

S3：微处理器判断电压变化率的变化率是否在接近于零的固定阈值范围内，若电压变化率的变化率在接近于零的固定阈值范围内，则判断高精度称重传感器为蠕变状态，返回步骤S1继续检测，直至电压变化率的变化率不在接近于零的固定阈值范围内，判断高精度称重传感器为非蠕变状态而进入下一步骤；

S4：微处理器将前一次测得的电压值与第一次测得的电压值的差值作为已完成蠕变值从本次测得的电压值上剔除，得到本次测量的真实电压值，然后再将本次测量的真实电压值转化成真实压力值显示在高精度称重传感器显示屏上。

进一步，步骤S2中按照式（1）计算电压变化率，按照式（2）计算电压变化率的变化率：

（1）；

（2）；

其中：为测试的次数的序号，/>为电压变化率的序号，/>为电压变化率的变化率的序号，/>为微处理器接收到的第/>个电压值，/>为第/>个电压变化率，/>为第/>电压变化率的变化率。

优化的，步骤S3中接近于零的固定阈值范围为。

进一步，步骤S4中本次测量的真实电压值按照式（3）进行计算：

（3）；

其中：为本次测量的真实电压值，/>为微处理器接收到的第/>个电压值，/>为第一次测量的电压值。

发明的有益效果：

本发明通过对高精度称重传感器计算电压变化率的变化率，判断电压变化率的变化率是否在一个接近于零的固定阈值范围内，从而对蠕变状态进行判断，不需要通过根据不同的高精度称重传感器的类型提前设置不同阈值或者设置不同的函数，即能准确判断高精度称重传感器是否处于蠕变状态，然后对高精度称重传感器测量值进行补偿，避免了给高精度传感器加上微小载荷会被判定成蠕变的情况，增加了判断蠕变状态的普适性和准确性。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

图2是本发明系统示意图。

图3是本发明电压变化曲线的示意图。

图中：1.应变计，2.电压放大模块，3.AD模块，4.微处理器，5.高精度称重传感器显示屏。

具体实施方式

一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，流程图如图1所示，系统图如图2所示，具体包括如下步骤：

S1：高精度称重传感器通电并将应变计1产生的电压持续传输给电压放大模块2，2电压放大模块将电压放大后传输给AD模块3，AD模块将电压模拟量转化成数字量传输给微处理器4；

高精度称重传感器应变计中的桥式电路由于载荷发生变化，从而电阻变化破坏电桥平衡产生电压，产生的电压与高精度称重传感器受到的压力之间有着一定的关系。产生的电压可以通过电压放大模块放大后然后经过AD模块把电压转换为数字量，然后传到微处理器上，微处理器根据产生的电压与高精度称重传感器受到的压力之间的关系将电压值转换成压力值显示在高精度称重传感器显示屏上。

S2：微处理器记录接收的电压信息，并计算电压变化率，然后再进一步计算电压变化率的变化率；

S3：微处理器判断电压变化率的变化率是否在接近于零的固定阈值范围内，若电压变化率的变化率在接近于零的固定阈值范围内，则判断高精度称重传感器为蠕变状态，返回步骤S1继续检测，直至电压变化率的变化率不在接近于零的固定阈值范围内，判断高精度称重传感器为非蠕变状态而进入下一步骤；

S4：微处理器将前一次测得的电压值与第一次测得的电压值的差值作为已完成蠕变值从本次测得的电压值上剔除，得到本次测量的真实电压值，然后再将本次测量的真实电压值转化成真实压力值显示在高精度称重传感器显示屏5上。

本发明提供的一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，摒弃了传统的根据不同称重传感器的类型先提前设置不同的阈值或者函数，然后计算出补偿值进行补偿的方式，本发明每次检测先对蠕变状态进行判断，而且对蠕变状态进行判断时，直接根据电压变化率的变化率是否在无限接近于零的固定阈值范围内，从而判断高精度称重传感器是否为蠕变状态，直至高精度称重传感器为非蠕变状态计算出补偿值再对非蠕变状态的测量值进行补偿，其无需根据每种称重传感器的类型先提前设置不同的阈值或者函数，避免了对于给高精度传感器加上微小载荷会被判定成蠕变的情况，增加了判断蠕变状态的普适性和准确性，保证了高精度称重传感器最终测量结果的准确性，可适用于各种称重传感器。

进一步，步骤S2中按照式（1）计算电压变化率，按照式（2）计算电压变化率的变化率：

（1）；

（2）；

其中：为测试的次数的序号，/>为电压变化率的序号，/>为电压变化率的变化率的序号，/>为微处理器接收到的第/>个电压值，/>为第/>个电压变化率，/>为第/>电压变化率的变化率。

采用上述方法计算出电压变化率的变化率，然后再判断其是否无限接近于零，就可以判断出高精度称重传感器是否处于蠕变状态，相对于传统的根据不同称重传感器的类型先提前设置不同的阈值或者函数，然后计算出补偿值进行补偿的方式，方法更加简单实用，适用性更强，能够适用于多种类型的称重传感器，尤其是高精度称重传感器。

优化的，步骤S3中接近于零的固定阈值范围为。

进一步，步骤S4中本次测量的真实电压值按照式（3）进行计算：

（3）；

其中：为本次测量的真实电压值，/>为微处理器接收到的第/>个电压值，/>为第一次测量的电压值。

按照上述方式对测量值进行补偿，可以使测量值去除蠕变带来的影响，又可以避免给高精度称重传感器加上微小载荷会被判定成蠕变的情况，既增加了判断蠕变态的普适性和准确性，又使测得的测量值更加精准，能够适用于高精度传感器。

具体验证方法如下：

设定一个场景，使用一款称重传感器检测重物，设检测的时间间隔为0.01秒。

首先施加=100千克的重物，称重传感器显示屏上会实时的显示压力值的变化，直到压力趋于恒定，即电压变化曲线最后水平，而在微处理器部分，会得到一条电压值的变化曲线。

在此基础上继续施加=50千克的重物,这时称重传感器由于重物的增加，所输出的电压模拟量会继续增加，从而在之前的基础上会产生新的电压变化曲线。

到此，前两次施加的重物重量较大,所以电压的变化曲线中哪一段是蠕变造成的能够清楚判断。第一种方法利用电压变化率的值来判断，另一种方法则是利用电压变化率的变化率来判断。

第一种方式设定电压变化率阈值为,第二种方式设定电压变化率的变化率为阈值为/>。在加完前两次载荷之后，根据两种方式都能准确的判断电压值的变化的原因。

之后再进行第三次加载，此次所加的重物重量为=1千克，对于能检测100千克甚至更大的载荷的称重传感器，其/>会大于/>的数量级，假设/>在/>的数量级，/>在的数量级，甚至小于/>的数量级。当加上1千克的重物之后，虽然也有10牛的压力，但对于之前加的1500牛的压力，可以被视为微小载荷，而其电压变化曲线相对于前两次的曲线来说更缓一些，第三次所施加的载荷电压的变化率都小于/>，这个时候就会出现误判为电压值的变化是蠕变造成的。

我们采用第二种判断方式，电压值的变化率即使接近于在加100千克重物之后由于蠕变产生的电压值的变化率，在施加载荷后两个相邻时间间隔的电压变化率的变化率也会是一个原有电压变化率的变化率的至少的值。在这里，相对于传感器自身的蠕变造成的电压值的变化率的变化率的变化来说，加载重物引起的微小变动造成电压值的变化也可以被认为是Δt时间间隔里的瞬时变化，所以电压的变化率的变化率大于/>，从而可以准确判断电压的变化是否为蠕变引起。

以上的步骤是针对一种称重传感器进行加载的分析，下面是对不同量程的称重传感器的实例分析：

利用三个差别较大的量程的传感器，分别为测10吨级的,测100千克级的和测10克级的，前两者相差100倍，后两者相差倍。利用这三种称重传感器分别测所对应量级的重物/>=9吨,/>=99千克,/>=9克，待显示器的数值稳定后，分别给三个称重传感器加上其量程的千分之一的重物。此时，如果采用电压值的变化率去判断是否处于蠕变状态，会因为不同传感器的不同量程，不同的电压变化率阈值，而导致误判。比如，用10吨级的称重传感器称完/>的重物之后加上10千克的重物，由于10吨级的称重传感器的电压变化率阈值为,100千克级的传感器的电压变化率阈值为/>，若用/>去判断，则此时电压的变化是非蠕变，若用/>判断，就为蠕变。

而我们采用变化率的变化率来判断，无论是多大的量程，其变化率的变化率的阈值都为，因为只要是加载的过程，相对于蠕变都看作为瞬态的变化，也正如图3所示，图中：/>表示加载/>=100千克的重物导致的电压变化曲线，/>表示加载/>=50千克的重物导致的电压变化曲线，/>表示加载/>=100千克的重物蠕变状态导致的电压变化曲线，/>表示加载/>=50千克的重物蠕变状态导致的电压变化曲线。用圆标注的C1部分表示加载/>=100千克的重物蠕变时的电压变化，可以看到曲线的变化率以及变化率的变化率都接近于0，而用圆标注的C2部分表示加载/>=1千克的重物时的电压变化，即使变化率与蠕变状态很接近，但其变化率的变化率会有一个剧增的过程，甚至会达到100量级的变化，即在此段加入微小重物，电压的变化率很小，而变化率的变化率在放入重物的时段会有指数倍的增大，从而很容易判断电压的变化是否为蠕变所引起。

通过以上例子，我们通过判断电压值的变化率的变化率来判断传感器是否处于蠕变状态，准确度更高。并且多种量程不同的传感器，都可以设置相同电压的变化率的变化率阈值来判断，相比于传统的采用电压变化率阈值判断方式，大幅度扩大阈值的适用范围，减少传感器出厂校准工作量，也减少不同型号传感器阈值的调节差异，这样会使效率提高，节省成本，且省去设置不同阈值的步骤。

当在应变称重传感器上加一个微小载荷，如果仅使用电压变化率来判断是否处于蠕变状态，则很可能错误的判断现在的传感器是载荷引起的还是蠕变引起的。

在电压值测量时，采用的时间间隔很微小，当对变化率进行再次求导的时候，会使数值进行时间小数位平方倍的增长，从而会将无法辨认的数值放大到可以清楚辨识的范围内，进而可以很轻松的分辨清楚该数值是载荷引起的还是传感器的蠕变引起的。

在利用高精度称重传感器称重物的时候，无论使用变化率还是用变化率的变化率来判断，都会有一个值来界定该传感器的数值变化是由于蠕变引起的还是由于所施加的重物引起的。根据传感器的蠕变特性，当加一个微小载荷时，对于高精度传感器来说，它的电压值的变化率可能还在蠕变状态的界定值之内，此时就会被错误的判断为蠕变状态，而其电压变化率的变化率反映的是其两个极短的时间间隔内的电压值变化曲线的斜率的变化情况，所以当一个微小载荷施加的时候，其相对较短的时间间隔内的电压值的变化率的变化率会超过界定的数值。

之所以会做出如上说明，是因为传感器的蠕变是在恒定应力下由于材料的缓慢变形导致的，所以对应到电压值的变化上，也是缓变的，所以对应到本专利所提出的方法上表现的就是在蠕变状态下电压值的变化率的变化率会在接近于零的区间范围内，即在我们所给定的界值范围内。

综上所述，本发明提供一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，避免了对于给高精度传感器加上微小载荷会被判定成蠕变的情况，增加了判断蠕变状态的普适性和准确性，保证了高精度称重传感器最终测量结果的准确性，可适用于各种称重传感器。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：高精度称重传感器通电并将应变计产生的电压持续传输给电压放大模块，电压放大模块将电压放大后传输给AD模块，AD模块将电压模拟量转化成数字量传输给微处理器；

S2：微处理器记录接收的电压信息，并计算电压变化率，然后再进一步计算电压变化率的变化率；

S3：微处理器判断电压变化率的变化率是否在接近于零的固定阈值范围内，若电压变化率的变化率在接近于零的固定阈值范围内，则判断高精度称重传感器为蠕变状态，返回步骤S1继续检测，直至电压变化率的变化率不在接近于零的固定阈值范围内，判断高精度称重传感器为非蠕变状态而进入下一步骤；

S4：微处理器将前一次测得的电压值与第一次测得的电压值的差值作为已完成蠕变值从本次测得的电压值上剔除，得到本次测量的真实电压值，然后再将本次测量的真实电压值转化成真实压力值显示在高精度称重传感器显示屏上。

2.根据权利要求1所述的一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，其特征在于，步骤S2中按照式（1）计算电压变化率，按照式（2）计算电压变化率的变化率：

（1）；

（2）；

其中：为测试的次数的序号，/>为电压变化率的序号，/>为电压变化率的变化率的序号，/>为微处理器接收到的第/>个电压值，/>为第/>个电压变化率，/>为第/>电压变化率的变化率。

3.根据权利要求1所述的一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，其特征在于，步骤S3中接近于零的固定阈值范围为。

4.根据权利要求1所述的一种高精度称重传感器蠕变状态识别及补偿方法，其特征在于，步骤S4中本次测量的真实电压值按照式（3）进行计算：

（3）；

其中：为本次测量的真实电压值，/>为微处理器接收到的第/>个电压值，/>为第一次测量的电压值。