【摘 要】 傳感器已進入數(shù)字時代，數(shù)字稱重傳感器高速發(fā)展，各種新技術(shù)應用層出不窮。寧波柯力傳感科技股份有限公司通過大量實驗，獲取不同量程、不同結(jié)構(gòu)模擬傳感器的零點和彈性模量隨溫度變化的數(shù)據(jù)，建立數(shù)學補償模型，通過軟件補償系數(shù)對輸出數(shù)值進行連續(xù)補償修正，對原有傳感器的零點溫度、靈敏度溫度模擬補償原理創(chuàng)新變革，本文所描述的新型數(shù)字稱重傳感器采用軟件補償算法，取消零點溫度補償電阻和靈敏度溫度補償片，用零點溫度補償、靈敏度溫度補償算法替代，可極大的簡化模擬部分的設計。
【關(guān)鍵詞】 重傳感器；零點溫度補償；靈敏度溫度補償，補償系數(shù)
一、數(shù)字稱重傳感器概述與發(fā)展
實際上僅數(shù)字傳感器也經(jīng)歷了幾代發(fā)展：
數(shù)字一代主要是把模擬傳感器加上AD模塊組成數(shù)字傳感器，有些是把AD模塊放在數(shù)字接線盒上，有些則把AD模塊加裝在彈性體旁邊，再增加通訊電路便組成了zui簡單的數(shù)字傳感器。
數(shù)字二代則在一代的基礎上增加線性及零點修正功能，傳感器出廠時零點已修正。
數(shù)字三代則簡化了模擬傳感器，取消了原模擬傳感器所具有的零點溫度補償電阻、靈敏度補償電阻、靈敏度溫度補償片等補償元件，采用軟件算法進行計算。
數(shù)字傳感器的演變使得模擬傳感器的設計和工藝也產(chǎn)生了變化，模擬傳感器及數(shù)字傳感器的對比電路原理圖，如圖1所示，共計6大補償。
圖1
R1～R4：橋路應變計電阻；
第十一屆稱重技術(shù)研討會論文集
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稱重科技
RZ：零點補償電阻；
Rt：零點溫度補償電阻；
RM：靈敏度溫度（彈性模量）補償電阻；
RL：線性補償電阻；
RS：靈敏度補償電阻；
RJ：輸入電阻調(diào)整電阻；
圖1是經(jīng)典模擬傳感器電原理圖，具有十多個補償器件。
圖2
圖2是一個完整的模擬傳感器與數(shù)字模塊組成的數(shù)字傳感器，包括*和第二代，區(qū)別是模塊的軟件功能第二代更強。
圖3
圖3是具有純軟件補償?shù)臄?shù)字傳感器，它取消了模擬傳感器的各種補償，而以一個溫度傳感器取代，加自動軟件補償技術(shù)實現(xiàn)。圖3就是本文所說的第三代數(shù)字傳感器，很多工程師把它稱之為真正的數(shù)字傳感器，它實現(xiàn)了：（1）零點平衡調(diào)整；（2）零點溫度漂移補償；（3）傳感器靈敏度補償；（4）靈敏度溫度補償；（5）輸出一致性調(diào)整；（6）補償電阻非線性補償，等六大補償。要實現(xiàn)
第十一屆稱重技術(shù)研討會論文集
2012.5·南京
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稱重傳感器與稱重儀表篇
圖3所述純軟件補償?shù)臄?shù)字傳感器（為敘述方便以下簡稱軟件補償傳感器）至少要在四方面進行突破，分別是溫度傳感器及采集、零點溫度補償算法、靈敏度溫度補償算法、新型傳感器制作工藝。
二、4個方面突破
1、溫度傳感器及采集
（1）必須要有一個能準確并快速測量彈性體的溫度傳感器，可考慮SOT23封裝或SOIC8封裝的溫度傳感器，這種封裝的好處是體積較小，可方便放入工藝孔。
（2）溫度傳感器精度要高，故一般的熱敏電阻是無法滿足要求的，這里建議選擇歐美大廠的溫度傳感器。
（3）溫度傳感器測量范圍必須足夠?qū)?，由于傳感器一般要工作?40～70℃，故溫度傳感器測溫范圍必須達到-50～120℃。
（4）所選的溫度傳感器需長期可靠工作，這一點尤其重要。
2、零點溫度補償算法
依據(jù)采集的溫度通過計算補償模擬傳感器的零點漂移，這里需要注意的是ADC芯片自身的溫度漂移要很小，小到對整個傳感器而言可以忽略不計，經(jīng)測試和計算，ADC芯片的漂移應小于1PPM，零點溫度補償可采用分段和曲線擬合方式，為減少計算量可采用分段方式，這樣后續(xù)可根據(jù)模擬傳感器特性進行調(diào)整，對工藝改進留足余量。在設計時可附帶增加一些檢測功能作為模擬傳感器特性判別使用。
3、靈敏度溫度補償算法
這是軟件補償傳感器的核心，平時所說的2mv/V靈敏度指的是滿量程的靈敏度，實際使用時靈敏度與當前溫度和當前重量兩者都有關(guān)系，故需采用平面補償方式（不是直線補償），即二維補償，為準確補償靈敏度至少需10個系數(shù)，而這10個系數(shù)的獲得需做大量統(tǒng)計，我們對10000多個模擬傳感器進行了大量的實驗整理出了10個系數(shù)相互之間變化的規(guī)律，以此建立數(shù)學模型。
（1）傳感器制作工藝
隨著算法的變化，常規(guī)的傳感器制作已不能滿足要求，因此我們對工藝做了重大改革，如零點溫度補償，原先需人工手動操作，靠經(jīng)驗實施，甚至多次重復調(diào)整，改進后零點溫度補償全部由上位機軟件完成，*不需人工干預，提高了效率同時產(chǎn)品一致性也得到大幅提升，產(chǎn)品合格判定也*由上位機執(zhí)行，零點溫度補償如下：
1）單調(diào)性
ADZ0≥ADZ1≥ADZ2≥ADZ3 （1）
ADZ0≤ADZ1≤ADZ2≤ADZ3 （2）
滿足（1）或（2）則表明是單調(diào)的，不滿足則表明是非單調(diào)的。
如果是單調(diào)的則（ADZ（i+1）-ADZi）/（TZ（i+1）-TZi）≤50AD碼/℃應是合格的，因為軟件可以補償過來。
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如果是非單調(diào)的則（ADZ（i+1）-ADZi）/（TZ（i+1）-TZi）≤2.36AD碼/℃（17ppm/℃）才是合格的。
注：ADZX指采樣的AD碼值，TZi指測試點溫度值
2）補償后誤差值判別
補償不能做到誤差為0，補償后傳感器的誤差值自動傳輸給上位機，上位機根據(jù)傳感器的誤差等級范圍，自動判定補償是否符合標準。
3）零點AD碼范圍
由于模擬傳感器取消了零點補償，所以零點偏移會比較大，雖然大零點不影響后續(xù)計算，但如果AD轉(zhuǎn)換后偏移太大則也可能是傳感器有損壞，所以有必要進行判斷，判定值的設定與AD轉(zhuǎn)換電路有關(guān)。
4）傳感器測量溫度與高低溫箱溫度差異
溫度偏差控制在±5℃范圍內(nèi)，如果超出則可能溫度傳感器芯片工藝有問題，或高低溫箱溫度有異常，此時需人工干預調(diào)整工藝或溫度偏差。
（2）彈性模量系數(shù)輸入（生產(chǎn)質(zhì)量控制需求）
生產(chǎn)記錄表中有6個質(zhì)量控制點：
*個“√”或者“A”表示單調(diào)性；
第二個“√”或者“B”表示補償差值是否符合要求；
第三個“√”或者“C”表示AD碼是否符合要求；
第四個“√”或者“D”表示溫度是否符合要求；
第五個“√”或者“E”表示差值偏差是否符合要求；
第六個“√”或者“F”表示彈模系數(shù)是否寫入。
三、結(jié)論
采用自動軟件溫度補償方式設計的數(shù)字傳感器經(jīng)測試，零點溫度漂移可控制在0.008%F.S/10℃范圍內(nèi)，靈敏度溫度漂移可控制在0.005%F.S/10℃范圍內(nèi)，經(jīng)大量裝秤實驗證明，這種溫度補償方式的數(shù)字傳感器精度優(yōu)于一般的數(shù)字傳感器。且采用這種補償方法和工藝后可節(jié)約模擬傳感器補償用的貴金屬的使用，保護礦產(chǎn)資源利于環(huán)境保護。
