【摘 要】 傳感器已進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，數(shù)字稱重傳感器高速發(fā)展，各種新技術(shù)應(yīng)用層出不窮。寧波柯力傳感科技股份有限公司通過大量實(shí)驗(yàn)，獲取不同量程、不同結(jié)構(gòu)模擬傳感器的零點(diǎn)和彈性模量隨溫度變化的數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型，通過軟件補(bǔ)償系數(shù)對輸出數(shù)值進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)償修正，對原有傳感器的零點(diǎn)溫度、靈敏度溫度模擬補(bǔ)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(bǔ)償算法，取消零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻和靈敏度溫度補(bǔ)償片，用零點(diǎn)溫度補(bǔ)償、靈敏度溫度補(bǔ)償算法替代，可極大的簡化模擬部分的設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】 重傳感器；零點(diǎn)溫度補(bǔ)償；靈敏度溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償系數(shù)
一、數(shù)字稱重傳感器概述與發(fā)展
實(shí)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(chǔ)上增加線性及零點(diǎn)修正功能，傳感器出廠時(shí)零點(diǎn)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(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻、靈敏度補(bǔ)償電阻、靈敏度溫度補(bǔ)償片等補(bǔ)償元件，采用軟件算法進(jìn)行計(jì)算。
數(shù)字傳感器的演變使得模擬傳感器的設(shè)計(jì)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(jì)6大補(bǔ)償。
圖1
R1～R4：橋路應(yīng)變計(jì)電阻；
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稱重科技
RZ：零點(diǎn)補(bǔ)償電阻；
Rt：零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻；
RM：靈敏度溫度（彈性模量）補(bǔ)償電阻；
RL：線性補(bǔ)償電阻；
RS：靈敏度補(bǔ)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(gè)補(bǔ)償器件。
圖2
圖2是一個(gè)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(qiáng)。
圖3
圖3是具有純軟件補(bǔ)償?shù)臄?shù)字傳感器，它取消了模擬傳感器的各種補(bǔ)償，而以一個(gè)溫度傳感器取代，加自動軟件補(bǔ)償技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)了：（1）零點(diǎn)平衡調(diào)整；（2）零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償；（3）傳感器靈敏度補(bǔ)償；（4）靈敏度溫度補(bǔ)償；（5）輸出一致性調(diào)整；（6）補(bǔ)償電阻非線性補(bǔ)償，等六大補(bǔ)償。要實(shí)現(xiàn)
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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(bǔ)償?shù)臄?shù)字傳感器（為敘述方便以下簡稱軟件補(bǔ)償傳感器）至少要在四方面進(jìn)行突破，分別是溫度傳感器及采集、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償算法、靈敏度溫度補(bǔ)償算法、新型傳感器制作工藝。
二、4個(gè)方面突破
1、溫度傳感器及采集
（1）必須要有一個(gè)能準(zhǔn)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(dá)到-50～120℃。
（4）所選的溫度傳感器需長期可靠工作，這一點(diǎn)尤其重要。
2、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償算法
依據(jù)采集的溫度通過計(jì)算補(bǔ)償模擬傳感器的零點(diǎn)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(gè)傳感器而言可以忽略不計(jì)，經(jīng)測試和計(jì)算，ADC芯片的漂移應(yīng)小于1PPM，零點(diǎn)溫度補(bǔ)償可采用分段和曲線擬合方式，為減少計(jì)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(jìn)行調(diào)整，對工藝改進(jìn)留足余量。在設(shè)計(jì)時(shí)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(bǔ)償算法
這是軟件補(bǔ)償傳感器的核心，平時(shí)所說的2mv/V靈敏度指的是滿量程的靈敏度，實(shí)際使用時(shí)靈敏度與當(dāng)前溫度和當(dāng)前重量兩者都有關(guān)系，故需采用平面補(bǔ)償方式（不是直線補(bǔ)償），即二維補(bǔ)償，為準(zhǔn)確補(bǔ)償靈敏度至少需10個(gè)系數(shù)，而這10個(gè)系數(shù)的獲得需做大量統(tǒng)計(jì)，我們對10000多個(gè)模擬傳感器進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)整理出了10個(gè)系數(shù)相互之間變化的規(guī)律，以此建立數(shù)學(xué)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(diǎn)溫度補(bǔ)償，原先需人工手動操作，靠經(jīng)驗(yàn)實(shí)施，甚至多次重復(fù)調(diào)整，改進(jìn)后零點(diǎn)溫度補(bǔ)償全部由上位機(jī)軟件完成，*不需人工干預(yù)，提高了效率同時(shí)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(jī)執(zhí)行，零點(diǎn)溫度補(bǔ)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(yīng)是合格的，因?yàn)檐浖梢匝a(bǔ)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(diǎn)溫度值
2）補(bǔ)償后誤差值判別
補(bǔ)償不能做到誤差為0，補(bǔ)償后傳感器的誤差值自動傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)傳感器的誤差等級范圍，自動判定補(bǔ)償是否符合標(biāo)準(zhǔn)。
3）零點(diǎn)AD碼范圍
由于模擬傳感器取消了零點(diǎn)補(bǔ)償，所以零點(diǎn)偏移會比較大，雖然大零點(diǎn)不影響后續(xù)計(jì)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(jìn)行判斷，判定值的設(shè)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(shí)需人工干預(yù)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(gè)質(zhì)量控制點(diǎn)：
*個(gè)“√”或者“A”表示單調(diào)性；
第二個(gè)“√”或者“B”表示補(bǔ)償差值是否符合要求；
第三個(gè)“√”或者“C”表示AD碼是否符合要求；
第四個(gè)“√”或者“D”表示溫度是否符合要求；
第五個(gè)“√”或者“E”表示差值偏差是否符合要求；
第六個(gè)“√”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(bǔ)償方式設(shè)計(jì)的數(shù)字傳感器經(jīng)測試，零點(diǎn)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(shí)驗(yàn)證明，這種溫度補(bǔ)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(bǔ)償方法和工藝后可節(jié)約模擬傳感器補(bǔ)償用的貴金屬的使用，保護(hù)礦產(chǎn)資源利于環(huán)境保護(hù)。
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