電容式電子吊稱

電子吊秤產品種類繁多，按照讀數的方式有無線數傳式、直視式；按傳感器的類型可分為電阻式和電容式；按傳力的鈎頭形式可分為鈎頭懸掛式吊秤和鈎頭式吊秤；按供電方式可分為有限電源的有線吊秤和電池電源的無線吊秤；按其它方式還可分為吊車秤、單軌吊秤和手提吊秤；根據應用場合又可以稱為防熱、防磁吊秤等。 ^[1] 

八十年代初, 由於物資流通過程中需要使用電子吊秤來提高工作效率, 當時國內尚未有達到商用秤水平的商品化的電子吊秤產品, 因此開始了自行研製電子吊秤的工作。因當時國內應變式稱重傳感器基礎材料( 如應變片箔材、應變膠等) 的技術水平、傳感器製作工藝水平等制約因素的限制,應變式稱重傳感器的精度較低, 尚滿足不了商用電子吊秤的要求。經過對幾種原理方案的分析對比,電容式稱重傳感器對基礎材料的依賴性較小, 研製所需的材料容易解決, 研製成功的可能性較大, 因此最後選擇了電容式電子吊秤的方案。 ^[2] 

電容式稱重傳感器的結構: 電容式稱重傳感器是由類似測力環的扁環形彈性元件、極板、極板支架、L C 振盪電路、密封殼等元件組成的變間隙式電容傳感器。為了簡化結構同時也為了提高穩定性,傳感器的一個極板用彈性體的表面代替, 另一片通過絕緣瓷片固定在極板支架上。傳感器安裝在圓筒形的秤殼中, 為了減少偏載形成的彎矩和側向力的影響, 秤殼的下部裝有承剪膜片和萬向節。

電子吊秤電路組成: 無線傳輸的電子吊秤分為秤體和儀表兩大部分。秤體電路包括由傳感器電容和陶瓷骨架的穩定電感器組成的L C 振盪器、熱敏電阻温度傳感器、編碼器電路、無線發射機、電源等; 儀表部分包括無線接收機、解調電路、微處理機、顯示器及驅動電路、微型打印機、鍵盤、大屏幕及RS 一2 3 2 接口、電源等。 ^[2] 

編碼器電路參見圖1, 是由時序電路、RC振盪器式温度變換電路、計數器、校驗電路、電壓比較器、並人串出移位寄存器、調製電路、驅動電路等組成。剛開始批量生產時採用4000系列中、小規模cMos電路組成,後來開發了專用集成電路, 將大部分功能集成在一塊集成電路中,提高了可靠性,減小了編碼器的體積。

電容式電子吊秤採用的這種非差動式的變間隙電容傳感器非線性非常大,不進行補償無法應用。在實際運用中採用了分段拋物線插值的算法進行線性化處理。具體方法是, 從零點到120%最大秤量分為12 個秤量點,在常温、低温、高温下逐點進行標定, 為了考察傳感器的穩定性, 要進行兩個循環的温度試驗, 測量出傳感器的輸出特性曲線和温度影響曲線, 用曲線擬合的方法外推出一1 力級的數據並求出各秤量段的拋物線參數, 將這些參數與温度影響曲線參數一起寫人稱重儀表的EPRoM中,供微處理器在稱量時計算重量使用。 ^[2] 

下面分析一下影響電容式電子吊秤準確度的因素。電容式電子吊秤的誤差分析可從電路、機械兩方向進行, 數據處理過程引人的誤差相對於1 級商用秤的誤差數量級可忽略不計, 這裏不再分析。

電路方面: L C 振盪迴路的分佈電容、電感器的電感量、時間基準隨温度、濕度、時間的變化造成傳感器零點和靈敏度的變化。温度測量的誤差使温度補償不準而產生附加的誤差。

機械方面: 彈性模量的温度影響、彈性體材料的蠕變和滯後、零部件和整體裝配的對稱度誤差、裝配不當造成的力的分流(如膜片的固定面不在同一個平面上)、其他機械缺陷產生的影響等, 後幾項原因引起的誤差主要表現為重複性誤差大。

温度影響及補償方法: 温度對傳感器性能影響的途徑有: 彈性體材料彈性模量的温度係數、分佈電容、電感器的電感量、時間基準隨温度的變化, 傳感器結構材料的熱脹冷縮對極板間隙的影響等。這些因素對傳感器靈敏度影響的特點是產生的滿秤量相對誤差與秤量的關係呈非線性, 當量相對誤差與秤量的關係呈線性。靈敏度温度補償的方法, 通過在不同温度下對傳感器的標定, 確定量程兩端(-1力級和120%最大秤量)的温度影響曲線, 用線性插值的方法計算當前温度下對實際秤量點的補償量。零點的温度補償也是通過温度試驗取得零點的温度影響曲線, 再根據傳感器的實際温度對零點進行修正。 ^[2] 

濕度的影響主要是通過分佈電容的變化起作用。當電容傳感器未密封時, 在潮濕的環境裏, 傳感器輸出靈敏度下降可超過1%。為了防止濕度的影響, 電容傳感器應密封起來, 而且最好採用金屬密封結構並充乾燥氮氣保護。

時間基準的準確度決定了頻率測量的準確度。時間基準的誤差對電容傳感器靈敏度和零點均有影響。電容傳感器採用石英晶體振盪器作為時間基準, 因其誤差在10 數量級, 且其主要誤差即温度誤差的影響可在傳感器温度補償時一併進行補償,故時間基準誤差的影響一般可忽略不計。 ^[2] 

傳感器蠕變產生的原因除材料流變學特性外還有變形引起的温度變化及其平衡過程。材料壓縮時温度升高, 拉伸時温度下降。彈性體某一截面出現彎矩時, 壓縮區温度升高, 拉伸區温度下降, 該温度場相當於提高了彈性體的剛度, 當温度場趨向平衡時, 彈性體變形量進一步加大, 這就是温度效應產生的“ 蠕變” 。在生產實踐中發現, 大噸位的傳感器蠕變過程的時間要遠遠長於小噸位的傳感器, 這隻能用大噸位傳感器彈性體尺寸大, 熱容量大, 變形造成的温度梯度小於小規格的傳感器, 因而熱平衡的過程更慢來解釋。其他類型的傳感器如板環式的應變傳感器, 也可能存在熱效應產生的蠕變過程。應變傳感器的蠕變可通過應變片、應變膠的負蠕變進行補償, 而電容式傳感器是通過軟件進行補償。我們採用的蠕變補償算法為指數衰減曲線, 即補償量按載荷變化量的指數衰減曲線進行補償, 其算法非常簡單。後來發現補償效果有些不足, 不能完全模擬蠕變的過程, 最後改為雙指數曲線疊加法補償, 即補償量為兩條參數不同的指數衰減曲線的疊加, 補償效果較好, 算法也不復雜。 ^[2] 

影響電容式傳感器滯後的因素有傳感器結構(如極板的固定方式、密封罩的結構形式)、彈性體的應力集中、彈性材料的內摩擦、彈性材料的微觀組織結構( 熱處理工藝和參數) 和傳感器的製作工藝過程等。在研製的過程中我們發現極板的固定方式對滯後有很大的影響。後來分析原因是固定極板的幾個螺釘的位置在傳感器彈性元件受力變形時產生微小的相對旋轉運動, 雖然其數量級在一般的精密機械中也完全可以忽略, 但在這裏卻產生了不可忽略的滯後誤差。彈性體材料的微觀組織結構對滯後也有很大的影響。材料( 40CrNiMoA )的硬度高時, 滯後明顯加大, 最後我們將硬度控制在H3B0左右, 滯後明顯減小。傳感器的製作工藝過程對滯後也有較大的影響。發現一批傳感器滯後較大, 故障分析時發現, 這些傳感器在生產過程中用釺焊工藝焊接密封殼時, 焊料流到了應力集中區。有資料指出, 錫原子可以滲到鋼的晶格之間, 使鋼容易產生晶格間的滑移, 從而產生了較大的滯後。 ^[2] 

電容式傳感器的分散性較大。產生分散性的原因有極板的形位誤差如平面度、極板間隙平行度的差別, 電參數如分佈電容、電感的分散性等等。這些因素不但影響傳感器的輸出特性的一致性, 也影響傳感器的温度特性的一致性, 因此每台傳感器都要經過不同温度下的標定, 計算出不同的補償曲線和辛卜償係數。影響電子吊秤重複性誤差的一個非常重要的傳感器特性是抗偏載能力。對拉式傳感器來講, 就是當它承受偏載形成的彎矩時, 產生多大的附加輸出, 稱重傳感器的標準中沒有此項要求, 而廠家一般也不給出這一數據。結構的不對稱性是造成電容式傳感器抗偏載能力下降的主要因素。在生產實踐中, 應裝備偏載測試裝置, 用來調整傳感器的抗偏載能力,就如調整平行梁傳感器的四角誤差一樣。 ^[2] 

影響電子吊秤長期穩定性的因素, 除了L C 振盪迴路的分佈電容、電感器的電感量變化外, 還有機械部分的因素, 如極板的移位和間隙的變化等,而且是比較常見的引起傳感器特性發生較大的變化的原因。

電容式傳感器是頻率量輸出, 而頻率量信號放大過程不引人誤差, 測量容易, 信號處理過程引人誤差的環節少, 對提高系統的精度有利。

傳感器自身無發熱, 無需預熱時間。

由於傳感器的一致性差, 每台均需做不同温度下的標定, 因而生產耗用工時、設備機時較多, 生產成本較大。

現用的彈性環式傳感器體積大、重量大、結構形式單一, 限制了它的應用範圍。

電容傳感器對温度變化敏感, 特別是零點, 温度變化劇烈時零點漂移較大, 很明顯是由於傳感器各部分温度不均勻造成的。裝配調試傳感器時, 用手在彈性體上摸一下, 零點就漂個不停。為了減少温度變化的影響, 秤體內加有隔熱材料, 平時使用中, 還需要在秤體外部加上保温罩, 減少陽光輻射等因素造成較大的零點漂移。温度對電容傳感器的靈敏度也有較大的影響, 並且不是完全可逆的, 估計原因之一與傳感器內部水分的轉移和重新分佈有關。這也影響了傳感器的長期穩定性。 ^[2] 

電容式稱重傳感器的應用廠家較少, 總的人力、資金和技術投人相對於應變傳感器也少得多,因而技術改進相對緩慢, 其性能和製造工藝一直沒有根本性的突破。實際上, 電容傳感器結構和生產工藝尚有許多需要改進的地方, 由於各種原因未能實現。如果能持續不斷的改進, 電容式稱重傳感器性能必定能進一步提高。 ^[2] 

減少分佈電容不穩定的影響

影響電容式傳感器的電氣方面的最不穩定因素是分佈電容。對穩定性影響最大的分佈電容是極板固定結構的分佈電容和電感器的寄生分佈電容。

形成極板固定結構的分佈電容的介質是絕緣瓷片及粘結瓷片與極板、極板支架的有機粘接劑。這裏, 有機粘接劑是影響分佈電容穩定性的最大因素。有機物介電常數隨温度變化大, 且與温度呈非線性的關係, 引起極板固定結構分佈電容隨温度變化較大, 造成電容傳感器零點輸出和靈敏度的温度影響較大。這些影響與温度呈非線性的關係。一般在20-30℃ 以下, 隨温度上升零點輸出和傳感器靈敏度也上升; 超過20-30℃, 隨温度上升零點輸出和傳感器靈敏度反而下降。在低温和高温段, 温度影響曲線的斜率是很大的。雖然電容式傳感器採用了温度補償的辦法減少温度的影響, 但大家知道,一般好的補償措施也只能將影響因素的影響降低1個數量級左右, 由於低温段和高温段温度影響曲線的斜率很大, 因此温度補償後傳感器仍會存在一定的温度影響。在實踐中發現, 温度的影響有一部分是不可逆的。分析認為, 一部分原因是由於有機材料的吸濕性大, 在温度循環時, 傳感器內部水分的分佈情況發生了變化, 造成分佈電容的變化引起傳感器特性的變化。從以上分析可以看到, 固定極板的有機粘接劑是影響傳感器精度的不利因素。如果能改進工藝, 取消不穩定的有機粘結劑, 傳感器的性能指標將有很大的提高。 ^[3] 

電容式傳感器的電感器是用冷緊繞工藝將漆包線繞在陶瓷骨架上, 再被覆絕緣漆製成。有機絕緣漆是電感器寄生分佈電容最大的不穩定因素。用無機材料代替有機絕緣材料是提高傳感器穩定性的一個有效的措施。

控制傳感器內部的水分是提高穩定性的一個重要措施。傳感器應採用真空充氮工藝, 即先將傳感器乾燥處理, 內部抽成真空, 再充入乾燥的氮氣。氮氣應經過乾燥處理, 增加氮氣濕監測裝置, 保證氮氣的露點在-4 0 ℃ 以下。當然, 密封結構的檢漏是必不可少的工序, 否則一切乾燥密封措施都行同虛設。

增加L C 振盪器穩定性的方法

電子吊秤用的無線電發射機對電容傳感器的LC振盪器有一定的干擾。改進方法一是加強電路的去藕, 二是提高LC振盪槽路的Q值。剛才提到電容式傳感器的電感器是用冷緊繞工藝將漆包線繞在陶瓷骨架上, 其本身的Q 值在工作頻段為10 0 以上, 但由於電感器體積較大, 整個振盪電路又是密封在電容傳感器內狹小的空間裏, 造成LC 振盪槽路的Q 值大大下降。這可以從將振盪電路裝人傳感器後振盪波形的輸出幅度大幅度下降看出。一個改進方法就是減小電感器的體積。雖然原始Q 值可能會有所下降, 但最終振盪槽路的Q 值將會提高。 ^[3] 

提高傳感電容器初始極板間隙的穩定性

在修理生產中的不合格產品和返廠維修產品時發現, 相當大比例產品的傳感電容器初始極板間隙發生了明顯的變化, 而且大多數是不均勻的變化。電容傳感器生產過程中對極板間隙的要求是非常高的, 整個裝配工作是在淨化間裏進行, 防止異物進人極板間隙。如果極板間隙不平行, 傳感器的抗偏載能力將大大下降, 其表現是電子吊秤的重複性誤差和旋轉誤差變大, 傳感器的輸出特性也將發生變化, 表現為電子吊秤的非線性誤差變大。 ^[3]