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稱重儀表非線性自動(dòng)校正方法的探討
日期：2025-05-05 12:06
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摘要：
稱重儀表非線性自動(dòng)校正方法的探討m.welifetech.com
在稱重儀表中的應(yīng)用在電子衡器中，廣泛采用的稱重傳感器是壓力或拉力傳感器。不論傳感器的量程多大，其滿度輸出一般為2mV左右，因此，對(duì)于同一種類型(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))的電子衡器而言，往往可以采用通用的稱重儀表。
電子衡器尤其是商用電子衡器，不僅對(duì)稱重精度有很高的要求，而且對(duì)實(shí)時(shí)性也有較高的要求。因此，稱重儀表的非線性校正必須采用在線方式。
2.1 非線性自動(dòng)校正方程的修正
在稱重儀表中，*小測(cè)量值x0=0kg，對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)值N0≠0，而且會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實(shí)際測(cè)量時(shí)，各校正點(diǎn)Xi對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值Ni(i=1,2,3,…)也會(huì)因零點(diǎn)的變化而相應(yīng)發(fā)生變化。也就是說(shuō)，環(huán)境溫度變化后，實(shí)際測(cè)量時(shí)，當(dāng)被測(cè)量為 Xi時(shí)，儀表內(nèi)部獲取的A/D轉(zhuǎn)換值不再是校正時(shí)的Ni，從而使得按上述校正方程式(2)或式(3)求取的測(cè)量校正值是錯(cuò)誤的或不準(zhǔn)確的。
實(shí)驗(yàn)證明，稱重儀表的零點(diǎn)值N0受環(huán)境溫度的影響較大，而其非線性特性曲線受環(huán)境溫度的影響較小[7]。如圖1中所示，N0發(fā)生變化后，可以近似認(rèn)為非線性特性曲線OM只是適當(dāng)左移或右移。也就是說(shuō)，盡管N0是變化的，而Ni-N0(i=1,2,3，… )可以認(rèn)為是不變的。
一般來(lái)說(shuō)，每天的不同時(shí)刻都會(huì)存在一定的溫差，但每天的溫度變化都非常緩慢，稱重儀表的零點(diǎn)在使用過(guò)程中的變化也非常緩慢。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們完全可以用軟件的方法實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)跟蹤，即在某個(gè)較短的時(shí)間段(如0.5s)內(nèi)，若采樣到的A/D值n與之前的零點(diǎn)N0之差的**值不超過(guò)某個(gè)較小的數(shù)值，則令N0=n。
鑒于儀表的零點(diǎn)值N0受環(huán)境溫度的影響較大，非線性校正方程要作相應(yīng)的修正：不管是校正時(shí)還是實(shí)際測(cè)量時(shí)，均把得到的A/D轉(zhuǎn)換值減去零點(diǎn)值N0。此時(shí)，點(diǎn)斜式校正方程修正為：
2.2 校正方程參數(shù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
對(duì)于點(diǎn)斜式校正方程式(4)而言，要存入儀表內(nèi)存的校正方程參數(shù)為：Mi-1、Xi-1和ki(i=l,2,3，…m;M0=X0=0)，可用一個(gè)三維數(shù)組形式的表格存放。
對(duì)于兩點(diǎn)式校正方程式(5)而言，要存入儀表內(nèi)存的校正方程參數(shù)為：Mi、Xi(i=0,1,2,3，…，m;M0=x0=0)，可用一個(gè)二維數(shù)組形式的表格存放。
考慮到M0=x0=0，故M0和X0不必保存，但應(yīng)在表首位置存儲(chǔ)校正點(diǎn)數(shù)j。兩個(gè)校正方程的校正參數(shù)在儀表內(nèi)存中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分別如圖2所示，其中Tab.l和Tab.2分別表示內(nèi)存參數(shù)表首地址。
2.3 非線性自動(dòng)校正
從兩個(gè)校正方程可以看出，點(diǎn)斜式只要做一次乘法運(yùn)算，而兩點(diǎn)式要做一次乘法運(yùn)算和一次除法運(yùn)算。考慮到：計(jì)算斜率ki時(shí)，為了保證測(cè)量精度，小數(shù)點(diǎn)后需要保留足夠的位數(shù)，視具體情況而定;而智能儀表中采用的微控制器通常不方便做小數(shù)乘法運(yùn)算，而且位數(shù)越多、運(yùn)算越耗時(shí);另外，當(dāng)分段數(shù)大于3時(shí)，點(diǎn)斜式比兩點(diǎn)式所需內(nèi)存空間要多。因此，對(duì)于在線實(shí)時(shí)校正的智能儀表來(lái)說(shuō)，采用兩點(diǎn)式校正方程往往更合適一些。這里選用式(5)作為校正方程。為了描述時(shí)區(qū)分校正方程中的變量和儀表內(nèi)存中存儲(chǔ)的校正參數(shù)，對(duì)校正方程做如下變量代換，令a=Xi-1，b=Xi，C=Mi-1,d=Mi，則校正方程式(5)變?yōu)椋?br>
稱重計(jì)量時(shí)的非線性校正要解決以下三個(gè)問(wèn)題。
?、偃绾握页鯪位于哪一個(gè)直線段，考慮到校正點(diǎn)數(shù)不會(huì)太多，可采用簡(jiǎn)單的順序查找法。
?、谠跊](méi)有進(jìn)行校正前，儀表如何顯示實(shí)測(cè)重量。
按全量程線性處理，即把量程的*大值Xm作為**校正點(diǎn)，但校正點(diǎn)數(shù)j記為0，表示未進(jìn)行過(guò)校正。因此，儀表內(nèi)存參數(shù)表初始化時(shí)，j處保存0、M1處保存Nm-N0、X1處保存Xm和Xm是可以預(yù)知的，而N0也可以估算出來(lái)或通過(guò)實(shí)測(cè)獲得。
③當(dāng)實(shí)際稱量物體的重量超過(guò)*大校準(zhǔn)點(diǎn)重量時(shí)，儀表如何顯示實(shí)測(cè)重量。
按*大校準(zhǔn)點(diǎn)求得的校正參數(shù)進(jìn)行校正。因此，稱重儀表(電子衡器)稱重計(jì)量和校準(zhǔn)時(shí)的非線性自動(dòng)校正程序流程分別如圖3和圖4所示。
稱重儀表(電子衡器)的校準(zhǔn)過(guò)程如下：
①在稱重儀表預(yù)熱后，按<校準(zhǔn)>功能鍵(為**起見(jiàn)，可要求輸入一串驗(yàn)證碼)，進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)，此時(shí)儀表按原校準(zhǔn)參數(shù)顯示重量值;
?、诜Q量重。
在稱重儀表中的應(yīng)用在電子衡器中，廣泛采用的稱重傳感器是壓力或拉力傳感器。不論傳感器的量程多大，其滿度輸出一般為2mV左右，因此，對(duì)于同一種類型(靜態(tài)或動(dòng)態(tài))的電子衡器而言，往往可以采用通用的稱重儀表。
電子衡器尤其是商用電子衡器，不僅對(duì)稱重精度有很高的要求，而且對(duì)實(shí)時(shí)性也有較高的要求。因此，稱重儀表的非線性校正必須采用在線方式。
2.1 非線性自動(dòng)校正方程的修正
在稱重儀表中，*小測(cè)量值x0=0kg，對(duì)應(yīng)的零點(diǎn)值N0≠0，而且會(huì)隨著環(huán)境溫度的變化而變化，實(shí)際測(cè)量時(shí)，各校正點(diǎn)Xi對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值Ni(i=1,2,3,…)也會(huì)因零點(diǎn)的變化而相應(yīng)發(fā)生變化。也就是說(shuō)，環(huán)境溫度變化后，實(shí)際測(cè)量時(shí)，當(dāng)被測(cè)量為 Xi時(shí)，儀表內(nèi)部獲取的A/D轉(zhuǎn)換值不再是校正時(shí)的Ni，從而使得按上述校正方程式(2)或式(3)求取的測(cè)量校正值是錯(cuò)誤的或不準(zhǔn)確的。
實(shí)驗(yàn)證明，稱重儀表的零點(diǎn)值N0受環(huán)境溫度的影響較大，而其非線性特性曲線受環(huán)境溫度的影響較小[7]。如圖1中所示，N0發(fā)生變化后，可以近似認(rèn)為非線性特性曲線OM只是適當(dāng)左移或右移。也就是說(shuō)，盡管N0是變化的，而Ni-N0(i=1,2,3，… )可以認(rèn)為是不變的。
一般來(lái)說(shuō)，每天的不同時(shí)刻都會(huì)存在一定的溫差，但每天的溫度變化都非常緩慢，稱重儀表的零點(diǎn)在使用過(guò)程中的變化也非常緩慢。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，我們完全可以用軟件的方法實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)跟蹤，即在某個(gè)較短的時(shí)間段(如0.5s)內(nèi)，若采樣到的A/D值n與之前的零點(diǎn)N0之差的**值不超過(guò)某個(gè)較小的數(shù)值，則令N0=n。
鑒于儀表的零點(diǎn)值N0受環(huán)境溫度的影響較大，非線性校正方程要作相應(yīng)的修正：不管是校正時(shí)還是實(shí)際測(cè)量時(shí)，均把得到的A/D轉(zhuǎn)換值減去零點(diǎn)值N0。此時(shí)，點(diǎn)斜式校正方程修正為：
2.2 校正方程參數(shù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
對(duì)于點(diǎn)斜式校正方程式(4)而言，要存入儀表內(nèi)存的校正方程參數(shù)為：Mi-1、Xi-1和ki(i=l,2,3，…m;M0=X0=0)，可用一個(gè)三維數(shù)組形式的表格存放。
對(duì)于兩點(diǎn)式校正方程式(5)而言，要存入儀表內(nèi)存的校正方程參數(shù)為：Mi、Xi(i=0,1,2,3，…，m;M0=x0=0)，可用一個(gè)二維數(shù)組形式的表格存放。
考慮到M0=x0=0，故M0和X0不必保存，但應(yīng)在表首位置存儲(chǔ)校正點(diǎn)數(shù)j。兩個(gè)校正方程的校正參數(shù)在儀表內(nèi)存中的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)分別如圖2所示，其中Tab.l和Tab.2分別表示內(nèi)存參數(shù)表首地址。
2.3 非線性自動(dòng)校正
從兩個(gè)校正方程可以看出，點(diǎn)斜式只要做一次乘法運(yùn)算，而兩點(diǎn)式要做一次乘法運(yùn)算和一次除法運(yùn)算。考慮到：計(jì)算斜率ki時(shí)，為了保證測(cè)量精度，小數(shù)點(diǎn)后需要保留足夠的位數(shù)，視具體情況而定;而智能儀表中采用的微控制器通常不方便做小數(shù)乘法運(yùn)算，而且位數(shù)越多、運(yùn)算越耗時(shí);另外，當(dāng)分段數(shù)大于3時(shí)，點(diǎn)斜式比兩點(diǎn)式所需內(nèi)存空間要多。因此，對(duì)于在線實(shí)時(shí)校正的智能儀表來(lái)說(shuō)，采用兩點(diǎn)式校正方程往往更合適一些。這里選用式(5)作為校正方程。為了描述時(shí)區(qū)分校正方程中的變量和儀表內(nèi)存中存儲(chǔ)的校正參數(shù)，對(duì)校正方程做如下變量代換，令a=Xi-1，b=Xi，C=Mi-1,d=Mi，則校正方程式(5)變?yōu)椋?br>
稱重計(jì)量時(shí)的非線性校正要解決以下三個(gè)問(wèn)題。
?、偃绾握页鯪位于哪一個(gè)直線段，考慮到校正點(diǎn)數(shù)不會(huì)太多，可采用簡(jiǎn)單的順序查找法。
?、谠跊](méi)有進(jìn)行校正前，儀表如何顯示實(shí)測(cè)重量。
按全量程線性處理，即把量程的*大值Xm作為**校正點(diǎn)，但校正點(diǎn)數(shù)j記為0，表示未進(jìn)行過(guò)校正。因此，儀表內(nèi)存參數(shù)表初始化時(shí)，j處保存0、M1處保存Nm-N0、X1處保存Xm和Xm是可以預(yù)知的，而N0也可以估算出來(lái)或通過(guò)實(shí)測(cè)獲得。
③當(dāng)實(shí)際稱量物體的重量超過(guò)*大校準(zhǔn)點(diǎn)重量時(shí)，儀表如何顯示實(shí)測(cè)重量。
按*大校準(zhǔn)點(diǎn)求得的校正參數(shù)進(jìn)行校正。因此，稱重儀表(電子衡器)稱重計(jì)量和校準(zhǔn)時(shí)的非線性自動(dòng)校正程序流程分別如圖3和圖4所示。
稱重儀表(電子衡器)的校準(zhǔn)過(guò)程如下：
①在稱重儀表預(yù)熱后，按<校準(zhǔn)>功能鍵(為**起見(jiàn)，可要求輸入一串驗(yàn)證碼)，進(jìn)入校準(zhǔn)狀態(tài)，此時(shí)儀表按原校準(zhǔn)參數(shù)顯示重量值;
?、诜Q量重。
