引言。
隨著稱重技術的不斷發展，人們對電子衡器的測量精度和自動化程度提出了越來越高的要求。利用日益成熟的微處理器軟硬件技術和數字信號處理技術，在原有電子衡器的基礎上，進一步提高測量精度，增加衡器的測量功能，對保證產品質量，提高生產效率具有重要意義。
本文針對太原理工大學測試技術研究所開發的OCS-XY電子衡器，對其測量精度和誤差進行了綜合分析，並對硬件進行了改進，提高了衡器的測量精度和測量功能，取得了良好的效果。
電子衡器的硬件組成及誤差。
(1)稱重傳感器。
係統中使用的載荷傳感器是粘貼在剪切型S形工字鋼上的粘貼電阻應變片。當附著在應變片上的工字鋼變形時，也會引起應變片敏感柵的電阻變化，這種變化可以轉化為測量電路輸出的電壓。為了確定應變片的最佳粘貼位置，對剪切型工字梁進行了有限元分析。分析結果表明，當結構模板基本處於純剪切狀態時，最大主應力方向與方形工字鋼軸線的夾角應為45°。
粘著電阻應變片是一種重要的測量敏感元件，是實驗應力分析中測量應變和接頭應力的主要機電轉換元件。應變片的敏感柵除了縱向線柵外，還有圓弧和直線橫向柵。橫向網格對應變片軸向的應變和垂直於軸向的橫向效應都很敏感，因此應變片的變化包含了橫向應變的影響，這就是應變片的橫向效應。本文采用直徑較大的銅線。與縱向網格相比，其橫向係數很小，可以忽略不計。
應變片對溫度變化非常敏感，附著在試件上的應變片溫度變化引起的電阻變化可以等效為應變引起的電阻變化的數量級，因此應變測量中的溫度影響和補償方法是非常重要的問題。如果采用溫度補償板法，即全橋法測量橋式電路，由於溫度變化引起的橋式電路相鄰兩臂的相對電阻變化相互抵消，從而達到溫度補償的效果。實驗表明，輸出基本不變。
(2)測量放大電路。
衡器采用的測量電路和放大電路。恒定壓電電橋電路可以將電阻敏感元件的電阻變化轉換成電壓變化信號。但由於橋式電路輸出的二端信號比較小，不能直接用於測量輸出。因此，本文選擇儀表放大器作為放大電路，不僅可以放大差模小信號並將其轉換為雙端輸出信號，而且對共模信號有很強的抑製能力。
在電阻應變傳感器中，恒壓全橋電路可以起到溫度補償的作用。然而，由於四個橋臂的實際電阻值的偏差，橋處於不平衡狀態。R5的大小可以決定橋式電路的平衡範圍。
一般測量電路輸出的信號比較小，不能直接用於顯示、記錄、控製或A/D轉換。所以當不變量被電橋檢測到並轉換成電的時候，就要連接一個放大器進行放大。但是由於構成放大電路的元件性能不理想，比如輸入電阻共模抑製比不是無窮大；輸入偏置電流和失調電壓不為零，或者放大器電路工作條件不理想，如電源電壓不穩定、電路絕緣不良，導致實際運算放大器輸出出現偏差。計算了差模電壓增益、失調電壓、輸入偏置電流和電源抑製比引起的誤差，最大誤差δ為0.071%。
(3)電子衡器的A/D轉換器和單片機。
A/D轉換器采用MAX111芯片，采用內部自校準電子技術，無需額外外部元件即可實現14位A/D轉換。MAX111芯片的溫漂和全遲滯的重複性精度為0.21±0.22±0.44±1.70±2.06±4.06±3.02±2.35±2.06±1.91±2.83±4.51，量程誤差很小，對電源波動的抗幹擾能力也很強，所以max111芯片產生的誤差可以忽略不計
單片機采用AT89C2051。它是一款低電壓、高性能的CMOS8位微處理器，具有閃存可編程和可擦除隻讀存儲器。該器件采用ATMEL高密度非易失性存儲器製造技術製造，兼容工業標準MCS-51指令集和輸出引腳。
電子衡器的風力電源采用CMOSSDC-DC開關穩壓器。其優點是穩定性好，可靠性高。由於它產生的誤差很小，本文就不詳細描述了。
測量傳感器靜態特性分析。
理論上，傳感器理想的輸入輸出特性應該是線性的，但是由於上麵分析的各種原因，再加上環境溫度的變化和放大器零漂移的影響，放大器的輸出最終不可能是線性的，如果進行線性處理和分析，會帶來非線性誤差。為了保證多項式值與逼近函數在整個區間內的誤差最小，采用最小二乘法擬合曲線。此外，還分析了傳感器兩端受力時施力方向與軸線方向的偏差所引起的誤差。：
傳感器的最大誤差為0.44%。當施加的力不偏心時，非線性、滯後和重複性誤差最小。當作用力偏心時，不僅非線性誤差急劇增大，而且其重複性也有很大誤差。因此，當負載傳感器的兩端受到應力時，使用柔性電纜來消除由應力偏心引起的誤差。
測量誤差和誤差補償。
從以上分析可以看出，整個稱重係統不可避免地會出現一些誤差。如何減少誤差，提高精度是最需要考慮的問題。采用微處理器對測量結果進行分析和處理，大大提高了稱重係統的精度。根據誤差的性質，係統誤差、隨機誤差和測量誤差中的誤差的處理描述如下。
(1)係統誤差補償。
采用非等距分割的方法來校正係統誤差。該方法的特點是函數基點的分割不是等距的，而是根據函數曲線形狀的變化率修改插值之間的距離。例如，通常使用比例範圍的內插距離可以做得更小，而很少使用的比例區域的內插距離可以做得更大。
(2)隨機誤差的補償。
隨機誤差取決於測量過程中的一係列隨機因素。隨機因素是指實驗者不能嚴格控製的因素。在測量過程中，雖然測量條件不變，但由於一些不可預測的隨機事件的影響，多次測量的結果仍然會有所不同，這就是所謂的隨機誤差。消除隨機誤差的有效方法是取多次測量的算術平均值。
(3)電子衡器的誤差。
在一定條件下測量時，因測量值與實際值明顯偏離而產生的誤差稱為過失誤差，也稱為粗差。一般來說，誤差是由測試操作員在測量過程中的疏忽造成的。有時，測量條件的突然變化，如電源電壓的突然變化或機械衝擊引起的儀器顯示值的變化，也是產生誤差的原因。萊特準則，又稱3δ準則，可用於判斷遺漏誤差。其基本內容是:當殘差|Vi|>3δ對應於某一測量值Xi時，該Xi被認為是一個錯誤值，應予以消除。
結論。
原OCS-XY是一種機械衡器，功能單調，無法滿足工業自動化生產過程中的連續稱重、存儲、記憶等諸多要求。而且性能指標完全取決於傳感器本身的特性，很難提高其精度。在原有儀器的基礎上，應用微處理器軟硬件技術和數字信號處理技術，通過數字濾波、線性校正等處理步驟，實現了自校準、自動調零、自選量程、超限報警等多種功能，有效提高了電子衡器的測量精度，使研製的電子衡器超過了國家二級計量器具標準，具有較高的可靠性和推廣性。

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