电容式电子吊称

变间隙式电容传感器

电容式称重传感器的结构: 电容式称重传感器是由类似测力环的扁环形弹性元件、极板、极板支架、L C 振荡电路、密封壳等元件组成的变间隙式电容传感器。

1概述

电子吊秤产品种类繁多，按照读数的方式有无线数传式、直视式；按传感器的类型可分为电阻式和电容式；按传力的钩头形式可分为钩头悬挂式吊秤和钩头式吊秤；按供电方式可分为有限电源的有线吊秤和电池电源的无线吊秤；按其它方式还可分为吊车秤、单轨吊秤和手提吊秤；根据应用场合又可以称为防热、防磁吊秤等。

八十年代初, 由于物资流通过程中需要使用电子吊秤来提高工作效率, 当时国内尚未有达到商用秤水平的商品化的电子吊秤产品, 因此开始了自行研制电子吊秤的工作。因当时国内应变式称重传感器基础材料( 如应变片箔材、应变胶等) 的技术水平、传感器制作工艺水平等制约因素的限制,应变式称重传感器的精度较低, 尚满足不了商用电子吊秤的要求。经过对几种原理方案的分析对比,电容式称重传感器对基础材料的依赖性较小, 研制所需的材料容易解决, 研制成功的可能性较大, 因此最后选择了电容式电子吊秤的方案。

2 电容式电子吊秤的结构与原理

电容式称重传感器的结构: 电容式称重传感器是由类似测力环的扁环形弹性元件、极板、极板支架、L C 振荡电路、密封壳等元件组成的变间隙式电容传感器。为了简化结构同时也为了提高稳定性,传感器的一个极板用弹性体的表面代替, 另一片通过绝缘瓷片固定在极板支架上。传感器安装在圆筒形的秤壳中, 为了减少偏载形成的弯矩和侧向力的影响, 秤壳的下部装有承剪膜片和万向节。

电子吊秤电路组成: 无线传输的电子吊秤分为秤体和仪表两大部分。秤体电路包括由传感器电容和陶瓷骨架的稳定电感器组成的L C 振荡器、热敏电阻温度传感器、编码器电路、无线发射机、电源等; 仪表部分包括无线接收机、解调电路、微处理机、显示器及驱动电路、微型打印机、键盘、大屏幕及RS 一2 3 2 接口、电源等。

编码器电路参见图1, 是由时序电路、RC振荡器式温度变换电路、计数器、校验电路、电压比较器、并人串出移位寄存器、调制电路、驱动电路等组成。刚开始批量生产时采用4000系列中、小规模cMos电路组成,后来开发了专用集成电路, 将大部分功能集成在一块集成电路中,提高了可靠性,减小了编码器的体积。

电容式电子吊秤采用的这种非差动式的变间隙电容传感器非线性非常大,不进行补偿无法应用。在实际运用中采用了分段抛物线插值的算法进行线性化处理。具体方法是, 从零点到120%最大秤量分为12 个秤量点,在常温、低温、高温下逐点进行标定, 为了考察传感器的稳定性, 要进行两个循环的温度试验, 测量出传感器的输出特性曲线和温度影响曲线, 用曲线拟合的方法外推出一1 力级的数据并求出各秤量段的抛物线参数, 将这些参数与温度影响曲线参数一起写人称重仪表的EPRoM中,供微处理器在称量时计算重量使用。

下面分析一下影响电容式电子吊秤准确度的因素。电容式电子吊秤的误差分析可从电路、机械两方向进行, 数据处理过程引人的误差相对于1 级商用秤的误差数量级可忽略不计, 这里不再分析。

电路方面: L C 振荡回路的分布电容、电感器的电感量、时间基准随温度、湿度、时间的变化造成传感器零点和灵敏度的变化。温度测量的误差使温度补偿不准而产生附加的误差。

机械方面: 弹性模量的温度影响、弹性体材料的蠕变和滞后、零部件和整体装配的对称度误差、装配不当造成的力的分流(如膜片的固定面不在同一个平面上)、其他机械缺陷产生的影响等, 后几项原因引起的误差主要表现为重复性误差大。

温度影响及补偿方法: 温度对传感器性能影响的途径有: 弹性体材料弹性模量的温度系数、分布电容、电感器的电感量、时间基准随温度的变化, 传感器结构材料的热胀冷缩对极板间隙的影响等。这些因素对传感器灵敏度影响的特点是产生的满秤量相对误差与秤量的关系呈非线性, 当量相对误差与秤量的关系呈线性。灵敏度温度补偿的方法, 通过在不同温度下对传感器的标定, 确定量程两端(-1力级和120%最大秤量)的温度影响曲线, 用线性插值的方法计算当前温度下对实际秤量点的补偿量。零点的温度补偿也是通过温度试验取得零点的温度影响曲线, 再根据传感器的实际温度对零点进行修正。

湿度的影响主要是通过分布电容的变化起作用。当电容传感器未密封时, 在潮湿的环境里, 传感器输出灵敏度下降可超过1%。为了防止湿度的影响, 电容传感器应密封起来, 而且最好采用金属密封结构并充干燥氮气保护。

时间基准的准确度决定了频率测量的准确度。时间基准的误差对电容传感器灵敏度和零点均有影响。电容传感器采用石英晶体振荡器作为时间基准, 因其误差在10 数量级, 且其主要误差即温度误差的影响可在传感器温度补偿时一并进行补偿,故时间基准误差的影响一般可忽略不计。

传感器蠕变产生的原因除材料流变学特性外还有变形引起的温度变化及其平衡过程。材料压缩时温度升高, 拉伸时温度下降。弹性体某一截面出现弯矩时, 压缩区温度升高, 拉伸区温度下降, 该温度场相当于提高了弹性体的刚度, 当温度场趋向平衡时, 弹性体变形量进一步加大, 这就是温度效应产生的“ 蠕变” 。在生产实践中发现, 大吨位的传感器蠕变过程的时间要远远长于小吨位的传感器, 这只能用大吨位传感器弹性体尺寸大, 热容量大, 变形造成的温度梯度小于小规格的传感器, 因而热平衡的过程更慢来解释。其他类型的传感器如板环式的应变传感器, 也可能存在热效应产生的蠕变过程。应变传感器的蠕变可通过应变片、应变胶的负蠕变进行补偿, 而电容式传感器是通过软件进行补偿。我们采用的蠕变补偿算法为指数衰减曲线, 即补偿量按载荷变化量的指数衰减曲线进行补偿, 其算法非常简单。后来发现补偿效果有些不足, 不能完全模拟蠕变的过程, 最后改为双指数曲线叠加法补偿, 即补偿量为两条参数不同的指数衰减曲线的叠加, 补偿效果较好, 算法也不复杂。

影响电容式传感器滞后的因素有传感器结构(如极板的固定方式、密封罩的结构形式)、弹性体的应力集中、弹性材料的内摩擦、弹性材料的微观组织结构( 热处理工艺和参数) 和传感器的制作工艺过程等。在研制的过程中我们发现极板的固定方式对滞后有很大的影响。后来分析原因是固定极板的几个螺钉的位置在传感器弹性元件受力变形时产生微小的相对旋转运动, 虽然其数量级在一般的精密机械中也完全可以忽略, 但在这里却产生了不可忽略的滞后误差。弹性体材料的微观组织结构对滞后也有很大的影响。材料( 40CrNiMoA )的硬度高时, 滞后明显加大, 最后我们将硬度控制在H3B0左右, 滞后明显减小。传感器的制作工艺过程对滞后也有较大的影响。发现一批传感器滞后较大, 故障分析时发现, 这些传感器在生产过程中用钎焊工艺焊接密封壳时, 焊料流到了应力集中区。有资料指出, 锡原子可以渗到钢的晶格之间, 使钢容易产生晶格间的滑移, 从而产生了较大的滞后。

电容式传感器的分散性较大。产生分散性的原因有极板的形位误差如平面度、极板间隙平行度的差别, 电参数如分布电容、电感的分散性等等。这些因素不但影响传感器的输出特性的一致性, 也影响传感器的温度特性的一致性, 因此每台传感器都要经过不同温度下的标定, 计算出不同的补偿曲线和辛卜偿系数。影响电子吊秤重复性误差的一个非常重要的传感器特性是抗偏载能力。对拉式传感器来讲, 就是当它承受偏载形成的弯矩时, 产生多大的附加输出, 称重传感器的标准中没有此项要求, 而厂家一般也不给出这一数据。结构的不对称性是造成电容式传感器抗偏载能力下降的主要因素。在生产实践中, 应装备偏载测试装置, 用来调整传感器的抗偏载能力,就如调整平行梁传感器的四角误差一样。

影响电子吊秤长期稳定性的因素, 除了L C 振荡回路的分布电容、电感器的电感量变化外, 还有机械部分的因素, 如极板的移位和间隙的变化等,而且是比较常见的引起传感器特性发生较大的变化的原因。

3电容式电子吊秤的特点

电容式传感器是频率量输出, 而频率量信号放大过程不引人误差, 测量容易, 信号处理过程引人误差的环节少, 对提高系统的精度有利。

传感器自身无发热, 无需预热时间。

由于传感器的一致性差, 每台均需做不同温度下的标定, 因而生产耗用工时、设备机时较多, 生产成本较大。

现用的弹性环式传感器体积大、重量大、结构形式单一, 限制了它的应用范围。

电容传感器对温度变化敏感, 特别是零点, 温度变化剧烈时零点漂移较大, 很明显是由于传感器各部分温度不均匀造成的。装配调试传感器时, 用手在弹性体上摸一下, 零点就漂个不停。为了减少温度变化的影响, 秤体内加有隔热材料, 平时使用中, 还需要在秤体外部加上保温罩, 减少阳光辐射等因素造成较大的零点漂移。温度对电容传感器的灵敏度也有较大的影响, 并且不是完全可逆的, 估计原因之一与传感器内部水分的转移和重新分布有关。这也影响了传感器的长期稳定性。

电容式称重传感器的应用厂家较少, 总的人力、资金和技术投人相对于应变传感器也少得多,因而技术改进相对缓慢, 其性能和制造工艺一直没有根本性的突破。实际上, 电容传感器结构和生产工艺尚有许多需要改进的地方, 由于各种原因未能实现。如果能持续不断的改进, 电容式称重传感器性能必定能进一步提高。

4改进电容式电子吊秤性能的方法

减少分布电容不稳定的影响

影响电容式传感器的电气方面的最不稳定因素是分布电容。对稳定性影响最大的分布电容是极板固定结构的分布电容和电感器的寄生分布电容。

形成极板固定结构的分布电容的介质是绝缘瓷片及粘结瓷片与极板、极板支架的有机粘接剂。这里, 有机粘接剂是影响分布电容稳定性的最大因素。有机物介电常数随温度变化大, 且与温度呈非线性的关系, 引起极板固定结构分布电容随温度变化较大, 造成电容传感器零点输出和灵敏度的温度影响较大。这些影响与温度呈非线性的关系。一般在20-30℃ 以下, 随温度上升零点输出和传感器灵敏度也上升; 超过20-30℃, 随温度上升零点输出和传感器灵敏度反而下降。在低温和高温段, 温度影响曲线的斜率是很大的。虽然电容式传感器采用了温度补偿的办法减少温度的影响, 但大家知道,一般好的补偿措施也只能将影响因素的影响降低1个数量级左右, 由于低温段和高温段温度影响曲线的斜率很大, 因此温度补偿后传感器仍会存在一定的温度影响。在实践中发现, 温度的影响有一部分是不可逆的。分析认为, 一部分原因是由于有机材料的吸湿性大, 在温度循环时, 传感器内部水分的分布情况发生了变化, 造成分布电容的变化引起传感器特性的变化。从以上分析可以看到, 固定极板的有机粘接剂是影响传感器精度的不利因素。如果能改进工艺, 取消不稳定的有机粘结剂, 传感器的性能指标将有很大的提高。

电容式传感器的电感器是用冷紧绕工艺将漆包线绕在陶瓷骨架上, 再被覆绝缘漆制成。有机绝缘漆是电感器寄生分布电容最大的不稳定因素。用无机材料代替有机绝缘材料是提高传感器稳定性的一个有效的措施。

控制传感器内部的水分是提高稳定性的一个重要措施。传感器应采用真空充氮工艺, 即先将传感器干燥处理, 内部抽成真空, 再充入干燥的氮气。氮气应经过干燥处理, 增加氮气湿监测装置, 保证氮气的露点在-4 0 ℃ 以下。当然, 密封结构的检漏是必不可少的工序, 否则一切干燥密封措施都行同虚设。

增加L C 振荡器稳定性的方法

电子吊秤用的无线电发射机对电容传感器的LC振荡器有一定的干扰。改进方法一是加强电路的去藕, 二是提高LC振荡槽路的Q值。刚才提到电容式传感器的电感器是用冷紧绕工艺将漆包线绕在陶瓷骨架上, 其本身的Q 值在工作频段为10 0 以上, 但由于电感器体积较大, 整个振荡电路又是密封在电容传感器内狭小的空间里, 造成LC 振荡槽路的Q 值大大下降。这可以从将振荡电路装人传感器后振荡波形的输出幅度大幅度下降看出。一个改进方法就是减小电感器的体积。虽然原始Q 值可能会有所下降, 但最终振荡槽路的Q 值将会提高。

提高传感电容器初始极板间隙的稳定性

在修理生产中的不合格产品和返厂维修产品时发现, 相当大比例产品的传感电容器初始极板间隙发生了明显的变化, 而且大多数是不均匀的变化。电容传感器生产过程中对极板间隙的要求是非常高的, 整个装配工作是在净化间里进行, 防止异物进人极板间隙。如果极板间隙不平行, 传感器的抗偏载能力将大大下降, 其表现是电子吊秤的重复性误差和旋转误差变大, 传感器的输出特性也将发生变化, 表现为电子吊秤的非线性误差变大。

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