压磁式测力传感器是利用铁磁材料的压磁效应来测量受力大小的。因其具有抗冲击、过载能力强、耐高温和潮湿、输出信号大、输出阻抗低等特点,故而在较为恶劣的环境中得到了广泛的应用。
但由于这种传感器的输出与受力值并非完全成线性关系,为了提高测量精度,通常是采取相敏整流方法或硬件线性处理电路来提高精度的。这些方法在调试和标定过程中非常费时费力,要经过多次反复调整才能达到较好的结果。为了提高测力计的线性度、简化调试标定过程,我们采用了微型计算机来对传感器的输出进行线性补偿。
1 设计思想
硬件框图如图1所示。
图1 硬件框图
为了满足系统的要求,使用了mcs51系列最小系统,它体积小、成本低。a/d、d/a均采用12位高精度转换器。为了简化标定过程,使用了eeprom数据存贮器,它能在标定过程中将传感器原始数据和标定数据在线烧结在存贮器内。为了提高测量系统的响应时间,软件上在标定时采用插值法,在测量时采用查表法。
传感器信号经过放大处理后,输入到高精度a/d转换器中,把模拟信号转换成数字信号,微处理器读入此数据后,进行线性化处理,之后送入d/a转换器,使输出成为与受力值呈线性关系的模拟信号。
2 软件编程
主程序流程图如图2所示。
图2 主程序流程图
标定程序流程图如图3所示。
图3 标定程序流程图
在标定时,微机自动根据ad输入的数据以及键盘输入的数据把标定曲线写入到eeprom内存中，则测量时,直接从内存中查找相应的数据,就可减少计算的时间,提高微机的处理速度。查出线性值之后,则把线性数据送入d/a转换器输出,且在显示器上显示出来。
3 计算方法
由于传感器存在一个初始零点,因而在未加励磁时,仪表本身的放大输出信号是一个负值,因此要求ad转换器为可正负输入的转换器。若以ad转换器的转换数据为地址,查寻数据存贮器中的数据,则可迅速得到所需的线性数据。且64k的eeprom就可存贮下这些数据。
若标定时,前一点的ad读数为d1,力值为w1;标定点的ad读数为d2,力值为w2;则w2以此两点做折线ab来代替曲线,其折线的斜率m为:
m＝(w2－w1)／（d2－d1） (1)
则d2与d1之间的第n个单元(dn)的力值wn为:
wn＝w1＋m.n=
w1＋n.（w2－w1）／（d2－d1） (2)
程序中即按(2)式对eeprom进行计算的。
标定曲线如图4所示。
图4 标定曲线
4 测试结果
本测力系统于1999年3月19日到中国计量院标定,测试数据如表1、表2:
表1 测试数据ⅰ
力值
mn | 传感器输出信号(mv) | 实际值 | 理论值 | 线 性 | 重复性 |
| 1 | 2 | 3 | 平均 |
| 0 | 320 | 320 | 320 | 320 | 000 | 000 | 000 | 00 |
| 2 | 496 | 496 | 496 | 496 | 176 | 107 | 069 | 000 |
| 4 | 600 | 600 | 600 | 600 | 280 | 214 | 066 | 000 |
| 6 | 702 | 702 | 703 | 702 | 382 | 321 | 061 | 001 |
| 8 | 799 | 799 | 798 | 799 | 479 | 429 | 050 | 001 |
| 10 | 884 | 885 | 886 | 885 | 565 | 536 | 029 | 002 |
| 12 | 963 | 963 | 963 | 963 | 643 | 643 | / | 000 |
| | | | | | | | 11% | 0.3% |
表2 测试数据ⅱ
力值
mn | 仪表输出信号(v) | 实际值 | 理论值 | 线 性 | 重复性 |
| 1 | 2 | 3 | 平均 |
| 0 | 0.00 | 0.01 | 0.01 | 0.01 | 0.00 | 0.000 | 0.000 | 0.01 |
| 2 | 0.84 | 0.84 | 0.85 | 0.84 | 0.83 | 0.837 | 0.007 | 0.01 |
| 4 | 1.68 | 1.68 | 1.69 | 1.68 | 1.67 | 1.673 | 0.003 | 0.01 |
| 6 | 2.51 | 2.52 | 2.53 | 2.52 | 2.51 | 2.510 | 0.000 | 0.02 |
| 8 | 3.35 | 3.35 | 3.37 | 3.36 | 3.35 | 3.346 | 0.004 | 0.02 |
| 10 | 4.19 | 4.19 | 4.19 | 4.19 | 4.18 | 4.183 | 0.003 | 0.00 |
| 12 | 5.03 | 5.03 | 5.03 | 5.03 | 5.02 | 5.020 | / | 0.00 |
| | | | | | | | 0.14% | 0.4% |
以上两组数据表明,经过微机线性化处理后,系统的线性度有了大幅度的提高。
采用上述线性化处理的方法,使标定工作更加方便、快速、省时、省力,还能提高系统的采样周期。尤其适用于工业现场的标定过程,例如:大包秤、天车秤等称量设备的现场标定。■
作者单位：余岩(冶金部自动化研究院 北京 100071)
