稱重傳感器并聯組秤的偏載調試技術

【摘 要】本文分析了電阻應變式稱重傳感器并聯組秤的偏載誤差調試原理，重點介紹了一些調整偏載誤差的實用電路和實際調試時需注意的事項。
【關鍵詞】 稱重傳感器；并聯組秤；偏載調試
一、引言
中、大型電子衡器均由幾個電阻應變式稱重傳感器（以下簡稱為稱重傳感器）組成，而稱重顯示儀表則僅用一塊。對于幾個稱重傳感器組秤的聯接有二種方式，即串聯組秤和并聯組秤。由于電子技術的飛躍發展，單片機的普及，稱重儀表的輸入靈敏度等性能的極大提高，*了并聯組秤的技術要求，所以從上世紀80年代國內也淘汰了串聯組秤，普遍采用并聯組秤方式。
然而由于電子衡器受土建施工和機械安裝的影響，易造成各個稱重傳感器受力的不均勻。加之稱重傳感器的制造，雖經電路補償與調整，各項參數也不可能做到*一致。這樣有可能會給用多個稱重傳感器并聯工作的電子衡器帶來不能接受的偏載誤差。電子衡器業內周知偏載測試合格與
否，是電子衡器能否通過檢定，正常使用的關鍵一項。因此分析稱重傳感器并聯組秤時偏載調試的原理，減小偏載誤差，探討有效合理的調試方法十分必要。
二、稱重傳感器并聯電路簡析
1、一個稱重傳感器的電路
稱重傳感器是在彈性體上按照一定的規律粘貼電阻應變片且接成電橋電路形式。為使多項技術參數達到要求，還需逐個進行電路補償與調整，加一些補償電阻。如圖一所示。
R1、R2、R3、R4 電阻應變片 RZT 零點輸出溫度補償電阻
Ri 輸入阻抗補償電阻 RZ 零點輸出補償電阻
RL 線性補償電阻 RO 輸出阻抗補償電阻
RS 靈敏度補償電阻 RST 靈敏度溫度補償電阻
圖一
根據戴維定理，一只稱重傳感器的電路可以等效為一個電壓源和與其輸出阻抗串聯的電路 如圖二所示。
圖二
e是稱重傳感器受載后產生的電壓信號，其大小正比于稱重傳感器的靈敏度系數K和重量W的大小。RO是稱重傳感器的輸出阻抗。如果在稱重傳感器輸出端并接一個可調電位器RW加以調整，則可使多個稱重傳感器的輸出電壓相等，即U01=U02=U0n。如圖三所示。目前應用多的偏載誤差調整方法就是基于此原理。 1011101.WWRRReU+= 2022202.WWRRReU+=
圖三
2、多個稱重傳感器并聯的電路
多個稱重傳感器并聯連接電路如圖四所示。多個稱重傳感器的輸入端并聯，由稱重儀表里的直流穩壓電源供電作為橋壓，輸出端也并聯，輸出信號電壓至稱重儀表。
圖四
n只稱重傳感器并聯輸出的等效電路如圖五。ei為第i個稱重傳感器輸出端開路的輸出電壓。R0i為第i個稱重傳感器在電壓源短路的輸出電阻。e為n個稱重傳感器并聯后的總的輸出電壓。
圖五
圖五并聯輸出等效電路的節點電壓方程式為： nnnReReReRRRe002201100201...1...11+++=????????+++
因為ei=kiwi 所以ΣΣ===niiniiiiRRwke10101
由上式可以看出，對于用n個稱重傳感器并聯組成的電子衡器，Σ=niiR101必然是一個確定的常數，它不會給電子衡器造成偏載誤差。而Ki和R0i的分散性卻會直接影響e和w成正比的關系。也就是說，只有當多個稱重傳感器的靈敏度系數Ki和輸出阻抗R0i都相等，或者它們的比值iiRK0相等時，才能保證同一載荷W在電子衡器臺面不同的位置上，顯示值一致，即無偏載誤差。顯然多個稱重傳感器并聯組秤所必須具備的條件是各稱重傳感器的iiRK0比值一致。但由于大批量生產制造出來的同一系列同規格稱重傳感器的靈敏度系數和輸出阻抗存在一定離散性是不可避免的，加之土建施工、機械安裝因素，所以多個稱重傳感器并聯組秤都需要設置接線調整盒來解決偏載誤差問題。
三、實用的調整電路
圖六
稱重傳感器并聯組秤時，常用的偏載誤差調整的方式如圖六所示。*，稱重傳感器生產制造時對各種技術參數的補償修正都是對稱調整實施的。例如靈敏度系數調整電阻就是以對稱形式連接在輸入端的兩邊。所謂電壓調節方式，實質上是微調其靈敏度系數，故也應該以對稱形式出現在輸入端。
上世紀90年代金鐘公司生產的靜態電子軌道衡就是采用圖六（a）方式，是在多個稱重傳感器輸入端各串接一對精密電位器（RW=20Ω），對多個稱重傳感器得到的激勵電壓作細微的調整，從而改變其靈敏度系數，以使各稱重傳感器的Ki/Roi比值趨于一致，消除偏載誤差。
圖六（b）為一進口稱重設備上接線盒中的電路。一是在多個稱重傳感器輸出端串聯一對誤差小0.05%的精密電阻（2.5K～5K）。精密電阻阻值遠大于稱重傳感器的輸出電阻，從而相對有效地減小稱重傳感器輸出電阻的離散程度。二是在輸入端兩邊對稱的串接三個小阻值的精密電阻，每個電阻有短接焊點，供調整之用。實質上是改變每個稱重傳感器所得到的激勵電壓值的大小，微調其靈敏度系數，達到各稱重傳感器的Ki/Roi比值一致。實際使用情況表明，這種調整方法相對比用電位器（圖六（a））的長期穩定性要好。上二種調整方式，在調試時要注意兩邊對稱調整。早期有些調整電路僅在輸入端單邊串接一只精密電位器，易造成稱重傳感器中點電位的差異，對輸出零點和稱量精度都會帶來影響，這是不提倡使用的。
圖六（c）是多個稱重傳感器并聯組秤普遍采用的一種調整電路。電阻R是為了防止電位器Rw短路而設，精密電阻Rg為隔離電阻，將各稱重傳感器經調整后的電壓隔離開來，稱重傳感器輸出電壓經過各自的隔離電阻，并聯起來送至稱重儀表。顯然，通過改變Rw可以使各個稱重傳感器輸出電壓趨于一致，加之隔離電阻也能起到減小稱重傳感器輸出電阻離散程度的作用，這樣有效的消除了偏載誤差。實際使用時的接線如圖七所示（未畫出TVS管）。此法我們早見于上世紀80年代中托利多公司生產的電子汽車衡中，后被大家接受，廣泛使用。
圖七
可以明顯的看出來，和近來有些文章中所給出的電流調節方式的電路（《衡器》2010年5期26頁圖3）相比，雖然電路參數相同，但其作用效果大不一樣。在不考慮其他并聯稱重傳感器的影響情況下，畫出二種等效電路，以輸出電阻RO=700Ω的稱重傳感器為例，下面的等效電路圖（右圖）調節范圍為：-0.3%～-6.5%，調整量為6.2%。《衡器》2010年5期第26頁圖3的等效電路調節范圍為：-2.6%～-36.3%，調整量為33.7%。近年來國產稱重傳感器質量普遍提高，尤其是幾個大廠的，*并聯組秤的要求。不知設計如此之大的調整量有何用？且一開始會造成稱重傳感器輸出信號電壓衰減近3％，真令人難以理解。所以我們認為下圖3方式是不妥的，主要是隔離電阻起不到隔離
電阻應有的作用。開始我們臆斷，可能是作者粗心把隔離電阻的位置畫錯了，或者是印刷有誤。然而我們在先后不同的三篇文章（中國計量2009-5-91頁，計量技術2009-12-58頁，衡器2010-5-26頁）中都看到是同樣的表述，不知作者是否實際使用過這種調整方式，我們推測，如不是特例，下圖3方式是無法正常工作的。
《衡器》2010-5-26頁 等效電路
圖3的等效電路
四、實際調試時應注意事項
1、選配稱重傳感器
因為多個稱重傳感器的iiRK0比值相等是并聯組秤的*條件，所以要有意識的盡量選擇靈敏度系數Ki和輸出電阻Ro的數值接近一致的稱重傳感器作為一組，供并聯組秤用。不要依賴有調整電路，隨意地取幾個進行組合，這樣有可能會給偏載調試帶來麻煩。
2、檢查稱重傳感器受力情況
在實際調試時，當發現偏載誤差較大時，應首先檢查和排除因基礎施工和機械傳力機構安裝不當所造成的故障。比如固定稱重傳感器的承重底板的水平和高差是否達到設計標準要求，各稱重傳感器受力是否正確，找出產生偏載誤差的真正原因，不要輕率地就進行調整，因為一般調整電路的可調范圍不大，這樣往往會無功而返，即使能夠調好也會留有隱患，尤其是對于新安裝的秤。
3、接線盒與稱重傳感器匹配的確認
要檢查一下接線盒內的調整電路是否與稱重傳感器的輸出電阻相匹配。接線盒（圖六C）是批量生產的通用標準配件，供輸出電阻為350Ω～1000Ω的多種稱重傳感器并聯組秤時，偏載調試用。但對于輸出電阻為4KΩ的稱重傳感器就不適合了，需重新配置調整電路中的電阻。另外，接線盒中的多個電位器在調試前，應注意檢查是否處于中間位置，以便可以向兩個方向調整。首先用約等于（Max/N-1）值的穩定載荷把N個承
重點檢測一遍，記錄下N個數據，然后依照“少數服從多數，向中間值靠攏”的原則進行調試，這樣可使N個數據盡快趨于一致，順利完成偏載誤差的調試檢定工作。
五、結束語
電子衡器的偏載測試是檢定工作中至關重要的一項，在實際操作中，從業人員能對偏載誤差產生的原因作出正確的判斷，明確調整的原理，掌握行之有效的調整方法是十分必要的。