多傳感器一致性校準(zhǔn)方法與分析

余學(xué)鋒，萬 堯，劉海勇

（1.63870部隊(duì)，陜西 華陰 714200；2.衡水建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，河北 衡水 053000）

0 引 言

在常規(guī)武器試驗(yàn)靶場(chǎng)，經(jīng)常遇到多傳感器一致性的校準(zhǔn)問題。對(duì)于武器參數(shù)測(cè)試平臺(tái)而言，多傳感器一致性校準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的就是偏載誤差。目前有關(guān)采用多個(gè)傳感器的電子汽車衡、電子地上衡的偏載誤差校準(zhǔn)方法，都是基于調(diào)整各個(gè)傳感器的輸出靈敏度和輸出阻抗盡可能一致。具體是在每個(gè)傳感器輸出端串入偏置電阻，觀察輸出信號(hào)變化情況調(diào)整偏置電阻大小[1]。由于各個(gè)傳感器采用并聯(lián)工作方式，調(diào)整過程中存在相互作用，相鄰承重點(diǎn)也會(huì)互相影響，因此調(diào)整某一傳感器的偏置電阻，相鄰角上的傳感器輸出電壓也會(huì)隨著產(chǎn)生微小的變化。調(diào)整過程中不易控制調(diào)整量的大小，往往出現(xiàn)稍一調(diào)就過頭的現(xiàn)象，需反復(fù)調(diào)整，耗時(shí)費(fèi)力[2]。為此本文提出了一種新的基于歸一化算法的偏載誤差校準(zhǔn)方法，操作簡(jiǎn)單，校準(zhǔn)精度高。

1 原理與方法

1.1 平臺(tái)實(shí)際測(cè)試情況描述

武器系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)臺(tái)面尺寸為3m×4m，采用了4只模擬式稱重傳感器分布于平臺(tái)四角，顯示控制單元內(nèi)設(shè)置了用于調(diào)整偏載誤差的PCB板。對(duì)于該武器系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)而言，多傳感器一致性校準(zhǔn)就是無論武器系統(tǒng)放置于平臺(tái)的任何位置，其傳感器測(cè)量結(jié)果的分布都應(yīng)該滿足小于1%的技術(shù)指標(biāo)要求。

在平臺(tái)傳感器承重板的基礎(chǔ)安裝完成后，就要對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的目的是為了消除偏載誤差。以往都是在每個(gè)傳感器輸出端串入偏置電阻，通過調(diào)整各傳感器對(duì)應(yīng)的偏置電阻來微調(diào)阻抗靈敏度，使得各個(gè)傳感器輸出阻抗和靈敏度系數(shù)盡量一致來降低偏載誤差。然而實(shí)際調(diào)整過程需要豐富的經(jīng)驗(yàn)，效率不高，有必要進(jìn)行改進(jìn)。

如圖1所示，在虛線左側(cè)的每個(gè)傳感器方框中都包含了一個(gè)橋式電路組件和電壓-電流轉(zhuǎn)換器，這樣傳感器感應(yīng)的質(zhì)量變化均表現(xiàn)為電流輸出變化；因此，可以把傳感器輸出看作是電流源輸出。在虛線右側(cè)的電路器件全部集成在一塊控制板 （PCB）板上，對(duì)多傳感器電流輸出采用了并聯(lián)組合方式，R0為稱重傳感器輸出限流電阻，大小為R0=30kΩ。在Pi點(diǎn)設(shè)有偏置電阻連接端口（未調(diào)整前為短接狀態(tài)），所有輸出電流通過并聯(lián)輸入到運(yùn)算放大器輸入端。

圖1 武器系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)稱重傳感器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

1.2 校準(zhǔn)原理及調(diào)整方法

在以往談到校準(zhǔn)偏載誤差的時(shí)候，一般是使傳感器輸出靈敏度和輸出阻抗的比值一致，使各傳感器間滿足 S1/R1=S2/R2=…=Sn/Rn（Si為靈敏度，Pi為輸入阻抗），或使得各傳感器在同樣的載荷下有相同的輸出[3]。而從偏載誤差校準(zhǔn)角度來說，希望有一個(gè)可調(diào)整的參量。該平臺(tái)稱重傳感器制造商在技術(shù)參數(shù)中給了電流校準(zhǔn)值（current calibration）這個(gè)參量。它定義為靈敏度輸出與輸出阻抗之比，其量綱為電流，所以稱為電流校準(zhǔn)[4]。也就是說在這個(gè)定義下，校準(zhǔn)偏載誤差的核心變?yōu)樵诳蛰d與加載后，每個(gè)傳感器輸出電流變化量應(yīng)該相等。

另外，由于平臺(tái)采用了4個(gè)傳感器并聯(lián)工作方式，各傳感器的輸出阻抗和特征值（靈敏度）不同，會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)附加誤差，而導(dǎo)致在承受非均布載荷時(shí)產(chǎn)生測(cè)量誤差[5]。只有當(dāng)并聯(lián)的所有傳感器的輸出阻抗相同時(shí)，總的輸出特性才符合算術(shù)平均值電路特性。否則，在非均布載荷的情況下，即各傳感器輸出不等時(shí)，就不能用算術(shù)平均的方法得到總輸出。因此，為了消除或減少附加誤差，也需要通過補(bǔ)償調(diào)整使各傳感器輸出阻抗和靈敏度保持一致。

下面將以電流參量為基礎(chǔ)進(jìn)行傳感器并聯(lián)使用時(shí)偏載誤差的校準(zhǔn)和調(diào)整。

由圖1可以得到每個(gè)傳感器的輸出電流模型為

平臺(tái)空載與加載后，其輸出電流差值為

對(duì)于單個(gè)傳感器測(cè)量，要求輸出電流變化與被測(cè)質(zhì)量變化成正比。在多傳感器條件下，同樣也希望各傳感器總輸出電流的變化與被測(cè)質(zhì)量變化成正比?？偟妮敵鲭娏鳛楦鱾鞲衅鬏敵鲭娏髦偷膌/n。從上述計(jì)算模型可以看出，在同樣的空載與加載后，每個(gè)傳感器輸出電流變化量應(yīng)該相等，消除并聯(lián)時(shí)的附加誤差，就必須使 ΔI1=ΔI2=…=ΔIn，從而實(shí)現(xiàn) ΔI=kΔIi。

理論上講，對(duì)于同樣的載荷，各傳感器的輸出電流差值應(yīng)該相同。而由于各種原因，在平臺(tái)安裝完畢后不能達(dá)到要求。顯然通過對(duì)傳感器輸出模型的分析，偏載誤差的校準(zhǔn)就是在同樣載荷下使各傳感器的輸出電流相同。為此設(shè)計(jì)了基于歸一化理論的偏載誤差校準(zhǔn)方法。這種方法不同于單個(gè)傳感器輸出信號(hào)調(diào)整方法，它是在知曉各傳感器輸出數(shù)據(jù)間差異的前提下，為消除這樣的差異而進(jìn)行的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)歸一方法[6]。

該方法以傳感器輸出的靈敏度分布為權(quán)值，將歸一化處理后各傳感器對(duì)電阻測(cè)量值加權(quán)后反算回整個(gè)處理電路，經(jīng)運(yùn)算放大器處理后得到新的測(cè)量結(jié)果。

在平臺(tái)空載的情況下，將高精度的數(shù)字電壓表分別連接至點(diǎn)Pi，測(cè)量輸出電壓V00，則空載時(shí)各個(gè)傳感器給出的電流為

在平臺(tái)上施加滿量程1/3的標(biāo)準(zhǔn)砝碼，將高精度的數(shù)字電壓表分別連接至點(diǎn)Pi，測(cè)量輸出電壓V0f，則有載時(shí)各個(gè)傳感器給出的電流為

各個(gè)傳感器輸出電流差值為

找出電流差值最小值所對(duì)應(yīng)的傳感器，其電流變化值計(jì)為ΔImin，該傳感器的偏置電阻值為0。計(jì)算其他傳感器的偏置電阻時(shí)，將最小電流值ΔImin代入式（8）得1組測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。若采用1%準(zhǔn)確度的金屬膜電阻，則最接近的標(biāo)稱電阻值分別為715，412，768Ω。

表1 歸一化方法傳感器偏置電阻數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2 實(shí)際應(yīng)用情況

在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)中采用了多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從平臺(tái)控制單元中將4個(gè)傳感器輸出連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道。首先在空載的情況下，采集4個(gè)傳感器輸出電壓值；然后利用一輛叉車，鏟起平臺(tái)最大秤量（滿量程 50t）的 1/（n-1）砝碼（此時(shí)總質(zhì)量約為17 t），視為同一載荷；將砝碼分別放在每個(gè)稱重傳感器上方的承載器上，讓叉車重心基本對(duì)準(zhǔn)承重點(diǎn)(稱重傳感器)位置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)依次采集叉車在各承重點(diǎn)位置時(shí)對(duì)應(yīng)傳感器的電壓輸出值，整個(gè)流程如圖2所示，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 偏載誤差校準(zhǔn)流程圖

表2 歸一化方法調(diào)整前后偏載誤差變化情況

由于在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中已經(jīng)嵌入了偏置電阻的計(jì)算軟件，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)立即給出傳感器應(yīng)配置的電阻值。選擇與計(jì)算值相近的標(biāo)稱電阻（1%準(zhǔn)確度的金屬膜電阻），連接于PCB板上，重新按照偏載誤差校準(zhǔn)方法對(duì)平臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，結(jié)果如表2?？梢钥闯?，通過對(duì)各傳感器偏置電阻的歸一化調(diào)整后平臺(tái)偏載誤差小于0.29%，而在未經(jīng)過調(diào)整前平臺(tái)的偏載誤差為2.88%，調(diào)整前后偏載誤差降低約10倍。而整個(gè)校準(zhǔn)過程簡(jiǎn)單，時(shí)間不超過10min。

在校準(zhǔn)及調(diào)整過程中，不確定度來源主要有：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電壓測(cè)量結(jié)果不確定度（20μV/1V量程），測(cè)量限流電阻時(shí)數(shù)字電壓表的測(cè)量結(jié)果不確定度（0.70 Ω/100 kΩ量程），最終依據(jù)電阻計(jì)算值調(diào)整配置電阻時(shí)受電阻標(biāo)稱值限制引起的不確定度，計(jì)算值與標(biāo)稱值之差引起的不確定度等[7]。通過實(shí)際分析計(jì)算，上述所有不確定度相對(duì)于最后的偏載誤差調(diào)整的影響不超過0.05%。

3 結(jié)束語(yǔ)

以各傳感器輸出電流變化量為校準(zhǔn)參量，采用歸一化方法獲得偏置電阻調(diào)整值，可有效減少偏載誤差調(diào)整過程的盲目性，提高調(diào)整效率。本文提出的方法是在產(chǎn)品級(jí)水平進(jìn)行校準(zhǔn)，在降低傳感器阻抗靈敏度不一致的同時(shí)也可消除裝配誤差[8]。

基于歸一化數(shù)據(jù)處理的偏載誤差校準(zhǔn)方法，便于計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理，一次測(cè)量過程便可得到各傳感器偏置電阻值，避免了以往一些方法的反復(fù)調(diào)整，效率明顯提高。雖然受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量誤差以及配置電阻標(biāo)稱值的限制，所選擇的偏置電阻值與實(shí)際計(jì)算值不完全相同，但是由此引起的誤差已經(jīng)小到足以滿足稱重傳感器偏載誤差調(diào)整的技術(shù)指標(biāo)要求。

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