水下称重传感器的无砝码标定

邵龙潭，阎崇超，曾飞涛

(1.大连理工大学 工程力学系，辽宁 大连116085;2.工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116085)

0 引 言

对于一般普通称重传感器来说，用砝码进行标定是最常规、最普通的方法，但是，在许多测力与称重系统中，特别是一些大量程的称重传感器，往往不能进行砝码标定(因为几吨到几百吨的砝码是无法加载到传感器上的)。而针对大量程的称重传感器，就必须使用无砝码标定的方法来进行传感器标定［1］。在土工三轴试验中［2］，为了排除轴向加载杆与滑动轴承之间的摩擦，采用传感器内置的方法代替传统的量力环作为测量轴向力的工具，对量程为1t 的内置水下测力传感器，由于受工况和量程的限制，就必须采用无砝码标定的方法，而且还需探究围压对水下称重传感器精度的影响。

1 砝码标定方法与无砝码标定方法

以砝码作为标准标定方法是传统的称重系统标定方法。用砝码进行标定的实质是以合格的砝码为基准，对称重传感器进行对比标定的。但是，对于量程为1 t 的称重传感器，将1 t 的砝码加载到实验机上存在较大的难度，而且砝码重量累计为1 t 也存在着较大的误差。

而无砝码标定系统是以高精度的传感器为标准，用精度高的传感器来标定测力装置。这时借助一个多功能加载机、标准传感器和连接装置，通过连接装置把标准传感器和被测系统线性叠加起来，根据牛顿第二定律，进行对比标定。

在进行无砝码标定之前，先在实验室条件下对高精度标准传感器进行砝码标定检验，标定装置如图1 所示。

图1 砝码标定装置Fig 1 Device of weight calibration

实验室现有砝码规格10，5.1 kg 若干，以砝码的质量为真值，计算标准传感器示数与真值之间的误差，其结果如表1所示。

表1 标准传感器砝码标定误差Tab 1 Weight calibration error of standard sensor

考虑到标准传感器零漂的影响，该传感器的量程为1t，在其小量程部分也具有较高的精度，因此，该传感器可以用来作为水下称重传感器无砝码标定的标准传感器。

2 水下称重传感器无砝码标定实验系统

标定装置由标准传感器、二次仪表、加载装置(包括滚珠丝杠、步进电机、驱动器、运动控制系统、水压力发生器、加载杆、滑动轴承)，压力室、承力部件(龙门架和承力梁)组成［3］。标定时，将经过放大后的水下称重传感器输出电压接到数据采集卡上，用VC++设计一个简单的虚拟仪器用于读取数据，编制了具有低通滤波功能的采样子程序用于实时采集数据，以便进行比较［4］。

2.1 对比标定法

由于水下称重传感器在压力室内部，而标准数值传感器在压力室外部，在标定过程中，存在摩擦力的影响，所以，在正式的标定前，采用对比标定的方法排除摩擦力的影响。首先，要测量在无围压、无摩擦状态下的水下称重传感器的精度，仪器装置安装如图2 所示，此时，压力室并不处于密闭状态，围压与大气连通，认为是0 kPa。

图2 无围压与无摩擦标定状态Fig 2 Calibrating status of no confining pressure and no friction

将量程为1 t 的水下称重传感器的量程平均分为10 段，然后启动步进电机，使步进电机运动速率较高，为75 mm/min，当标准传感器的显示仪表接近所标定的力值时，微调步进电机，其加载速率较慢，为0.01 mm/min，使标准传感器值达到标定值，并使其稳定于该值。为了减少误差，实际测量中，每一级测量10 次，记录下被标定的水下称重传感器的输出值。最后在数据处理时，用Matlab 对实验中所测的每一个点进行最小二乘曲线拟合［5］，得到输出电压与质量负载的关系。得到的曲线如图3 所示，其拟合的方程为y=0.988 4 x+0.021 1。

图3 无摩擦无围压拟合曲线Fig 3 Fitting curve of no friction and no confining pressure

将压力室顶盖带有滑动轴承的部分安装上，整个标定系统如图4 所示。

图4 无围压有摩擦标定状态Fig 4 Calibrating status of no confining pressure but friction

再重新按之前的步骤对水下称重传感器进行标定，此时得到的曲线如图5 所示，其曲线方程为y=1.014 7 x+0.002 1。

图5 无围压有摩擦拟合曲线Fig 5 Fitting curve of no confining pressure but friction

对比图3、图4，可以得到两条曲线在y 轴方向上的平均截距值，取平均截距值作为在加载过程中加载杆与滑动轴承之间的摩擦力。

2.2 在不同围压下对水下称重传感器的标定

在土工三轴实验中，通常要测在不同围压条件下土体的应变、应力。因此，需要在不同围压条件下，对水下称重传感器进行标定。

首先，按照图4 所示，安装标定装置。其次，用多功能加载装置自带的水压力发生器向压力室中注水，并且使压力室内围压保持恒定。然后，再按照之前的方法逐级标定水下称重传感器。在计算误差时，标准传感器的数值应将2.1 中对比标定法中得到的摩擦力值减掉，这样得到的值与测量到的水下称重传感器的值进行做差，得到误差值。

用水压力发生器改变围压值，分别在不同围压值的条件下，对水下称重传感器进行标定，并且比较在不同围压的条件下，水下称重传感器的精度差异。

3 实验数据与分析

3.1 不同围压条件下的实验结果

由图6 可知，在不同围压条件下，标定结果不完全相同，由表2 可知，曲线的系数并不完全等于1，而是在小数点后还有4 位，并且随着围压的不断变化，直线的斜率也在不断的变化，所以，需要建立一个围压与拟合直线斜率的关系，如图7 所示，拟合直线斜率的倒数是水下称重传感器的灵敏度。

图6 不同围压条件下拟合曲线方程Fig 6 Fitting curve equations under different confining pressure conditions

表2 不同围压条件下拟合曲线方程Tab 2 Fitting curve equations under different confining pressure conditions

图7 围压与拟合曲线斜率关系曲线Fig 7 Relationship curve of confining pressure and fitting curve slope

3.2 对传感器进行修正后的误差

将虚拟仪器测得数据带入拟合曲线方程，处理后的标准传感器示数作为负载，计算出误差，通过(计算负载—负载)/负载×100%得到误差［6］，拟合后误差与荷载关系曲线见图8。

从表2 中可以看出:经过对不同围压下传感器示数的修正，修正后的结果误差较小，精度大大提高。但是，在小量程时，由于传感器零漂、回程误差等问题的影响，误差较大，所以，在实际使用过程中，应使用量程位于传感器总量程的70%左右。

图8 拟合后误差与荷载的关系曲线Fig 8 Relationship curves of fitting error and loads

3.3 标定过程中应注意的问题

对水下称重传感器进行标定的关键部件——标准传感器。传感器有17 项技术指标，要想每一项指标都很高是很难做到的，而且成本很高，在实际选择标准传感器时应选择自振频率越高越好，然后选择重复性高、稳定性高、温漂小，蠕变小的传感器［7］。综上选择精度为0.1%、量程为1 t 的数字拉压传感器。

其次，采用步进电机带动丝杠作为加载装置，其最大的优点在于，加载过程中位移不存在蠕变。但是在进行逐级加载过程中，传感器存在蠕变现象，尤其是加载力越大，蠕变现象越明显，在数据处理时，对所读数取平均值，将这种蠕变所带来的误差降到最小。

4 结 论

对水下称重传感器进行无砝码标定，通过实验的测试，具有稳定、高效、可靠的特点，通过多次实验验证了系统的精度和准确性，并且探究了围压对水压称重传感器灵敏度的影响。随着围压的增大，直线斜率逐渐增大，水下称重传感器的灵敏度越低。在进行土工三轴实验中，为了得到更精确的结果，需要考虑围压对传感器灵敏的影响。

［1］ 陈德林.无砝码智能校验装置的实施［J］.梅山科技，2002(1):17－19.

［2］ 刘宝有.土压力传感器的标定方法［J］.传感器技术，1990(3):42－45.

［3］ 周 静，彭琰举，常 鹏，等.基于Zig Bee 的压力传感器标定系统的研究［J］.电子设计工程，2012，20(11):61－67.

［4］ 向文军.最小二乘法在定向钻进中的数据拟合［J］.石油钻采工艺，2010(6):17－19.

［5］ 周 伟，包建东，丁良华.传感器标定的非线性矫正研究［J］.测试技术学报，2013，27(4):358－361.

［6］ 陈光胜.标定方法对称重传感器标定的影响［J］.现代制造技术与装备，2006，170(1):47－48.

［7］ 刘九卿.提高称重传感器准确度和稳定性的若干问题［J］.科技应用，2013，42(5):1－6.