【摘 要】 本文介紹了電容式稱(chēng)重傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及補(bǔ)償方法。
【關(guān)鍵詞】 電容式;高溫;稱(chēng)重傳感器;應(yīng)用;研究
一、前言
在建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的今天，高溫環(huán)境中的稱(chēng)重技術(shù)，越來(lái)越受到重視。隨著微處理技術(shù)的日臻完善，電子線(xiàn)路能緊靠電容式稱(chēng)重傳感器的極板，解決了電容式稱(chēng)重傳感器由于寄生電容、分布電容對(duì)靈敏度、準(zhǔn)確度的影響;同時(shí)微處理技術(shù)對(duì)電容式稱(chēng)重傳感器的溫度特性和非線(xiàn)性進(jìn)行有效補(bǔ)償，出現(xiàn)了與電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器電子秤相媲美的電容式平臺(tái)秤、吊秤等。另外，電容式稱(chēng)重傳感器具有不需要使用有機(jī)材料或磁性材料，從原理和結(jié)構(gòu)上解決了電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器在高溫等惡劣環(huán)境中遇到的技術(shù)難題。電容式稱(chēng)重傳感器在高溫、低溫及強(qiáng)輻射等惡劣環(huán)境下，能正常工作的特性，開(kāi)辟了高溫稱(chēng)重技術(shù)的又一新領(lǐng)域。電容式稱(chēng)重傳感器在高溫等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用正逐漸得到重視。
二、電容式稱(chēng)重傳感器的結(jié)構(gòu)與原理
電容式稱(chēng)重傳感器的原理：電容式稱(chēng)重傳感器是把被稱(chēng)物體重量轉(zhuǎn)換為電容容量變化的一種傳感器。通常為差動(dòng)變間距電容式稱(chēng)重傳感器，采用調(diào)頻電路，實(shí)際上就是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。當(dāng)被稱(chēng)重物差動(dòng)改變電容的間距而使電容發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化，在鑒頻器上變換為振幅的變化，經(jīng)放大轉(zhuǎn)換成一個(gè)直流的高電平信號(hào)輸出，在稱(chēng)重儀表顯示。這種電容式稱(chēng)重傳感器能獲得高于改變其它參數(shù)的電容式稱(chēng)重傳感器的靈敏度，可以測(cè)量微米數(shù)量級(jí)的位移。同時(shí)具有非線(xiàn)性小，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，特性穩(wěn)定的特點(diǎn)。
電容式稱(chēng)重傳感器的結(jié)構(gòu)：電容式稱(chēng)重傳感器是由彈性組件、極板、極板支架、LC振蕩電路、密封殼等組件組成的變間距式電容傳感器。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性，高溫電容式稱(chēng)重傳感器的一個(gè)極板用彈性體的表面代替，另一片極板通過(guò)絕緣瓷片固定在極板支架上。
高溫電容式稱(chēng)重傳感器的組成：高溫電容式稱(chēng)重傳感器由傳感器電容和陶瓷骨架的穩(wěn)定電感器組成的LC振蕩器、熱敏電阻溫度傳感器、編碼器電路、電源、高溫雙屏蔽電纜及補(bǔ)償接線(xiàn)盒等組成。編碼器電路見(jiàn)圖1。
高溫電容式稱(chēng)重傳感器采用雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)，使雙層屏蔽與信號(hào)傳輸導(dǎo)線(xiàn)為等電位，
消除引線(xiàn)與屏蔽層之間的電容。采用分段拋物線(xiàn)插值的算法進(jìn)行線(xiàn)性化處理。具體方法是，在經(jīng)常使用的高溫范圍內(nèi)分12個(gè)秤量點(diǎn)，逐點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，為了提高高溫電容式稱(chēng)重傳感器的穩(wěn)定性，應(yīng)進(jìn)行兩個(gè)循環(huán)的溫度試驗(yàn)，測(cè)量出高溫電容式稱(chēng)重傳感器的輸出特性曲線(xiàn)和溫度影響曲線(xiàn)，用曲線(xiàn)擬合的方法外推出-1力級(jí)的數(shù)據(jù)并求出各秤量段的拋物線(xiàn)參數(shù)，將這些參數(shù)與溫度影響曲線(xiàn)參數(shù)一起寫(xiě)入補(bǔ)償接線(xiàn)盒的EPROM中，稱(chēng)重儀表的微處理器在稱(chēng)量時(shí)計(jì)算重量。同時(shí)補(bǔ)償接線(xiàn)盒還起到平衡高溫電容式稱(chēng)重傳感器輸出的作用。
三、高溫電容式稱(chēng)重傳感器的補(bǔ)償方法
溫度影響及補(bǔ)償方法：溫度對(duì)傳感器性能影響的途徑有，彈性體材料彈性模量的溫度系數(shù)、分布電容、電感器的電感量、時(shí)間基準(zhǔn)隨溫度的變化，傳感器結(jié)構(gòu)材料的熱脹冷縮對(duì)極板間隙的影響等。由圖2可知，這些因素對(duì)電容式稱(chēng)重傳感器靈敏度影響的特點(diǎn)是滿(mǎn)秤量相對(duì)誤差與秤量的關(guān)系呈非線(xiàn)性，當(dāng)量相對(duì)誤差與秤量的關(guān)系呈線(xiàn)性。靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ?jiàn)圖3，通過(guò)在不同溫度下對(duì)電容式稱(chēng)重傳感器的標(biāo)定，確定量程兩端(-1力級(jí)和120%*大秤量)的溫度影響曲線(xiàn)，用線(xiàn)性插值的方法計(jì)算當(dāng)前溫度下對(duì)實(shí)際秤量點(diǎn)的補(bǔ)償量。起始點(diǎn)的溫度補(bǔ)償也是通過(guò)溫度試驗(yàn)取得起始點(diǎn)的溫度影響曲線(xiàn)，再根據(jù)電容式稱(chēng)重傳感器的實(shí)際溫度對(duì)起始點(diǎn)進(jìn)行修正。
濕度的影響主要是通過(guò)分布電容的變化起作用。當(dāng)電容式稱(chēng)重傳感器未密封時(shí)，在高溫潮濕的環(huán)境里，電容式稱(chēng)重傳感器輸出靈敏度下降可超過(guò)1%。為了防止?jié)穸鹊挠绊?，電容式稱(chēng)重傳感器應(yīng)密封起來(lái)，采用金屬密封結(jié)構(gòu)并充干燥氮?dú)獗Ｗo(hù)。
電容式稱(chēng)重傳感器蠕變的補(bǔ)償方法：應(yīng)變傳感器的蠕變可通過(guò)應(yīng)變片、應(yīng)變膠的負(fù)蠕變進(jìn)行補(bǔ)償，而電容式稱(chēng)重傳感器是通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償。采用雙指數(shù)曲線(xiàn)疊加法補(bǔ)償，即補(bǔ)償量為兩條參數(shù)不同的指數(shù)衰減曲線(xiàn)的疊加，補(bǔ)償效果較好，算法也不復(fù)雜。補(bǔ)償量的計(jì)算公式如下：
1122iiYCXCX=+
()11iiXXBX-=D+
()22iiXXBX-=D+
式中： ——補(bǔ)償量;、——初償系數(shù); iY1C2C
1B、2B——衰減系數(shù);iXD——重量增量
補(bǔ)償算法的參數(shù)可以通過(guò)理論分析計(jì)算，也可采用試驗(yàn)結(jié)果得出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
影響電容式稱(chēng)重傳感器滯后的因素有傳感器結(jié)構(gòu)(如極板的固定方式、密封罩的結(jié)構(gòu)形式)、彈性體的應(yīng)力集中、彈性材料的內(nèi)摩擦、彈性材料的微觀組織結(jié)構(gòu)(熱處理工藝和參數(shù))和傳感器的制作工藝過(guò)程等。電容式稱(chēng)重傳感器的分散性較大，產(chǎn)生分散性的原因有極板的形位誤差如平面度、極板間隙平行度的差別，電參數(shù)如分布電容、電感的分散性等。這些因素不但影響電容式稱(chēng)重傳感器的輸出特性的一致性，也影響電容式稱(chēng)重傳感器的溫度特性的一致性，因此每只電容式稱(chēng)重傳感器連同雙屏蔽電纜(按長(zhǎng)度)都要模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)過(guò)不同溫度的標(biāo)定，計(jì)算出不同的補(bǔ)償曲線(xiàn)
和補(bǔ)償系數(shù)，采用曲線(xiàn)擬合的方法在補(bǔ)償接線(xiàn)盒及稱(chēng)重儀表內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償。
四、高溫電容式稱(chēng)重傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
高溫電容式稱(chēng)重傳感器的絕緣材料必須有高的絕緣性能，足夠的機(jī)械強(qiáng)度，高的形狀穩(wěn)定性及良好的抗?jié)裥阅?。?yīng)考慮高溫電容式稱(chēng)重傳感器材料的膨脹系數(shù)與金屬部件的膨脹系數(shù)相匹配。陶瓷是較理想的絕緣材料。
對(duì)金屬部件電極及其支承件也要有較高的形狀穩(wěn)定性，電容極板內(nèi)表面必須保持清潔，應(yīng)防塵。對(duì)高溫電容式稱(chēng)重傳感器的殼體要求剛性好，且密封。極板盡量薄，在陶瓷材料上蒸鍍金屬膜作極板。
高溫雙屏蔽電纜應(yīng)通過(guò)金屬軟管、金屬線(xiàn)管進(jìn)入補(bǔ)償接線(xiàn)盒。補(bǔ)償接線(xiàn)盒的安裝位置應(yīng)盡可能地避開(kāi)高溫區(qū)域。金屬軟管、金屬線(xiàn)管應(yīng)采取隔熱保護(hù)措施。
每只高溫電容式稱(chēng)重傳感器都有一個(gè)EPROM和它相對(duì)應(yīng)，更換高溫電容式稱(chēng)重傳感器時(shí)也需更換補(bǔ)償接線(xiàn)盒中相應(yīng)的EPROM，而無(wú)需更換稱(chēng)重儀表?？朔烁邷仉娙菔椒Q(chēng)重傳感器一致性差的不足。
五、結(jié)束語(yǔ)
高溫電容式稱(chēng)重傳感器是頻率量輸出，而頻率量信號(hào)放大過(guò)程不引入誤差，測(cè)量容易，信號(hào)處理過(guò)程引入誤差的環(huán)節(jié)少，有利提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。高溫電容式稱(chēng)重傳感器自身不發(fā)熱，不會(huì)產(chǎn)生因自身發(fā)熱而引起的零漂。不需要預(yù)熱時(shí)間。
針對(duì)熱輻射(烘烤)、傳導(dǎo)形成的高溫或高溫與室溫交替變化的情況，每只電容式稱(chēng)重傳感器由于都是在不同溫度下標(biāo)定的，且有溫度傳感器做溫度補(bǔ)償，所以電容式稱(chēng)重傳感器在高溫環(huán)境中表現(xiàn)出來(lái)的計(jì)量性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
