智能電子秤稱重校準技術方法研究

唐榮芳

廣西工業職業技術學院，廣西 貴港，537100

0 引言

電子秤作為一種應用廣泛的民生計量器具，其計量結果的可靠性和準確性是決定市場交易環境的重要基礎[1]。在此基礎上，衍生出的電子秤校準技術也開始受到了越來越多的關注[2]。一般情況下，對于智能電子秤的校準可以分為有靜態校準和動態校準兩類[3]。在電子秤的設計過程中，最關鍵的環節就是靜態校準，其與電子秤最終的準確度直接相關[4]。本質上，校準就是根據電子秤輸出的稱量數據與實際施加的標準載荷重量之間的差異對電子秤的上一級量值標準進行調節的過程[5]。現階段隨著稱量需求的不斷提高，對于智能電子秤的稱量精度和準確度要求也逐漸提高[6]。智能電子秤無論是在結構設計上，還是在技術應用上，都與傳統重量計量裝置存在較大差異，對其校準的難度也更大。

為此，本文提出智能電子秤稱重校準技術方法研究，并通過試驗測試的方式比較分析了提出校準方法的實際應用效果。通過本文的研究，也希望能夠幫助相關電子秤調試工作的開展提供有價值的參考。

1 智能電子秤稱重校準

1.1 智能電子秤誤差分配

為了實現對電子秤的準確校正，在確定電子秤給定誤差的前提下，需要將其合理地分配到各誤差源[7]，以確保總誤差不超過稱重誤差允許最大范圍。為此，本文首先對智能電子秤的誤差進行分配[8]。

假設智能電子秤的測量結果誤差為e，對應的誤差源分別為e1,e2,...,ei（其中，i表示誤差源的數量）。那么此時采用方根合成法計算電子秤的誤差綜合，可以表示為

結合式（1），對誤差分配的目標是最終的稱量誤差值在允許的偏差范圍。

在此基礎上，本文利用按照微小誤差理論，在對誤差進行分配前，首先將其分為校準標準器誤差和外在環境誤差，對應的式（1）可以表示為

其中，eb表示校準標準器誤差對智能電子秤稱量結果帶來的誤差，eh表示外在環境誤差對智能電子秤稱量結果帶來的誤差。

需要注意的是，上述的誤差都是以非定值的形式存在的，表現出一定的不確定性，為此，本文在計算過程中引入了模糊動態參量系數，此時的eb和eh分別可以表示為

其中，λb和λh分別表示校準標準器誤差的模糊動態參量系數和外在環境誤差的模糊動態參量系數，k表示貢獻值，xb和xh分別表示校準標準器基礎參數和外在環境基礎參數。

按照智能電子秤稱重允許誤差范圍要求，對其的分配可以表示為

即

其中，-a和a分別表示智能電子秤稱重允許誤差的最小值和最大值。通過這樣的方式，得到對應的滿足要求的eb和eh分配方案，為后續的電子秤校準提供數據基礎。但是需要特別注意的是，eb和eh分配方案一般情況下包含多組，而在實際執行過程中，只可選擇其中一組作為校準的基準參數。在具體的選擇階段，需要結合電子秤應用的實際環境條件，標準如表1所示。

表1 eb 和eh 分配方案選擇標準

按照表1的標準，結合實際情況對eb和eh分配方案進行合理選擇。當出現電子秤的應用環境存在表1中的交叉因素時，以因素強度為基礎對其進行進一步的選取。通過這樣的方式，為最終的校準結果可靠性提供保障。

1.2 誤差校準

在得到滿足稱重要求的誤差分配方案后，需要通過對智能電子秤的相關元件參數進行調節，落實上述的分配結果。本文考慮到在實際的校準過程中，需要調節的元件無論是結構，還是原有的參數設置信息，都較難實現完全掌握。為此，采用PID控制（Proportional integral derivative control）技術結合閉環控制（Closed loop control）原理實現對智能電子秤的校準。與其他控制技術相比，PID表現出了更高的控制精度，并且可以根據待調節對象自身的運行狀態自動演算出最佳PID控制參考，大大降低了校準的難度[9]。

本文設計的智能電子秤PID控制器共分為3個組成部分，分別是比例單元（P）、積分單元（I）以及微分單元（D）組成，三者之間的輸入與輸出關系可以表示為

其中，u（t）表示PID控制器的輸出結果，c表示比例系數，P（t）、I（t）、D（t）分別表示比例單元、積分單元以及微分單元的處理結果，x（t）表示輸入PID控制器的電子秤目標參數值。

從式（6）中可以卡出，影響PID控制器主要輸出結果以及調節步長的主要參數為比例系數，為此，本文按照誤差的大小對該值進行適應性調節，在確保校準效果的前提下，最大限度提高校準效率。

按照正常的校準流程，執行的調節幅度時呈現出逐漸減小的發展趨勢的，因此對應地，本文對比例系數的設置也是按照逐漸減小的方式進行的。首先，以初始的eb和eh分配方案為基礎，將其對應參數的30%作為調節步長。假設此時的比例系數為c，當以該值為基礎對電子秤元件進行調節時，輸出的數值結果大于初始值的30%時，則以當前時刻的電子秤元件參數為調節基礎，此時的分配方案也對應地轉變為0.7eb和0.7eh，PID控制器的比例系數可以表示為

其中，c'表示更新后的PID控制器比例系數。

按照這樣的方式，重復上述操作，直至eb和eh分配方案被完全執行，以此實現對智能電子秤稱重的校準。

2 應用測試

在上述電子秤校準技術設計的基礎上，為了進一步分析其在實際校準中的應用效果，進行了實驗測試，并分別采用文獻[6]和文獻[7]中提出的校準方法作為對照組，分析其校準效果。

2.1 測試準備

本文進行校準測試的智能電子秤如圖1所示。

圖1 測試電子秤裝置

已知該設備在使用過程中，使用環境穩定干燥。在此基礎上，準備了符合JJG 99-2006《砝碼檢定規程》F1等級要求的標定/校準實驗用標準器，其具體的重量信息以及最大允差如表2所示。

表2 測試標準器重量及允許最大誤差

按照表2所示的標準分別采用三種方法對測試電子秤進行校準處理后，對稱重結果進行統計分析。

2.2 測試結果與分析

三種校準方法下，電子秤對標準器的稱重結果如表3所示。

表3 不同校準方法的稱重結果誤差統計表

通過觀察表3中的稱重誤差數據可知，文獻［6］方法對于重量大于1.00kg的標準器稱重結果在誤差允許范圍內，當標準器重量小于1.00kg，其稱重結果誤差超出了允許的最大范圍，無法實現稱量要求；文獻［7］方法下，電子秤對于200.00g以上的標準器稱重結果誤差超出了允許最大范圍；相比之下，采用本文提出的方法對電子秤進行校準后，其稱重誤差始終在允許范圍內，能夠得到計量標準。表明本文提出方法能夠實現對智能電子秤的有效校準。

3 結論

智能電子秤在商品交易過程中的應用是極為廣泛的，其計量結果的準確性不僅涉及交易的公平與否，對于交易雙方的利益價值也起到決定性作用。本文提出智能電子秤稱重校準技術方法研究，實現了電子秤的有效校準，使其對不同重量等級的稱重結果誤差均穩定在合理的范圍內，提高了稱重結果的可靠性。通過本文的研究，以期為相關智能電子秤的調試以及校準工作提供有價值的參考。