一種過載稱重傳感器修復(fù)方法

周信健 黃永慶 陳龍權(quán) 玉振明 梁廷明

1.梧州學(xué)院 廣西機(jī)器視覺與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西梧州 543002；2.梧州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，廣西梧州 543002；3.廣西智能顯微設(shè)備工程中心，廣西梧州 543002

0 前言

稱重傳感器是把重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)的一種器件。其中，電橋式稱重傳感器由四個(gè)應(yīng)變片組成電橋感應(yīng)機(jī)械形變，轉(zhuǎn)換成電壓差信號(hào)輸出。由于其成本相對(duì)低廉，處理電路簡單、可靠，因此得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子信息技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型中的深入發(fā)展，稱重傳感器的需求量呈曲線遞增的趨勢(shì)，同時(shí)，報(bào)廢的稱重傳感器數(shù)量也是日益增多。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，造成傳感器報(bào)廢的主要原因是在使用過程中操作失誤、機(jī)械故障等，導(dǎo)致傳感器過載[1]。通過對(duì)報(bào)廢的稱重傳感器分析發(fā)現(xiàn)，在過載損壞狀態(tài)下，稱重傳感器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)完整，彈性體發(fā)生塑性形變，造成傳感器在沒有荷載的情況下輸出電壓超出稱重儀表的量程，進(jìn)而造成電子稱重系統(tǒng)不能正常工作[2]。常規(guī)做法是對(duì)其進(jìn)行報(bào)廢處理，但實(shí)際上可以通過反向的形變使其空載時(shí)電壓輸出恢復(fù)到零點(diǎn)附近，使電子稱重系統(tǒng)繼續(xù)正常工作。

1 傳感器修復(fù)原理

圖1為過載損壞的傳感器，在外加反向作用力F，使其進(jìn)行反向的形變，但施加F的大小未知，需要逐漸試驗(yàn)。要對(duì)損壞的傳感器修復(fù)，首先需在執(zhí)行修復(fù)前確定稱重傳感器的電氣結(jié)構(gòu)是否完好[3]，這個(gè)步驟可以通過同時(shí)檢測(cè)應(yīng)變電路單端電壓和差模電壓判斷。當(dāng)施加的反向作用力合適時(shí)，機(jī)械形變達(dá)到一定的程度，在去除作用力時(shí)，彈性體基本能恢復(fù)到原始傳感器零點(diǎn)輸出附近的狀態(tài)。但是，如果施加的作用力超過了材料斷裂所能承受的強(qiáng)度，傳感器機(jī)械材料將斷裂，則無法再對(duì)其進(jìn)行恢復(fù)。如果施加作用力過小，則材料仍然會(huì)處于其塑性形變范圍，撤銷反向作用力后，稱重傳感器輸出沒有明顯變化。為了保險(xiǎn)起見，每次施加的壓力應(yīng)該是上一次修復(fù)的壓力值加上撤銷壓力后的靜態(tài)值，這樣逐漸修復(fù)不至于使反向的形變超過需要的形變，更不會(huì)因超過材料的極限值造成再次損壞。嘗試修復(fù)步驟如圖2所示，首先，判斷傳感器的電氣完整性，如果正常則記錄空載的輸出電壓U0；然后，令US=-U0，使US作為施加反向作用力F的目標(biāo)電壓值，施加反向作用力F至輸出電壓US；其后，撤銷作用力F，得到空載電壓Uε，判斷空載電壓Uε是否滿足設(shè)定的要求，如果滿足要求則修復(fù)完成，否則，將-Uε與US累加后得到新的US，繼續(xù)施加反向作用力F至輸出電壓US，以此類推，直到修復(fù)滿足要求。

2 自動(dòng)修復(fù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

稱重修復(fù)控制系統(tǒng)框圖如圖3所示，主要分為電源模塊、STM32 模塊、5 V 參考電壓源模塊、ADC 同步采樣模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和MCGS 人機(jī)界面[4]。功能參數(shù)使用modbus RTU 協(xié)議，通過通信模塊與MCGS 工業(yè)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)交互[5-6]。檢測(cè)部分采用3 通道同步采樣電路[7]，分別采集電橋輸出的差模電壓、電橋輸出電壓與2.5 V 的差模電壓。采樣電路與傳感器接線圖如圖4所示[8]，5 V 參考電壓源作為供橋的激勵(lì)電源，同時(shí)，經(jīng)過分壓電阻R1、R2得到2.5 V 的中間參考電壓，用于電橋兩端輸出電壓的測(cè)量[9]。在采集到電壓數(shù)據(jù)后應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理和電壓單位轉(zhuǎn)換，這些電壓值送入修復(fù)程序，根據(jù)修復(fù)過程設(shè)定的參數(shù)控制電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)推動(dòng)修復(fù)機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器施加反向壓力，經(jīng)過修復(fù)流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的修復(fù)。

為了研究修復(fù)的參數(shù)變化，使用串口將修復(fù)過程中的單端信號(hào)電壓值、差分信號(hào)電壓值連續(xù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行修復(fù)過程數(shù)據(jù)記錄[10]，記錄完成后可以導(dǎo)入到MATLAB 數(shù)據(jù)分析軟件或者Excel 中生成曲線變化圖表等[11]。

3 稱重傳感器的修復(fù)過程

在實(shí)驗(yàn)室搭建傳感器修復(fù)系統(tǒng)，如圖5所示。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路連接電動(dòng)千斤頂，通過電動(dòng)千斤頂施加反向的壓力。MCGS 連接系統(tǒng)控制串口，PC 連接記錄數(shù)據(jù)發(fā)送串口。通過MCGS 界面操作設(shè)置修復(fù)的參數(shù)和對(duì)修復(fù)過程進(jìn)行控制。待修復(fù)傳感器參數(shù)和系統(tǒng)設(shè)置如下：

待修復(fù)傳感器型號(hào)：MT1260-75 kg

待修復(fù)傳感器輸出靈敏度：2 mV/V

待修復(fù)傳感器初始差分電壓：2897 μV

修復(fù)停止范圍設(shè)置：400 μV

供橋電壓設(shè)置為5.000 V，所以滿量程輸出為5 V×2 mV/V=10 mV，初始輸出2,897 μV 為滿量程輸出的29.0%，傳感器和稱重儀表無法正常工作，稱重儀表顯示零點(diǎn)數(shù)值過大。因此使用自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。設(shè)置停止修復(fù)電壓為400 μV，當(dāng)撤銷修復(fù)力作用時(shí)，其輸出修復(fù)電壓≤400 μV，約為滿量程的4%，修復(fù)完成。

3.1 傳感器修復(fù)過程的分析

借助計(jì)算機(jī)記錄修復(fù)過程中傳感器輸出的單端信號(hào)、差分信號(hào)電壓值，其波形分別如圖6、圖7所示，圖7傳感器差分輸出電壓波形中的峰值和谷值如表1修復(fù)過程差分電壓波峰波谷電壓值。

表1中，峰值EPK是傳感器撤銷施加的壓力后的靜態(tài)讀數(shù)，峰值變化EPK-EPk-1是檢查經(jīng)過1 次反向壓力后輸出信號(hào)的變化量；谷值EVK是施加壓力的最大變化值，谷值變化EVK-EVk-1為兩次施加壓力的谷值變化之差。理論谷值EVKE是上一次EVKE的值與峰值EPK的差，即EVKE=EVKE-1-EPK，理論谷值EVKE是當(dāng)次施加的反向壓力應(yīng)達(dá)到值。誤差Ek=EVKE-EVK是理論谷值EVKE與谷值EVK的差。

表1 修復(fù)過程差分電壓波峰波谷電壓值

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過修復(fù)過程數(shù)據(jù)波形圖和修復(fù)過程差分電壓波峰波谷電壓值表格可知，該修復(fù)過程進(jìn)行了33 次的施壓，在16 次施加壓力后，傳感器的峰值EPK開始明顯變化。通過修復(fù)過程峰值EPK波形（如圖8）可見，峰值EPK逐漸向目標(biāo)設(shè)定值接近。經(jīng)過修復(fù)程序后，傳感器靜態(tài)零點(diǎn)輸出電壓滿足設(shè)定的參數(shù)。

表1在修復(fù)開始幾次壓力后，設(shè)定谷值與實(shí)際值誤差Ek基本保持在900 μV～1,965 μV 的誤差，這是由于數(shù)據(jù)處理時(shí)延（采樣時(shí)延、濾波時(shí)延）[12]以及機(jī)械慣性和誤差引起的。在后續(xù)研究中將增加由于這些因素引起的誤差補(bǔ)償。

4 結(jié)束語

通過對(duì)過載損壞的稱重傳感器施加反向的作用力，使稱重傳感器最終的零點(diǎn)輸出在0 V 左右，恢復(fù)到稱重儀表檢測(cè)的范圍內(nèi)。通過實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)傳感器進(jìn)行保守修復(fù)是可行的。使用電動(dòng)千斤頂和稱重采集控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修復(fù)。但是，由于數(shù)據(jù)樣本有限，該快速修復(fù)方法仍有待進(jìn)一步的研究。