【摘 要】 本文介紹了電容式稱重傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特點及補償方法。

　　【關(guān)鍵詞】 電容式;高溫;稱重傳感器;應(yīng)用;研究

　　一、前言

　　在建設(shè)節(jié)約型社會，倡導(dǎo)循環(huán)經(jīng)濟的今天，高溫環(huán)境中的稱重技術(shù)，越來越受到重視。隨著微處理技術(shù)的日臻完善，電子線路能緊靠電容式稱重傳感器的極板，解決了電容式稱重傳感器由于寄生電容、分布電容對靈敏度、準(zhǔn)確度的影響;同時微處理技術(shù)對電容式稱重傳感器的溫度特性和非線性進行有效補償，出現(xiàn)了與電阻應(yīng)變式稱重傳感器電子秤相媲美的電容式平臺秤、吊秤等。另外，電容式稱重傳感器具有不需要使用有機材料或磁性材料，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。電容式稱重傳感器在高溫、低溫及強輻射等惡劣環(huán)境下，能正常工作的特性，開辟了高溫稱重技術(shù)的又一新領(lǐng)域。電容式稱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、電容式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

　　電容式稱重傳感器的原理：電容式稱重傳感器是把被稱物體重量轉(zhuǎn)換為電容容量變化的一種傳感器。通常為差動變間距電容式稱重傳感器，采用調(diào)頻電路，實際上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。當(dāng)被稱重物差動改變電容的間距而使電容發(fā)生變化時，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)換成一個直流的高電平信號輸出，在稱重儀表顯示。這種電容式稱重傳感器能獲得高于改變其它參數(shù)的電容式稱重傳感器的靈敏度，可以測量微米數(shù)量級的位移。同時具有非線性小，靈敏度高，抗干擾能力強，特性穩(wěn)定的特點。

　　電容式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)：電容式稱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。為了簡化結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性，高溫電容式稱重傳感器的一個極板用彈性體的表面代替，另一片極板通過絕緣瓷片固定在極板支架上。

　　高溫電容式稱重傳感器的組成：高溫電容式稱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償接線盒等組成。編碼器電路見圖1。

　　高溫電容式稱重傳感器采用雙層屏蔽等電位傳輸技術(shù)，使雙層屏蔽與信號傳輸導(dǎo)線為等電位，

　　消除引線與屏蔽層之間的電容。采用分段拋物線插值的算法進行線性化處理。具體方法是，在經(jīng)常使用的高溫范圍內(nèi)分12個秤量點，逐點進行標(biāo)定，為了提高高溫電容式稱重傳感器的穩(wěn)定性，應(yīng)進行兩個循環(huán)的溫度試驗，測量出高溫電容式稱重傳感器的輸出特性曲線和溫度影響曲線，用曲線擬合的方法外推出-1力級的數(shù)據(jù)并求出各秤量段的拋物線參數(shù)，將這些參數(shù)與溫度影響曲線參數(shù)一起寫入補償接線盒的EPROM中，稱重儀表的微處理器在稱量時計算重量。同時補償接線盒還起到平衡高溫電容式稱重傳感器輸出的作用。

　　三、高溫電容式稱重傳感器的補償方法

　　溫度影響及補償方法：溫度對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)材料的熱脹冷縮對極板間隙的影響等。由圖2可知，這些因素對電容式稱重傳感器靈敏度影響的特點是滿秤量相對誤差與秤量的關(guān)系呈非線性，當(dāng)量相對誤差與秤量的關(guān)系呈線性。靈敏度溫度補償?shù)姆椒ㄒ妶D3，通過在不同溫度下對電容式稱重傳感器的標(biāo)定，確定量程兩端(-1力級和120%*大秤量)的溫度影響曲線，用線性插值的方法計算當(dāng)前溫度下對實際秤量點的補償量。起始點的溫度補償也是通過溫度試驗取得起始點的溫度影響曲線，再根據(jù)電容式稱重傳感器的實際溫度對起始點進行修正。

　　濕度的影響主要是通過分布電容的變化起作用。當(dāng)電容式稱重傳感器未密封時，在高溫潮濕的環(huán)境里，電容式稱重傳感器輸出靈敏度下降可超過1%。為了防止?jié)穸鹊挠绊懀娙菔椒Q重傳感器應(yīng)密封起來，采用金屬密封結(jié)構(gòu)并充干燥氮氣保護。

　　電容式稱重傳感器蠕變的補償方法：應(yīng)變傳感器的蠕變可通過應(yīng)變片、應(yīng)變膠的負(fù)蠕變進行補償，而電容式稱重傳感器是通過軟件進行補償。采用雙指數(shù)曲線疊加法補償，即補償量為兩條參數(shù)不同的指數(shù)衰減曲線的疊加，補償效果較好，算法也不復(fù)雜。補償量的計算公式如下：

　　1122iiYCXCX=+

　　()11iiXXBX-=D+

　　()22iiXXBX-=D+

　　式中： ——補償量;、——初償系數(shù); iY1C2C

　　1B、2B——衰減系數(shù);iXD——重量增量

　　補償算法的參數(shù)可以通過理論分析計算，也可采用試驗結(jié)果得出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。

　　影響電容式稱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程等。電容式稱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重傳感器的輸出特性的一致性，也影響電容式稱重傳感器的溫度特性的一致性，因此每只電容式稱重傳感器連同雙屏蔽電纜(按長度)都要模擬現(xiàn)場情況，經(jīng)過不同溫度的標(biāo)定，計算出不同的補償曲線

　　和補償系數(shù)，采用曲線擬合的方法在補償接線盒及稱重儀表內(nèi)進行補償。

　　四、高溫電容式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)特點

　　高溫電容式稱重傳感器的絕緣材料必須有高的絕緣性能，足夠的機械強度，高的形狀穩(wěn)定性及良好的抗?jié)裥阅堋?yīng)考慮高溫電容式稱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。對高溫電容式稱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)通過金屬軟管、金屬線管進入補償接線盒。補償接線盒的安裝位置應(yīng)盡可能地避開高溫區(qū)域。金屬軟管、金屬線管應(yīng)采取隔熱保護措施。

　　每只高溫電容式稱重傳感器都有一個EPROM和它相對應(yīng)，更換高溫電容式稱重傳感器時也需更換補償接線盒中相應(yīng)的EPROM，而無需更換稱重儀表。克服了高溫電容式稱重傳感器一致性差的不足。

　　五、結(jié)束語

　　高溫電容式稱重傳感器是頻率量輸出，而頻率量信號放大過程不引入誤差，測量容易，信號處理過程引入誤差的環(huán)節(jié)少，有利提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。高溫電容式稱重傳感器自身不發(fā)熱，不會產(chǎn)生因自身發(fā)熱而引起的零漂。不需要預(yù)熱時間。

　　針對熱輻射(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償，所以電容式稱重傳感器在高溫環(huán)境中表現(xiàn)出來的計量性能和長期穩(wěn)定性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于應(yīng)變式稱重傳感器。