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一種新型數字稱重傳感器的補償技術
【摘 要】 傳感器已進入數字時代，數字稱重傳感器高速發展，各種新技術應用層出不窮。通過大量實驗，獲取不同量程、不同結構模擬傳感器的零點和彈性模量隨溫度變化的數據，建立數學補償模型，通過軟件補償系數對輸出數值進行連續補償修正，對原有傳感器的零點溫度、靈敏度溫度模擬補償原理創新變革，本文所描述的新型數字稱重傳感器采用軟件補償算法，取消零點溫度補償電阻和靈敏度溫度補償片，用零點溫度補償、靈敏度溫度補償算法替代，可極大的簡化模擬部分的設計。
實際上僅數字傳感器也經歷了幾代發展：
數字一代主要是把模擬傳感器加上AD模塊組成數字傳感器，有些是把AD模塊放在數字接線盒上，有些則把AD模塊加裝在彈性體旁邊，再增加通訊電路便組成了最簡單的數字傳感器。
數字二代則在一代的基礎上增加線性及零點修正功能，傳感器出廠時零點已修正。
數字三代則簡化了模擬
傳感器，取消了原模擬傳感
器所具有的零點溫度補償電
阻、靈敏度補償電阻、靈敏
度溫度補償片等補償元件，
采用軟件算法進行計算。
數字傳感器的演變使得
模擬傳感器的設計和工藝也
產生了變化，模擬傳感器及
數字傳感器的對比電路原理
R1～R4：橋路應變計電阻；
RZ：零點補償電阻；
Rt：零點溫度補償電阻；
RM：靈敏度溫度（彈性模量）補償電阻；
RL：線性補償電阻；
RS：靈敏度補償電阻；
RJ：輸入電阻調整電阻；
經典模擬傳感器電原理圖，具有十多個補償器件。
是一個完整的模擬傳感器與數字模塊組成的數字傳感器，包括第一和第二代，區別是模塊
的軟件功能第二代更強。
具有純軟件補償的數字傳感器，它取消了模擬傳感器的各種補償，而以一個溫度傳感器
取代，加自動軟件補償技術實現。圖3就是本文所說的第三代數字傳感器，很多工程師把它稱之為真正的數字傳感器，它實現了：（1）零點平衡調整；（2）零點溫度漂移補償；（3）傳感器靈敏度補償；（4）靈敏度溫度補償；（5）輸出一致性調整；（6）補償電阻非線性補償，等六大補償。要實現所述純軟件補償的數字傳感器（為敘述方便以下簡稱軟件補償傳感器）至少要在四方面進行突破，分別是溫度傳感器及采集、零點溫度補償算法、靈敏度溫度補償算法、新型傳感器制作工藝。
二、4個方面突破
1、溫度傳感器及采集
（1）必須要有一個能準確并快速測量彈性體的溫度傳感器，可考慮SOT23封裝或SOIC8封裝的溫度傳感器，這種封裝的好處是體積較小，可方便放入工藝孔。
（2）溫度傳感器精度要高，故一般的熱敏電阻是無法滿足要求的，這里建議選擇歐美大廠的溫度傳感器。
（3）溫度傳感器測量范圍必須足夠寬，由于傳感器一般要工作在-40～70℃，故溫度傳感器測溫范圍必須達到-50～120℃。
（4）所選的溫度傳感器需長期可靠工作，這一點尤其重要。
2、零點溫度補償算法
依據采集的溫度通過計算補償模擬傳感器的零點漂移，這里需要注意的是ADC芯片自身的溫度漂移要很小，小到對整個傳感器而言可以忽略不計，經測試和計算，ADC芯片的漂移應小于1PPM，零點溫度補償可采用分段和曲線擬合方式，為減少計算量可采用分段方式，這樣后續可根據模擬傳感器特性進行調整，對工藝改進留足余量。在設計時可附帶增加一些檢測功能作為模擬傳感器特性判別使用。
3、靈敏度溫度補償算法
這是軟件補償傳感器的核心，平時所說的2mv/V靈敏度指的是滿量程的靈敏度，實際使用時靈敏度與當前溫度和當前重量兩者都有關系，故需采用平面補償方式（不是直線補償），即二維補償，為準確補償靈敏度至少需10個系數，而這10個系數的獲得需做大量統計，我們對10000多個模擬傳感器進行了大量的實驗整理出了10個系數相互之間變化的規律，以此建立數學模型。
（1）傳感器制作工藝
隨著算法的變化，常規的傳感器制作已不能滿足要求，因此我們對工藝做了重大改革，如零點溫度補償，原先需人工手動操作，靠經驗實施，甚至多次重復調整，改進后零點溫度補償全部由上位機軟件完成，完全不需人工干預，提高了效率同時產品一致性也得到大幅提升，產品合格判定也完全由上位機執行，零點溫度補償如下：
1）單調性
ADZ0≥ADZ1≥ADZ2≥ADZ3 （1）
ADZ0≤ADZ1≤ADZ2≤ADZ3 （2）
滿足（1）或（2）則表明是單調的，不滿足則表明是非單調的。
如果是單調的則（ADZ（i+1）-ADZi）/（TZ（i+1）-TZi）≤50AD碼/℃應是合格的，因為軟件可以補償過來。
如果是非單調的則（ADZ（i+1）-ADZi）/（TZ（i+1）-TZi）≤2.36AD碼/℃（17ppm/℃）才是合格的。
注：ADZX指采樣的AD碼值，TZi指測試點溫度值
2）補償后誤差值判別
補償不能做到誤差為0，補償后傳感器的誤差值自動傳輸給上位機，上位機根據傳感器的誤差等級范圍，自動判定補償是否符合標準。
3）零點AD碼范圍
由于模擬傳感器取消了零點補償，所以零點偏移會比較大，雖然大零點不影響后續計算，但如果AD轉換后偏移太大則也可能是傳感器有損壞，所以有必要進行判斷，判定值的設定與AD轉換電路有關。
4）傳感器測量溫度與高低溫箱溫度差異
溫度偏差控制在±5℃范圍內，如果超出則可能溫度傳感器芯片工藝有問題，或高低溫箱溫度有異常，此時需人工干預調整工藝或溫度偏差。
（2）彈性模量系數輸入（生產質量控制需求）
生產記錄表中有6個質量控制點：
第一個“√”或者“A”表示單調性；
第二個“√”或者“B”表示補償差值是否符合要求；
第三個“√”或者“C”表示AD碼是否符合要求；
第四個“√”或者“D”表示溫度是否符合要求；
第五個“√”或者“E”表示差值偏差是否符合要求；
第六個“√”或者“F”表示彈模系數是否寫入。
三、結論
采用自動軟件溫度補償方式設計的數字傳感器經測試，零點溫度漂移可控制在0.008%F.S/10℃范圍內，靈敏度溫度漂移可控制在0.005%F.S/10℃范圍內，經大量裝秤實驗證明，這種溫度補償方式的數字傳感器精度優于一般的數字傳感器。且采用這種補償方法和工藝后可節約模擬傳感器補償用的貴金屬的使用，保護礦產資源利于環境保護。
