周信健 黄永庆 陈龙权 玉振明 梁廷明

1.梧州学院 广西机器视觉与智能控制重点实验室，广西梧州 543002；2.梧州学院 电子与信息工程学院，广西梧州 543002；3.广西智能显微设备工程中心，广西梧州 543002

0 前言

称重传感器是把重量信号转换成电子信号的一种器件。其中，电桥式称重传感器由四个应变片组成电桥感应机械形变，转换成电压差信号输出。由于其成本相对低廉，处理电路简单、可靠，因此得到了广泛的应用。随着电子信息技术在传统产业转型中的深入发展，称重传感器的需求量呈曲线递增的趋势，同时，报废的称重传感器数量也是日益增多。经研究发现，造成传感器报废的主要原因是在使用过程中操作失误、机械故障等，导致传感器过载[1]。通过对报废的称重传感器分析发现，在过载损坏状态下，称重传感器的内部电路结构完整，弹性体发生塑性形变，造成传感器在没有荷载的情况下输出电压超出称重仪表的量程，进而造成电子称重系统不能正常工作[2]。常规做法是对其进行报废处理，但实际上可以通过反向的形变使其空载时电压输出恢复到零点附近，使电子称重系统继续正常工作。

1 传感器修复原理

图1为过载损坏的传感器，在外加反向作用力F，使其进行反向的形变，但施加F的大小未知，需要逐渐试验。要对损坏的传感器修复，首先需在执行修复前确定称重传感器的电气结构是否完好[3]，这个步骤可以通过同时检测应变电路单端电压和差模电压判断。当施加的反向作用力合适时，机械形变达到一定的程度，在去除作用力时，弹性体基本能恢复到原始传感器零点输出附近的状态。但是，如果施加的作用力超过了材料断裂所能承受的强度，传感器机械材料将断裂，则无法再对其进行恢复。如果施加作用力过小，则材料仍然会处于其塑性形变范围，撤销反向作用力后，称重传感器输出没有明显变化。为了保险起见，每次施加的压力应该是上一次修复的压力值加上撤销压力后的静态值，这样逐渐修复不至于使反向的形变超过需要的形变，更不会因超过材料的极限值造成再次损坏。尝试修复步骤如图2所示，首先，判断传感器的电气完整性，如果正常则记录空载的输出电压U0；然后，令US=-U0，使US作为施加反向作用力F的目标电压值，施加反向作用力F至输出电压US；其后，撤销作用力F，得到空载电压Uε，判断空载电压Uε是否满足设定的要求，如果满足要求则修复完成，否则，将-Uε与US累加后得到新的US，继续施加反向作用力F至输出电压US，以此类推，直到修复满足要求。

2 自动修复控制系统设计

称重修复控制系统框图如图3所示，主要分为电源模块、STM32 模块、5 V 参考电压源模块、ADC 同步采样模块、电机驱动模块、通信模块和MCGS 人机界面[4]。功能参数使用modbus RTU 协议，通过通信模块与MCGS 工业触摸屏进行人机交互[5-6]。检测部分采用3 通道同步采样电路[7]，分别采集电桥输出的差模电压、电桥输出电压与2.5 V 的差模电压。采样电路与传感器接线图如图4所示[8]，5 V 参考电压源作为供桥的激励电源，同时，经过分压电阻R1、R2得到2.5 V 的中间参考电压，用于电桥两端输出电压的测量[9]。在采集到电压数据后应对数据进行滤波处理和电压单位转换，这些电压值送入修复程序，根据修复过程设定的参数控制电路驱动电机，电机推动修复机械结构对传感器施加反向压力，经过修复流程，实现对传感器的修复。

为了研究修复的参数变化，使用串口将修复过程中的单端信号电压值、差分信号电压值连续发送到计算机上进行修复过程数据记录[10]，记录完成后可以导入到MATLAB 数据分析软件或者Excel 中生成曲线变化图表等[11]。

3 称重传感器的修复过程

在实验室搭建传感器修复系统，如图5所示。将电机驱动电路连接电动千斤顶，通过电动千斤顶施加反向的压力。MCGS 连接系统控制串口，PC 连接记录数据发送串口。通过MCGS 界面操作设置修复的参数和对修复过程进行控制。待修复传感器参数和系统设置如下：

待修复传感器型号：MT1260-75 kg

待修复传感器输出灵敏度：2 mV/V

待修复传感器初始差分电压：2897 μV

修复停止范围设置：400 μV

供桥电压设置为5.000 V，所以满量程输出为5 V×2 mV/V=10 mV，初始输出2,897 μV 为满量程输出的29.0%，传感器和称重仪表无法正常工作，称重仪表显示零点数值过大。因此使用自动修复系统对其进行修复。设置停止修复电压为400 μV，当撤销修复力作用时，其输出修复电压≤400 μV，约为满量程的4%，修复完成。

3.1 传感器修复过程的分析

借助计算机记录修复过程中传感器输出的单端信号、差分信号电压值，其波形分别如图6、图7所示，图7传感器差分输出电压波形中的峰值和谷值如表1修复过程差分电压波峰波谷电压值。

表1中，峰值EPK是传感器撤销施加的压力后的静态读数，峰值变化EPK-EPk-1是检查经过1 次反向压力后输出信号的变化量；谷值EVK是施加压力的最大变化值，谷值变化EVK-EVk-1为两次施加压力的谷值变化之差。理论谷值EVKE是上一次EVKE的值与峰值EPK的差，即EVKE=EVKE-1-EPK，理论谷值EVKE是当次施加的反向压力应达到值。误差Ek=EVKE-EVK是理论谷值EVKE与谷值EVK的差。

表1 修复过程差分电压波峰波谷电压值

3.2 数据分析

通过修复过程数据波形图和修复过程差分电压波峰波谷电压值表格可知，该修复过程进行了33 次的施压，在16 次施加压力后，传感器的峰值EPK开始明显变化。通过修复过程峰值EPK波形（如图8）可见，峰值EPK逐渐向目标设定值接近。经过修复程序后，传感器静态零点输出电压满足设定的参数。

表1在修复开始几次压力后，设定谷值与实际值误差Ek基本保持在900 μV～1,965 μV 的误差，这是由于数据处理时延（采样时延、滤波时延）[12]以及机械惯性和误差引起的。在后续研究中将增加由于这些因素引起的误差补偿。

4 结束语

通过对过载损坏的称重传感器施加反向的作用力，使称重传感器最终的零点输出在0 V 左右，恢复到称重仪表检测的范围内。通过实验表明，该方法对传感器进行保守修复是可行的。使用电动千斤顶和称重采集控制系统实现自动修复。但是，由于数据样本有限，该快速修复方法仍有待进一步的研究。