应变式称重传感器的动态特性

　　一、概述

　　随着科学技术的进步, 工业生产自动化、智能化水平的提高, 许多企业对称重计量技术提出了加快称重速度, 缩短称重时间的要求, 迫切需要解决快速称重、低速动态称重和动态称重问题。

　　称重实质上是测量物体的质量, 从古至今, 物体的质量都是通过它在重力场下的重力测量来求得的。尽管重力也是力的一种形式, 但是动态测力与动态称重却是两个不同的概念。动态测力时, 输入量 X（ t） 总是不断变化的, 测力传感器的输出量 Y（ t） 也是不断变化的, 这就要求动态力测量系统要跟踪力值变化。因此对测力传感器的瞬态特性要求较高, 即幅频要有足够的平坦区, 相位响应在相当宽的范围内是线性的, 以免引起波形失真, 产生测量误差。动态称重时, 被测物体的质量少数是变化的,例如电子皮带秤所称量的物料, 多数是恒定的。就后者而言, 对动态称重系统瞬态特性的要求可以放宽些, 只要在允许的称重时间内能够达到稳态, 准确的测量出重量即可, 而频带的宽窄, 相位的线性,波形的失真与否都不是非常重要的。当然这仅仅是对整个测量系统而言, 就称重传感器来讲绝不排除它具有优良的瞬态特性和稳态特性。因此, 本文按测量动态力的技术条件来研究、分析称重传感器的动态特性。

　　从上述分析不难得出, 称重传感器用于动态称重时它的输出信号幅值和相位与用于静态称重时存在着根本区别。从时间域来看, 静态称重时称重传感器的输出与时间无关, 即输出不随时间变化;动态称重时称重传感器的输出与时间有关, 即输出随时间的变化而变化（ 包括瞬态变化和连续变化） 。

　　从频率域来看, 静态称重时称重传感器的输出信号频谱只有零数; 动态称重时称重传感器的输出信号频谱具有各种频率成份, 对周期信号为分离频谱,对非周期信号为连续频谱。

　　在静态称重中, 称重传感器组成的理想线性称重系统的特性方程为 Y=kX, 式中 k 为常数, 即输出Y 是输入 X 的线性函数, 称重系统具有恒定的增益。

　　在动态称重中, 同样希望动态称重系统具有很好的线性, 即称重传感器具有理想的响应, 在时间域 Y（ t） =CX（ t） , 在频率域 Y（ j） =CX（ j） , 若要满足上述两式, 其频率特性应是一个常数。然而由于称重传感器是单一自由度二阶线性系统, 其储能部件（ 弹性元件） 将使频率特性 H（ j） 与频率有关, 要实现频率特性 H（ j） 为一常数是不可能的。由于在动态称重过程中, 为严重的情况是输入的 X（ t） 总是不断变化的, 称重传感器的输出 Y（ t） 也是不断变化的。动态称重的任务就是通过称重传感器的输出 Y（ t） 来获得输入 X（ t） , 这就要求输出 Y（ t） 能够实时的、无失真的跟踪输入 X（ t） 的变化。因此, 必须研究、分析称重传感器的动态特性。

　　二、动态特性的数学模型和传递函数

　　动态特性是指称重传感器对于随时间而变化的输入量的响应特性。实际输入随时间变化的形式可能是各种各样的, 只要输入是时间的函数, 则其输出也将是时间的函数。动态方程就是指在动态称重时, 称重传感器的输出与输入之间随时间变化的函数关系。它依赖于称重传感器本身的测量原理、弹性元件结构, 取决于系统内部机械、电气等各种参数, 而且这个特性本身不因输入量、时间和环境条件的不同而改变。通常研究, 分析动态特性时, 是根据标准输入特性来考虑并评估称重传感器的响应特性。标准输入主要有正弦变化的输入、阶跃变化的输入和线性输入, 而应用较多的是前两种。

　　1.动态特性的数学模型

　　为便于分析称重传感器的动态特性, 必须建立数学模型。理论分析和大量试验结果证明, 称重传感器可以看作是单一自由度的二阶线性系统, 它的数学模型为一常系数线性微分方程。

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