高精度电子天平的温度补偿与自动校准

王坤伟

摘 要：本文基于高精度电子天平系统的组成情况出发，分析其精度影响因素，进一步探讨时漂的自动校准和温度补偿系统的设计，开展科学化的误差分析，从而实现电子天平性能的不断优化，真正实现高精度计量，以更好的满足社会生产生活中不同领域对电子天平的应用需求，推进整个社会的不断发展进步。

关键词：高精度电子天平；温度补偿；自动校准

现代社会发展形势下，计算机技术不断进步，微电子技术也得到快速发展，称量技术趋向于快速称量为保证称量技术的稳定性，提高测量精度与称量灵敏度，称量装置应当功能全面，并实现自动化和在线化。电子天平是天平中的一种，能够实现快速称量、操作简便、直接读书，实际抗干扰能力较强，并基于计算机实现了智能化与数据统计分析，在工商贸易、轻工食品、医药卫生以及航空航天等领域内均发挥着重要的作用。

1 高精度电子天平系统组成及精度影响因素

1.1 系统组成

电子天平原理图见图1。该系统是一个闭环伺服系统，可以看出，秤盘通过立柱连杆与线圈连接。任何一个平衡控制系统为了进一步提高其精度和稳定性，往往需要加进闭环系统。系统运行中，采用分层数字滤波技术保证高精度，采用程序跟蹤技术保证称量的重现性，线性化处理保证天平的线性度。

1.2 精度影响因素

由于计量精密、灵敏度高，因而温漂与时漂成为影响电子天平计量性能的主要因素。研究可知，低功耗、低时漂、低噪声电子元件的选择、电路设计、正确安装、天平水平调整和预热使用，都是减小误差提高准确度的措施。

2 时漂的自动校准

电子天平长时间工作不稳定，则会出现时漂情况，随着使用时间的延长以及重力加速度的变化，电子分析天平的永磁体磁感应强度与传感器力敏元件的内部应力也会发生一定变化。而时漂所展现出的最鲜明状态，则是天平加载不变，而测量输出变化缓慢。

2.1 原理及硬件设计

自动校准原理见图2。就其原理来看，一旦定时器时间到，单片机通过I/O对继电器的开断进行准确控制。继电器导通状态下，电机M带动转轴中端的半圆形挡板A开始转动，直至A旋转至光电开关部位，电机停止转动，天平内部标准砝码被抬起，此时天平进行空载校准。之后启动电子，A旋转脱离光电开关部位，光电开关导通，天平内部标准砝码下降，方可进行满载校准。整个流程下来就完成了自动校准。

就直流减速电机来看，其转动力矩大，体积小，装配简单且便于使用。高速电动机所产生的原始动力能够产生大扭力，带动较重物体转动。以DJ12V30直流减速电机为例，其以标准两线接口实现正转与反转控制，无负载工作电流为120mA，功率为3W。

就固态继电器来看，其输入端与输出端之间采用隔离器件来实现电隔离，额定电压一般为220VAC50Hz±10%。额定电流一般为AC：10A，DC：20。

2.2 软件编程

单片机通过定时器来确定自动校准时间，即通过定时器来控制继电器的开断从而控制电机的转动进行祛码的加载。然后通过光电开关的通断来判断祛码是否加载到位。具体软件流程如图3。

3 温度补偿系统的设计

在一些单片机传感器测量系统中，要解决传感器温度误差补偿问题，首先要测出传感器点的温度，该温度采集信号送入单片机。测温元件通常是安装在传感器内靠近敏感元件的地方，用来测量传感器点的环境温度，测温元件的输出经放大及转换送到单片机，单片机通过并行接口接收温度数据，并暂存温度数据。信号采样结束，单片机运行温度误差补偿程序，对传感器信号的温度误差进行补偿。

软件编程：

本文中采用了滑动平均数字滤波算法对转换器输出值进行滤波。为进一步提高V/F输出精度，可使用二级平均，在这种情况下，第一级的输出通过第二级再取平均，其输出作为有效采样值。

4 误差分析

通过试验研究可知，补偿后电子天平的性能满足原有电子天平在精度方面的要求，更具灵活性与智能性，在缩短天平生产周期的同时，一定程度上减少了工作强度，具有良好的应用价值。以国家有关电子天平相关规定为标准，可以明确高精度电子天平使用时对环境要求较高，温度波动不宜超出1℃/h，相对湿度应当在85%以内，并对气流、振动、电磁干扰等环境因素进行合理约束，进一步对高精度电子天平的误差进行科学化分析。

通过温度传感器重复性实验可知，在20℃温差范围内，受到温度传感器自身因素的影响，空载状态与满载状态均会产生一定误差，空载时误差为0.001g，满载时误差为0.009g。对改进后的电子天平开展重复性实验，以此检定有软件温度补偿后的电子天平的性能，实验结果显示，空载状态下误差不超出0.012g，满载状态下误差不超出0.023g，也就是说在标准温差范围内，改进后的电子天平的性能稳定，能够最大程度上满足电子天平在空载与满载状态下的误差要求，具有良好的应用价值。

在应用高精度电子天平的过程中，为避免出现测量偏差、天平显示质量值偏差、空气流动影响以及温度不定准等因素的影响，应当在高精度天平正式使用之前调整水平，开机预热一小时后再进行测量。砝码的取放应当保持小开门、短时间，关闭好风扇和天平取物窗之后称量砝码，保证恒温时间长，之后做好定时定变化方向，以提高恒温箱内气流相对稳定性，进一步开展测量。

结束语

总而言之，随着现代社会科学技术不断进步，高精度电子天平出现，作为一种智能化质量计量仪器，其计量精密度与灵敏度较高，最大程度上满足了电子分析天平在实际应用中的不足，促进了电子分析天平定时自动校准的顺利实现，在保证计量准确性的基础上，提高了天平的智能型，缩短高低温实验周期，减少了操作人员的实验步奏，减轻了天平校准方面的负担。由此可知，高精度电子天平具有良好的应用价值，但在未来发展中应当控制好恒温时温度波动，减小不必要外部因素对温度测量的影响，促进高精度电子天平实际应用价值的最大化发挥。

参考文献

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