一種電子分析天平微量加載與漂移判別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電子分析天平微量加載與漂移判別方法，以解決電子分析天平微量加載與漂移的技術難點。該發(fā)明包括如下步驟：a)對溫度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)進行補償；b)利用補償后的溫度數(shù)據(jù)對零點漂移量和靈敏度系數(shù)進行校正；c)利用質量采樣數(shù)據(jù)、零點漂移量和靈敏度系數(shù)計算質量；d)根據(jù)質量的變化速率對微量加載和漂移進行判別。本發(fā)明方法可以快速區(qū)分漂移與加載。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于信號處理【技術領域】，涉及一種電子分析天平微量加載與漂移判別方 法。 -種電子分析天平微量加載與漂移判別方法

【背景技術】
[0002] 電子分析天平是一種高精度質量計量儀器，是廣泛應用于國防、科研、工廠、實驗 室的質量計量標準器具，具有稱量準確度高、穩(wěn)定性好、響應速度快等特點。工作環(huán)境溫度 變化使天平示值發(fā)生緩慢變化，即漂移現(xiàn)象，在一定時間段內因漂移造成的質量變化與微 量加載難以區(qū)分。因此，微量加載與漂移判別方法是實現(xiàn)電子分析天平快速、準確稱量的關 鍵技術。


【發(fā)明內容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術中存在的缺陷，溫度變化速率較快時，漂移質量變化速率可能 超過微量加載質量變化速率，需先對溫度進行補償后再判別微量加載與漂移。本發(fā)明提供 一種電子分析天平微量加載與漂移判別方法，以快速區(qū)分漂移與加載。其技術方案如下：
[0004] 一種電子分析天平微量加載與漂移判別方法，包括以下步驟：
[0005] a)對溫度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)進行補償；
[0006] b)利用補償后的溫度數(shù)據(jù)對零點漂移量和靈敏度系數(shù)進行校正；
[0007] C)利用采樣數(shù)據(jù)、零點漂移量和靈敏度系數(shù)計算質量；
[0008] d)根據(jù)質量的變化速率對微量加載和漂移進行判別。
[0009] 優(yōu)選地，所述步驟a)中溫度數(shù)據(jù)按照溫度變化的方向進行補償，溫度數(shù)據(jù)補償量 與質量的相對變化率成比例關系。
[0010] 優(yōu)選地，所述步驟b)中零點漂移量和靈敏度系數(shù)是關于溫度數(shù)據(jù)的函數(shù)，能夠利 用放置在磁鋼內部的溫度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)進行校正。
[0011] 優(yōu)選地，所述步驟b)中零點漂移量和靈敏度系數(shù)的求取包括如下步驟：在10°C、 15°C、20°C、25°C、30°C五個溫度點下分別對50g、100g、150g和200g標準砝碼加卸載10次， 測得對應的采樣數(shù)據(jù)并取平均，得到五個溫度點下的五組平均采樣數(shù)據(jù)，求取零點漂移量 和靈敏度系數(shù)。
[0012] 優(yōu)選地，補償系數(shù)的求取包括如下步驟：分別加載(^、5(^、10(^、15(^和20(^標準 砝碼lOmin，并同時記錄對應的采樣數(shù)據(jù)、砝碼質量值和溫度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)，得到 記錄數(shù)據(jù)最開始l〇s和最后10s的采樣數(shù)據(jù)、砝碼質量值和溫度數(shù)據(jù)的平均值，并采用求得 的零點漂移量和靈敏度系數(shù)求取補償系數(shù)。
[0013] 優(yōu)選地，所述步驟d)中在一定的時間段內質量的變化速率超過設定的速率閾值X 時，判定有微量加載，否則為漂移。
[0014] 進一步優(yōu)選，設定的速率閾值X的求取包括如下步驟：分別在微量加載和漂移時， 對計算得到的質量數(shù)據(jù)進行分析，得到對應的質量變化速率，從而確定判定加載與漂移質 量變化速率閾值X，閾值X等于微量加載與漂移質量變化速率和的一半。
[0015] 本發(fā)明的有益效果：
[0016] 本發(fā)明的電子分析天平微量加載與漂移判別方法能有效抑制溫度漂移，快速準確 判別微量加載和漂移。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明一實施例的微量加載與漂移判別方法流程圖；
[0018] 圖2為典型的溫度和零點漂移量曲線；
[0019] 圖3為典型的加載質量值上升曲線。

【具體實施方式】。
[0020] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細地說明。
[0021] 隨機抽取不同批次的電子分析天平，然后對每臺電子分析天平分別進行以下操 作：預熱3小時后，達到最佳工作狀態(tài)，在恒溫室內進行加載測試，同時記錄測試時間點、五 種載荷下的米樣數(shù)據(jù)（0g、50g、100g、150g、200g)、環(huán)境溫度和置于磁鋼內部溫度傳感器輸 出數(shù)據(jù)，加載持續(xù)時間可為30min。以測試時間點0時刻為基準，分別計算出后續(xù)各時間點 相對于基準點的零點漂移量，以時間為橫坐標，溫度和載荷為縱坐標，將每臺電子分析天平 的測量數(shù)據(jù)繪制成圖，其典型特性曲線如圖2所示。從圖中可以看出，環(huán)境溫度變化，零點 漂移量有一定的時間滯后，其滯后程度小于溫度傳感器輸出溫度數(shù)據(jù)的滯后。因此，使用溫 度傳感器輸出溫度數(shù)據(jù)對零點漂移量校正存在時間滯后，必須首先對溫度傳感器輸出溫度 數(shù)據(jù)進行補償。
[0022] 參照圖1所示，首先，如步驟10,對溫度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)按下面的公式進行 補償。
[0023] = T+RtKO-Wa^l/Kto) (1)
[0024] W(ti)是最新的采樣數(shù)據(jù)，Wh)是先于心時間At的采樣數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)T的補 償量與采樣數(shù)據(jù)的相對變化率成比例，Κ是一個補償系數(shù)。
[0025] 接著，步驟20利用補償后的溫度數(shù)據(jù)Τ'對漂移量ρ(Τ'）和靈敏度系數(shù)q(T'）進 行校正。漂移量P(T'）和靈敏度系數(shù)q(T'）都是關于Τ'的函數(shù)，其中p(T'）與Τ'成正比
[0026] p (T，）= dT'
[0027] (2)
[0028] 式中，d為比例常系數(shù)。
[0029] 溫度變化使永磁體的磁感應強度發(fā)生變化，溫度為Τ'時的磁感應強度Βτ為
[0030] BT = B0(l+a BT，）
[0031] (3)
[0032] 式中，Βα為0°C時永磁體的磁感應強度，a B為永磁體的溫度系數(shù)。
[0033] 溫度變化使載流動圈導線的長度發(fā)生變化，，溫度為Τ'時的長度LT為
[0034] LT = L〇(l+a LT')
[0035] (4)
[0036] 式中，U為0°C時的動圈導線長度，4為導線線膨脹系數(shù)。
[0037] 由（3)、（4)式可得電子分析天平的靈敏度系數(shù)為
[0038] q (T，）= BTLT = c (1+aT，+bT，2) (5)
[0039] 式中，參數(shù)a、b、c為與永磁體和動圈參數(shù)相關的常系數(shù)。
[0040] 質量Μ由采樣數(shù)據(jù)W、零點漂移量ρ (Τ'）和靈敏度系數(shù)q (Τ'）計算得出
[0041] M = q (Τ' ) [ff-p (Τ' ) ] (6)
[0042] 最后，步驟40根據(jù)質量的變化速率對微量加載和漂移進行判別。當秤盤上有負載 加載時，質量隨時間變化的曲線為高階欠阻尼系統(tǒng)的單位階躍響應曲線，如圖3所示。質量 的變化速率在曲線初始階段較大；而在對零點漂移量和靈敏度系數(shù)進行校正后，溫，計算出 的質量產(chǎn)生的漂移在一定時間段內很小。因此，在負載家在瞬間，通過對質量的持續(xù)計算， 根據(jù)微量加載和漂移質量變化速率的差異，在一定的時間段內當質量的變化率超過設定的 速率閾值X時，判定為微量加載，否則為漂移。
[0043] (1)零點漂移量p(T'）和靈敏度系數(shù)q(T'）參數(shù)由下面的實驗方法得到。
[0044] 電子分析天平空載預熱3小時后，達到最佳工作狀態(tài)，按如下步驟進行實驗：
[0045] ①在10°C時，測量10組空載時的質量值，并分別對50g、100g、150g、200g標準砝碼 加卸載10次，獲取五種負載對應的10次質量值并取平均，得到0g、50g、100g、150g、200g質 量平均值；
[0046] ②分別在151：、201：、251：、301：重復上述試驗步驟和獲取需要的實驗數(shù)據(jù)。
[0047] ③以溫度為橫坐標，質量數(shù)據(jù)為縱坐標，通過最小二乘法曲線擬合方法分別畫出 上述五種不同負載下對應的質量數(shù)據(jù)Μ隨溫度T變化的曲線；
[0048] ④根據(jù)式（6)，采用最小二乘法分別求出上述不同負載下的五組參數(shù)a、b、c、d的 值。
[0049] ⑤經(jīng)計算，0g、50g、100g、150g和200g五種負載下任意兩組a、b、c、d的參數(shù)值的 比值與其質量值的比值一致。
[0050] 由于這是大溫度范圍內，各溫度點之間進行的最小二乘擬合，各數(shù)據(jù)采集時天平 工作相對穩(wěn)定，則因溫度滯后引起的Ρ (Τ'）和q(T'）計算誤差可以忽略，此時T等效于Τ'。
[0051] (2)補償系數(shù)Κ可由下面的實驗方法得到。
[0052] 電子分析天平空載預熱3小時后，達到最佳工作狀態(tài)，按如下步驟進行實驗：
[0053] ①空載lOmin，持續(xù)記錄采樣數(shù)據(jù)、質量值Μ和置于磁鋼內部溫度傳感器的溫度數(shù) 據(jù)Τ ;
[0054] ②取記錄數(shù)據(jù)的前10s內的采樣數(shù)據(jù)的平均值％，最后10s內采樣數(shù)據(jù)、質量值和 溫度值的平均值W、Μ和T。
[0055] ③將W、Μ和對應的a、b、c和d值帶入式子M = c(l+aT'+bT'2) [W-dT']中，求出 Τ'，將Τ'，T，WQ和A帶入公式（1)，求出比例系數(shù)K。
[0056] ④在分別加載50g、100g、150g和200g標準砝碼情況下，重復上述三個步驟，分別 求出K，得到的K的值是一致的。
[0057] (3)判定加載與漂移的數(shù)據(jù)變化速率的閾值X可由下面的實驗方法得到。
[0058] A漂移情況下，測量質量變化速率的實驗如下：
[0059] 電子分析天平空載預熱3小時后，達到最佳工作狀態(tài)，將天平置于恒溫室，按如下 步驟進行實驗：
[0060] ①空載30min,持續(xù)采樣電子分析天平顯示的質量Μ,以質量Μ為縱坐標，時間t為 橫坐標，繪制出質量Μ關于時間t的曲線。
[0061] ②找出曲線的最大斜率，即得到At時間內顯示的質量變化的最大速率。
[0062] ③分別加載加載50g、100g、150g和200g標準砝碼，按照步驟①和②，分別得到對 應質量變化的最大速率。
[0063] ④將五種加載情況下得到的質量變化的最大速率中的最大值做為漂移質量變化 速率Χρ
[0064] Β微量加載情況下，測量質量變化速率的實驗如下。
[0065] 電子分析天平空載預熱3小時后，達到最佳工作狀態(tài)，將天平置于恒溫室，按如下 步驟進行實驗：
[0066] ①加載lmg標準破碼,持續(xù)采樣顯示的質量Μ,以質量Μ為縱坐標，時間t為橫坐 標，繪制出質量Μ關于時間t的曲線。
[0067] ②找出曲線的最大斜率，得出加載過程中質量數(shù)據(jù)的變化速率。
[0068] ③分別加載2mg、5mg、10mg、20mg標準破碼，按照步驟①和②，分別得到對應的加 載過程質量數(shù)據(jù)的變化速率。
[0069] ④將五種加載情況下得到的質量值變化最小速率中的最小值作為加載數(shù)據(jù)變化 速率的閾值χ2。
[0070] 取判定加載與漂移的數(shù)據(jù)變化速率的閾值X = (Χ2+\) /2,閾值X的驗證如下：
[0071] 取10臺未進行溫度處理的電子分析天平，預熱3小時后，達到最佳工作狀態(tài)，在恒 溫室內進行加載測試，驗證在如下3種情況能否準確判定微量加載與漂移，且保證在微量 加載情況下快速、準確的顯示質量值。
[0072] ①在空載的情況下，分別加載lmg、2mg、5mg、10mg、20mg五種標準破碼；
[0073] ②分別加載10g、20g、50g、100g、200g標準破碼，然后加載lmg標準破碼；
[0074] ③空載和分別加載10g、50g、100g、200g標準砝碼，加載持續(xù)時間為30min。
[0075] 重復上述步驟多次，實驗結果表明取如上數(shù)據(jù)變化速率的閾值X，能快速、準確判 定微量加載與漂移。
[0076] 以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，本發(fā)明的保護范圍不限于此，任何熟 悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡 單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護范圍內。
【權利要求】
1. 一種電子分析天平微量加載與漂移判別方法，其特征在于，包括以下步驟： a) 對溫度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)進行補償； b) 利用補償?shù)臏囟葦?shù)據(jù)對零點漂移量和靈敏度系數(shù)進行校正； c) 利用采樣數(shù)據(jù)、零點漂移量和靈敏度系數(shù)計算質量； d) 根據(jù)質量的變化速率對微量加載和漂移進行判別。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟a)中溫度數(shù)據(jù)按照溫度變化的 方向進行補償，溫度數(shù)據(jù)補償量與質量的相對變化率成比例關系。
3. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b)中零點漂移量和天平靈敏度 系數(shù)是關于溫度數(shù)據(jù)T的函數(shù)，能夠利用放置在磁鋼內部的溫度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)進 行校正。
4. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟b)中零點漂移量和天平靈敏度 系數(shù)的求取包括如下步驟：在101：、151：、201：、251：、301：五個溫度點下分別對5(^、10(^、 150g和200g標準砝碼加卸載10次，測得對應的質量并取平均，得到五個溫度點下的五組質 量數(shù)據(jù)，求取零點漂移量和天平靈敏度系數(shù)。
5. 根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，補償系數(shù)的求取包括如下步驟：分別加載 0g、50g、100g、150g和200g標準砝碼lOmin，并同時記錄對應的采樣數(shù)據(jù)、砝碼質量值和溫 度傳感器輸出的溫度數(shù)據(jù)，得到記錄數(shù)據(jù)最開始l〇s和最后10s的采樣數(shù)據(jù)、砝碼質量值和 溫度數(shù)據(jù)的平均值，并采用求得的零點漂移量和靈敏度系數(shù)求取補償系數(shù)。
6. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟d)中在一定的時間段內質量的 變化速率超過設定的速率閾值X時，判定有微量加載，否則為漂移。
7. 根據(jù)權利要求6所述的方法，其特征在于，設定的速率閾值X的求取包括如下步驟： 分別在漂移和微量加載時，對質量進行數(shù)據(jù)分析，得到對應的質量變化速率，從而確定判定 加載與漂移質量變化速率閾值X，閾值X等于微量加載與漂移質量變化速率和的一半。
【文檔編號】G01G23/01GK104101418SQ201410289022
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權日:2014年6月24日
【發(fā)明者】滕召勝, 黃強, 唐享, 蔣婷, 任亞奇 申請人:湖南大學