基于国标的称重传感器室温静态标定试验分析

李培禄 汤晓华

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京100048）

0 引言

新版GB／T7551—2008《称重传感器》国家标准增加了“8.2.7带电组件的称重传感器的附加试验方法”，使称重传感器的研究、设计、制造、应用有了标准可循［1－2］。

称重传感器误差是重要静态性能指标的一个极限值，一旦评定标准选定后，它也就客观地存在于称重传感器的检定试验数据中，这对准确地评定称重传感器的性能至关重要。本文介绍了基于新国标的称重传感器在室温下静态标定试验测试系统的组成、试验方法、误差计算方法和结果分析。运用75%载荷点法计算称重传感器误差，验证其满足1 000分度的要求［3］。采用最小二乘法求最佳拟合直线方程，计算线性度、滞后误差、重复性误差，并对误差结果进行综合分析［4］。

1 静态标定

如图1所示，测试系统由 MPS-3005L-3稳压电源、叠加式2 kg标准砝码、12×40063悬臂梁式称重传感器（量程：20 kg）、Aglient34410A 6高精度万用表、PC机组成。

图1 称重传感器测试系统组成框图

静态标定时，试验环境保证稳定、无噪声，试验台无振动，空气干燥，室温控制在20～25℃，激励电压设为11.87 V。加载与卸载顺序为：稳定温度→满载3次→等待5 min→加载／卸载循环3次→等待1 h→满载30 min→卸载。其中最大试验载荷为20 kg，最小试验载荷为0 kg，每加载或卸载2 kg时间间隔为20 s。万用表设置在120 min内，以500 ms扫描间隔时间采集数据。试验结束后，从PC机浏览器中导出数据到Excel中处理。取每个试验载荷点平稳阶段的平均示值，并列入新版国标的表B.3（续）中。经整理得到表1。

2 误差计算与分析

2.1 75%载荷点法评价

国标在规定最大允许误差时指出：误差包络线以一条直线为基准，此直线是以20℃时载荷试验中的2个输出确定的，一个是最小载荷输出，另一个是递增加载时取得的量程的75%载荷时称重，称重传感器的输出。由上述规定，试取该悬臂梁式称重传感器测量范围的最大分度数Nmax＝1 000，则实际检定分度值v＝0.02 kg。

表1 静态标定测量数据

由表1中平均示值可以确定转换系数：

式中，K0.75为对应于75%Nmax（15 kg）的试验载荷下的进程平均值（m V）；Kmin为Dmin载荷下的进程平均值（m V）。

由于在所施加的试验载荷级别中，没有对应于被检测称重传感器75%Nmax的试验载荷点D15，此时D15可由上下级D14、D16的示值利用内插法求出。经计算得K0.75＝11.689 m V，由式（1）知转换系数f＝0.015 32。于是各级试验载荷的参比示值Ri和以v表示的称重传感器误差ELi、重复性误差ERi可计算列入表2中。

在确定最大允许误差mpe时，mpe＝PLCnv（n＝0.5，1，1.5），取分配系数PLC为0.7，参照国家标准中的表5，得最大允许误差mpe，如表2中最后一列所示。

由表2可以看出，最大误差为0.653v，最大重复性误差为0.444v，均未超过国标规定的最大允许误差。

在满载30 min蠕变过程中，每隔5 min记录示值，如表3所示。经计算得30 min和20～30 min内的蠕变误差分别为Cc＝0.319 9v、Cc（20～30）＝0.117 5v。据国标，显然Cc不超过所施载荷下最大允许误差绝对值的0.7倍（0.735v），Cc（20～30）不超过该最大允许误差绝对值的0.15倍（0.735v）。

综上所述，根据75%载荷点法计算，该称重传感器的误差、重复性误差、蠕变误差均小于最大允许误差。所以，判断该称重传感器的误差满足1 000检定分度的要求。

表2 各级试验载荷的参比值、误差、重复性误差

表3 30 m in内蠕变过程示值

2.2 最小二乘法拟合

按照最小二乘法求得的拟合直线可以保证称重传感器的最大允许误差最小，拟合精度高。如表4所示的中间结果，由正反行程输出平均值、及总平均值得到斜率a＝0.766 4和截距b＝0.192 3的拟合直线方程：

表4 标定数据处理中间结果

由上式可知，该称重传感器的零位误差（零点输出）为0.192 3 m V，而灵敏度为0.766 4 m V／kg。而由表1知，该传感器的输出灵敏度还可以表示为Su＝15.521 m V／11.87 V＝1.307 6 m V／V。

根据所得拟合直线方程，计算得各试点载荷的最小二乘参比值K′i和拟合偏差ΔLi＝K′i－，取其最大值计算得最小二乘线性度rnL＝0.05%。计算各试验载荷点的迟滞偏差

ΔHi＝KiD－KiI，取其最大值计算知迟滞误差rnH＝0.002%。从各试验载荷点输出的标准偏差σiD、σiI中取最大值σmax，取置信系数K＝3，可得重复性不确定度ΔR＝Kσmax＝0.009，计算得重复性误差rnR＝0.06%。由于以上各误差值互不相关，彼此独立，相关系数为0，故该称重传感器的合成标准不确定度为：

即最大引用误差为0.06%。

3 结语

本研究是基于最新国家标准GB／T7551—2008的称重传感器在室温下静态标定试验。采用75%载荷点法计算得到最大误差为0.653v，最大重复性误差为0.444v，蠕变误差分别为Cc＝0.319 9v，Cc（20～30）＝0.117 5v，均未超过国标规定的最大允许误差要求，验证了称重传感器满足1 000分度值要求。采用最小二乘法计算知称重传感器的灵敏度为0.766 4 m V／kg，线性度为0.05%，滞后误差为0.002%，重复性误差为0.06%，最大引用误差为0.06%。

［1］GB／T7551—2008 称重传感器［S］

［2］刘九卿.称重传感器执行标准及性能试验程序与误差计算方法［A］.第九届称重技术研讨会论文集［C］，2010

［3］顾瑞良.称重传感器的测试方法与误差计算［J］.工业计量，2001（3）

［4］康维新.传感器与检测技术［M］.中国轻工业出版社，2009