文章著(zhù)重介紹了基于恒流源激勵的遠距離高精度電子秤, 這種電子秤克服了基于恒壓源激勵的電子秤在遠距離傳輸信號的時(shí)候 , 信號不穩度而造成的精度下降問(wèn)題, 同時(shí)實(shí)踐證明基于恒流源激勵的電子秤在溫度系數上也低于基于恒壓源的電子秤。

金屬應變片具有精度高, 結構簡(jiǎn)單, 頻率響應特性好, 價(jià)格低廉的特點(diǎn), 獲得了廣泛的應用。 金屬應變片一般組成惠斯通電橋形式, 輔助以溫度修正裝置, 作為稱(chēng)重傳感器。 這種傳感器接口線(xiàn)一般有五根, 包括激勵的正負, 輸出的正負,屏蔽線(xiàn)。

目前基于金屬應變橋的高精度電子秤的激勵一般采用高精度恒壓源的方式。這種方式在短距離的傳輸信號時(shí), 是行之有效的方法。 當傳輸距離超過(guò) 3米, 而且附近有電源線(xiàn)靠近的時(shí)候, 會(huì )出現電子秤的精度下降的現象, 嚴重時(shí)精度低于國家三級秤的標準, 無(wú)法正常使用。

本文介紹基于電流源激勵的方式電子秤, 經(jīng)過(guò)在實(shí)踐中的使用, 證明該方法是更加行之有效。

1.恒壓源激勵的應變橋在長(cháng)距離傳輸信號時(shí)的不足

如圖 1所示, 假設由激勵源到橋路的導線(xiàn)電阻為 R, 當采用 5V 供電時(shí)候, 對于 350 歐姆的電橋, 電流值高于 10毫安。 當線(xiàn)路電阻高于 0. 4 歐姆時(shí)候, 會(huì )產(chǎn)生大約 10個(gè)毫伏的壓降, 這使應變片橋的激勵電壓產(chǎn)生了較大的誤差。 當稱(chēng)重范圍比較大的時(shí)候, 橋路電流值有比較大的變化 , 更加影響了測量精度。 更為嚴重的是, 當供橋激勵導線(xiàn)附近存在較強電磁場(chǎng)時(shí), 帶來(lái)的串模干擾更加影響了測量的精度。

如圖 1所示, 假設由激勵源到橋路的導線(xiàn)電阻為 R, 當采用 5V 供電時(shí)候, 對于 350 歐母的電橋, 電流值高于 10毫安。 當線(xiàn)路電阻高于 0. 4 歐母時(shí)候, 會(huì )產(chǎn)生大約 10個(gè)毫伏的壓隆, 這使應變片橋的激勵電壓產(chǎn)生了較大的誤差。 當稱(chēng)重范圍比較大的時(shí)候, 橋路電流值有比較大的變化, 更加影響了測量精度。 更為嚴重的是, 當供橋激勵導線(xiàn)附近存在較強電磁場(chǎng)時(shí), 帶來(lái)的串模干擾更加影響了測量的精度。

2.基于恒流源激勵的分析

由于激勵導線(xiàn)的電阻 R 基本上對恒流源沒(méi)有影響, 所以從導線(xiàn)損失電壓的角度說(shuō), 基本上沒(méi)有線(xiàn)損, 這一點(diǎn)是難能可貴的。 同時(shí)由于串模干擾與電流源串聯(lián), 這樣串模干擾基本上不對供橋的恒定電壓產(chǎn)生影響, 由此可見(jiàn), 恒流源的優(yōu)越性高于恒壓源。

恒流源的設計方案主要有如下幾種:

(1)基于負反饋的方式:

圖 2中, 設基準源為 V ref, 電阻為 R, 運算放大器為精密放大器, 這樣流過(guò)橋路的電流為 Io =V re f /R, 當 R 為精密電阻時(shí), 這個(gè)恒流源具有足夠的精度。 當由于某種原因, 恒流源 Io↓, 則 V - ↓, 而基準源具有很高的穩定性, 可以認為其值不變化, 于是△u↑, Io↑, 使輸出恒流源基本穩定。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在較大范圍內調整恒流源, 負反饋輸出相對穩定, 缺點(diǎn)是對產(chǎn)生恒流的電阻的精密度要求很高, 同時(shí)要求一個(gè)精密低溫漂的精密放大器, 這樣會(huì )增加產(chǎn)品的成本。

(2)基于專(zhuān)用芯片目前, 有很多專(zhuān)用芯片可以提供精度合乎要求的恒流源, 如  ADS1218和一些信號調理芯片都可以。 但是它們中有的雖然可以方便使用, 然而用專(zhuān)用芯片提供恒流源的輸出比采用負反饋的輸出小, 同樣需要外加精密電阻獲得較大的恒流源。 但是, 如果出于 PCB體積和電路穩定性及調試方便的考慮, 使用這樣的專(zhuān)用芯片不失為一種好方法。

3.系統組成

利用恒流源作為激勵的稱(chēng)重系統電路構成框圖如圖 3 所示。

恒流源激勵作用到橋路上后, 橋路產(chǎn)生一個(gè)相應的輸出信號, 這個(gè)信號經(jīng)過(guò)濾波后, 送給 AD 轉換, 轉換結果由單片機讀取, 再由單片機送到外設中(如 LED, LCD), 同時(shí)也從外設中(如鍵盤(pán))讀取相應的用戶(hù)信息。

4.實(shí)驗結果分析

(1)分辨率

(測試條件:傳輸導線(xiàn)長(cháng)為 4米, 室溫為 18℃, 傳感器為稱(chēng)重量程為 60公斤).

從表 2, 表 3可以看出, 對于變化的溫度而言, 基于恒流源方式的測量結果更具有穩定性。

5.小結

本文介紹了一種基于恒流源激勵的稱(chēng)重測量方法, 該方法可以較好的解決長(cháng)距離傳輸時(shí)電子秤的測量精度下降問(wèn)題, 同時(shí)根據這種方法設計的電子秤具有較小的溫漂特性.