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

金屬應(yīng)變片具有精度高, 結(jié)構(gòu)簡單, 頻率響應(yīng)特性好, 價(jià)格低廉的特點(diǎn), 獲得了廣泛的應(yīng)用。 金屬應(yīng)變片一般組成惠斯通電橋形式, 輔助以溫度修正裝置, 作為稱重傳感器。 這種傳感器接口線一般有五根, 包括激勵(lì)的正負(fù), 輸出的正負(fù),屏蔽線。

目前基于金屬應(yīng)變橋的高精度電子秤的激勵(lì)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(dāng)傳輸距離超過 3米, 而且附近有電源線靠近的時(shí)候, 會(huì)出現(xiàn)電子秤的精度下降的現(xiàn)象, 嚴(yán)重時(shí)精度低于國家三級秤的標(biāo)準(zhǔn), 無法正常使用。

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

1.恒壓源激勵(lì)的應(yīng)變橋在長距離傳輸信號時(shí)的不足

如圖 1所示, 假設(shè)由激勵(lì)源到橋路的導(dǎo)線電阻為 R, 當(dāng)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(dāng)線路電阻高于 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(yīng)變片橋的激勵(lì)電壓產(chǎn)生了較大的誤差。 當(dāng)稱重范圍比較大的時(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(yán)重的是, 當(dāng)供橋激勵(lì)導(dǎo)線附近存在較強(qiáng)電磁場時(shí), 帶來的串模干擾更加影響了測量的精度。

如圖 1所示, 假設(shè)由激勵(lì)源到橋路的導(dǎo)線電阻為 R, 當(dāng)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(dāng)線路電阻高于 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(yīng)變片橋的激勵(lì)電壓產(chǎn)生了較大的誤差。 當(dāng)稱重范圍比較大的時(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(yán)重的是, 當(dāng)供橋激勵(lì)導(dǎo)線附近存在較強(qiáng)電磁場時(shí), 帶來的串模干擾更加影響了測量的精度。

2.基于恒流源激勵(lì)的分析

由于激勵(lì)導(dǎo)線的電阻 R 基本上對恒流源沒有影響, 所以從導(dǎo)線損失電壓的角度說, 基本上沒有線損, 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, 恒流源的優(yōu)越性高于恒壓源。

恒流源的設(shè)計(jì)方案主要有如下幾種:

(1)基于負(fù)反饋的方式:

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

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整恒流源, 負(fù)反饋輸出相對穩(wěn)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)基于專用芯片目前, 有很多專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(diào)理芯片都可以。 但是它們中有的雖然可以方便使用, 然而用專用芯片提供恒流源的輸出比采用負(fù)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(wěn)定性及調(diào)試方便的考慮, 使用這樣的專用芯片不失為一種好方法。

3.系統(tǒng)組成

利用恒流源作為激勵(lì)的稱重系統(tǒng)電路構(gòu)成框圖如圖 3 所示。

恒流源激勵(lì)作用到橋路上后, 橋路產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的輸出信號, 這個(gè)信號經(jīng)過濾波后, 送給 AD 轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)讀取, 再由單片機(jī)送到外設(shè)中(如 LED, LCD), 同時(shí)也從外設(shè)中(如鍵盤)讀取相應(yīng)的用戶信息。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)分辨率

(測試條件:傳輸導(dǎo)線長為 4米, 室溫為 18℃, 傳感器為稱重量程為 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(jié)果更具有穩(wěn)定性。

5.小結(jié)

本文介紹了一種基于恒流源激勵(lì)的稱重測量方法, 該方法可以較好的解決長距離傳輸時(shí)電子秤的測量精度下降問題, 同時(shí)根據(jù)這種方法設(shè)計(jì)的電子秤具有較小的溫漂特性.