文章著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候 , 信號不穩度而造成的精度下降問題, 同時實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, 結構簡單, 頻率響應特性好, 價格低廉的特點, 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, 作為稱重傳感器。 這種傳感器接口線一般有五根, 包括激勵的正負, 輸出的正負,屏蔽線。

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, 是行之有效的方法。 當傳輸距離超過 3米, 而且附近有電源線靠近的時候, 會出現電子秤的精度下降的現象, 嚴重時精度低于國家三級秤的標準, 無法正常使用。

本文介紹基于電流源激勵的方式電子秤, 經過在實踐中的使用, 證明該方法是更加行之有效。

1.恒壓源激勵的應變橋在長距離傳輸信號時的不足

如圖 1所示, 假設由激勵源到橋路的導線電阻為 R, 當采用 5V 供電時候, 對于 350 歐姆的電橋, 電流值高于 10毫安。 當線路電阻高于 0. 4 歐姆時候, 會產生大約 10個毫伏的壓降, 這使應變片橋的激勵電壓產生了較大的誤差。 當稱重范圍比較大的時候, 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, 當供橋激勵導線附近存在較強電磁場時, 帶來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電阻為 R, 當采用 5V 供電時候, 對于 350 歐母的電橋, 電流值高于 10毫安。 當線路電阻高于 0. 4 歐母時候, 會產生大約 10個毫伏的壓隆, 這使應變片橋的激勵電壓產生了較大的誤差。 當稱重范圍比較大的時候, 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, 當供橋激勵導線附近存在較強電磁場時, 帶來的串模干擾更加影響了測量的精度。

2.基于恒流源激勵的分析

由于激勵導線的電阻 R 基本上對恒流源沒有影響, 所以從導線損失電壓的角度說, 基本上沒有線損, 這一點是難能可貴的。 同時由于串模干擾與電流源串聯, 這樣串模干擾基本上不對供橋的恒定電壓產生影響, 由此可見, 恒流源的優越性高于恒壓源。

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, 這樣流過橋路的電流為 Io =V re f /R, 當 R 為精密電阻時, 這個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。

這種方法的優點是可以在較大范圍內調整恒流源, 負反饋輸出相對穩定, 缺點是對產生恒流的電阻的精密度要求很高, 同時要求一個精密低溫漂的精密放大器, 這樣會增加產品的成本。

(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, 橋路產生一個相應的輸出信號, 這個信號經過濾波后, 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), 同時也從外設中(如鍵盤)讀取相應的用戶信息。

4.實驗結果分析

(1)分辨率

(測試條件:傳輸導線長為 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重測量方法, 該方法可以較好的解決長距離傳輸時電子秤的測量精度下降問題, 同時根據這種方法設計的電子秤具有較小的溫漂特性.