基于电阻应变片的新型电子天平

[摘要]本文介绍了电阻应变式传感器的工作原理,重点分析了电子天平的硬件电路结构和比例测量方法,并给出了系统的软件设计流程图,文章对提高系统精度所采取的措施进行了说明,最后给出了电子天平所达到的技术指标。

[关键词]电阻应变式传感器 电子天平 比例测量

1电阻应变式传感器的工作原理

电阻应变式传感器由感压装置、电阻应变片和测量电路三部分组成,其工作原理是:被测负载作用在弹性感压装置上使其发生弹性形变;通过粘性物质使粘贴在感压装置上的电阻应变片发生形变,进而转化成应变片的阻值大小变化;通过测量电路将电阻应变片的阻值变化,转化为与负载成正比的电信号输出,电阻应变式传感器的输出电压与激励电压和传感器形变量成线性关系。

2电子天平的硬件设计

基于电阻应变式传感器的电子天平的结构框图如图(1)所示。

图(1) 电子天平的结构框图

电子天平在硬件上还包括水平调节、防风防震等辅助装置,这些在图(1)中并没有画出来。

2.1 系统的工作过程。电阻应变式传感器输出信号很小,系统中使用了两级运算放大电路,第一级选用仪表放大器AD620,AD620 是一种闭环、差动输入的运算放大器,线性度好,增益设定方便,共模抑制比高,直流漂移小,它往往用来精确放大载于高共模电压上的小差动信号;第二级运算放大电路采用低失调精密运算放大器OP07,OP07 输入失调电压只有10uV,偏置电流700pA,温漂200nV /℃,适合作二级精密放大。以上两级放大电路均采用±12V 双电源供电,以提高系统精度;称重传感器在供桥电压激励下输出的电压信号经过放大,在进入ADC 转换之前须进行滤波和负压保护处理;A/D 转换器选用了TI 公司生产的Σ-Δ转换器ADS1100,它是一款高精度自校正的差分输入转换器,16 位转换精度,内置可编程增益放大器,可选择1、2、4、8 倍的放大增益,采样速率可在8、16、32、128SPS 之间选取,低功耗电流90uA,SOT23-6 小型封装,ADS1100 的这些优点使得它广泛应用于称重仪表领域。

2.2 比例测量技术。称重传感器的桥式结构决定了其输出与激励电压息息相关,为提高精度须使用高精度的电压源作为激励,此外高精度的A/D 转换也要求使用精密电压源作为参考,若按常规方法考虑,需要两个精密电压源,实现起来难度较大,成本也高,为此我们采用了比例测量技术。所谓比例测量技术,是指ADC 参考电压与称重传感器的激励电压由同一电源提供,如图(2)所示,设ADC 输出为OUT D ,放大电路部分的总增益为A ,结合电阻应变式称重传感器的工作原理,我们有:

可见,采用比例测量方法,ADC 输出只与传感器的应变特性和运算放大电路的总增益成正比,而与ADC 的基准源和称重传感器的激励源都没有关系。

3 软件设计

3.1 电子天平的标定。用标准的重量砝码加载至称重传感器的受载端,读取A/D 转换数据,并记录下对应的标准砝码质量,标定过程中采用往复多次测量方法,即重量砝码加载时采取由小到大再由大到小,多次测量(11 次)再取平均,这样可有效消除测量过程中的人为误差。在对数据进行拟合过程中,为取得更多的有效数字,将砝码重量放大100 倍作为纵坐标,AD平均值作为横坐标,得到标定表达式为:y=0.3714x-3350.0

3.2 系统整体软件设计。系统整体流程如下:系统每次开机须先预热,开始测量后为提高ADC 输出精确度,采用均值移动算法对ADC 采样值进行数字滤波,均值移动滤波将来自输入信号许多点的值进行平均以产生每个点的输出信号,滤波器输入直接取自ADC,在对M 个数据取平均的操作中,最小采样数据和最大采样数据都从数据窗口中被滤除,对剩下的M-2 个数据求平均值。

4 提高系统精度所采取的措施

首先,高精度的模拟电路设计对器件的热稳定性提出了很高要求,因此系统在每次开机后须进行预热,经实验得知,经30 分钟预热后,系统中各器件基本稳定,此后进行测量,测结果比较准确;对系统电源进行了两级稳压,并加滤波电路,消除电源噪声对系统的。

其次,硬件上选用的Σ-Δ 结构ADC 在低更新速率时具有低噪声和高线性度,其噪声整形和数字滤波功能集成在片内;软件设计上采用了均值移动滤波算法提高了ADC 的转换精度,从而提高系统整体的精度和稳定性。最后,系统中存在着模拟信号和数字信号,数字部分的各种脉冲对模拟部分的干扰很大,因此在系统设计中应使模拟部分和数字部分在布局布线上尽量分开,并且模拟地和数字地分离,最后在一点与电源地相接;在每个集成芯片,特别是运放和A/D 器件的电源端配置去藕电容,且尽可能的靠近电源端,引脚尽量粗短。

5 结论

本文所设计电子天平量程90g,测得值与标准砝码对比,部分数据如表(1)所示。经多次实验验证,当称重小于20g 时,最大误差小于0.005g,称重在20g~90g 之间时,最大误差小于0.01g,测量结果稳定时间<2s,实际应用中,系统工作稳定,整体运行良好。

6 创新点

在系统硬件结构上采用了比例测量方法,使得A/D 转换结果不受转换器的参考电压以及压力桥激励电压的影响;有效地回避了大部分电压源芯片输出精度和输出功率之间的矛盾,简化了系统的电源电路,降低了系统成本。

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