基于恒流源激励的远距离高精度电子秤

　　摘要:介绍基于恒流源激励的远距离高精度电子秤,这种电子秤克服了基于恒压源激励的电子秤在远距离传输信号时,信号不稳定而造成的精度下降问题,同时实践证明基于恒流源激励的电子秤在温度系数上也低于基于恒压源的电子秤。

　　1　恒压源激励的应变桥在长距离传输信号时的不足

　　如图1所示应变桥的等效模型。其中, R1, R2,R3,R4为应变片,Rs,Rp是调零和补偿电阻。假设由激励源到桥路的导线电阻为R,当采用5V供电时,对于350Ω电桥,电流值大约为14mA。当线路电阻为0.4Ω时,会产生大约11mV的压降,这使应变桥的激励电压产生了较大的误差。当称重范围较大时,桥路电流值有较大的变化,影响了测量精度。更为严重的是,当供桥电源导线附近存在较强电磁场时,带来的串模干扰将严重影响测量精度。

　　2　基于恒流源激励的分析

　　由于激励导线的电阻R基本上对恒流源没有影响,所以从导线损失电压的角度说,基本上没有线损,这一点是难能可贵的。同时由于串模干扰与电流源串联,这样串模干扰基本上对供桥的恒定电压不产生影响,由此可见,恒流源的优越性高于恒压源。恒流源的设计方案主要有如下几种:

　　(1)基于负反馈的方式

　　图2中,设基准源(LT1019)电压基准为Vref=2.500V,精密电阻为R=200Ω,运算放大器为精密放大器(OPA277),这样流过桥路的电流为Io=Vref/R=12.5mA。由于R为精密电阻,温度系数小于<100×10-6/℃,所以这个恒流源具有足够的精度。当某种原因,恒流源Io↓,则V-↓,而基准源具有很高的稳定性,可以认为其值不变化,于是△u↑, Io↑,使输出恒流源基本稳定。这种方法的优点是可以在较大范围内调整恒流源,负反馈使输出相对稳定;缺点是对电阻R的精密要求很高,同时要求一个低噪音低失调的精密放大器,一个初始精度高,低温漂的电压基准,增加了产品的成本。

　　(2)基于专用芯片

　　目前,有很多专用芯片可以提供精度合乎要求的恒流源,如TI(美国德州仪器公司)的ADS1218和一些信号调理芯片。它们的优点是使用方便,设计简单;然而专用芯片提供的恒流源的输出比采用负反馈的输出要小,当产生高于10mA的恒流时,一般需要外加精密电阻;同时调节上限一般不超过20mA。如果出于印制电路板(PCB)体积和电路稳定性及调试方便的考虑,选择这样的专用芯片不失为一种好方法。

　　3　系统组成

　　利用恒流源作为激励的称重系统电路构成框图如图3所示。

　　恒流源激励作用到桥路上后,桥路产生一个相应的输出信号,这个信号经过滤波后,送给AD转换,转换结果由单片机读取,再由单片机送到外设中(如LED,LCD),同时也从外设中(如键盘)读取相应的用户信息。

　　4　参数对比

　　(1)分辨率

　　(测试条件:传输导线长为4m,室温为18℃,传感器称重量程为60kg)

　　(2)温度系数

　　(测试条件:砝码质量为10, 000kg,导线传输距离1m,测量10次取平均值)

　　从表2,表3可以看出,对于变化的温度而言,基于恒流源方式的测量结果更具有稳定性。

　　5　小结

　　本文介绍了一种基于恒流源激励的称重测量方法,该方法可以较好的解决长距离传输时电子秤的测量精度下降问题,同时根据这种方法设计的电子秤具有较小的温漂特性。

　　参考文献:

　　[1]王化祥,张淑英.传感器原理和应用[M].天津大学出版社, 1998.

　　[2]德州仪器公司.ADS1218说明文档[Z]. 2002.

　　[3]德州仪器公司. PGA309说明文档[Z]. 2003.

　　作者简介:佟莹欣(1966—),女,讲师,主要从事过程检测方面的研究。

　　(收稿日期:2006-05)