文章着重介绍了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的时候 , 信号不稳度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。

金属应变片具有精度高, 结构简单, 频率响应特性好, 价格低廉的特点, 获得了广泛的应用。 金属应变片一般组成惠斯通电桥形式, 辅助以温度修正装置, 作为称重传感器。 这种传感器接口线一般有五根, 包括激励的正负, 输出的正负,屏蔽线。

目前基于金属应变桥的高精度电子秤的激励一般采用高精度恒压源的方式。这种方式在短距离的传输信号时, 是行之有效的方法。 当传输距离超过 3米, 而且附近有电源线靠近的时候, 会出现电子秤的精度下降的现象, 严重时精度低于国家三级秤的标准, 无法正常使用。

本文介绍基于电流源激励的方式电子秤, 经过在实践中的使用, 证明该方法是更加行之有效。

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, 假设由激励源到桥路的导线电阻为 R, 当采用 5V 供电时候, 对于 350 欧姆的电桥, 电流值高于 10毫安。 当线路电阻高于 0. 4 欧姆时候, 会产生大约 10个毫伏的压降, 这使应变片桥的激励电压产生了较大的误差。 当称重范围比较大的时候, 桥路电流值有比较大的变化 , 更加影响了测量精度。 更为严重的是, 当供桥激励导线附近存在较强电磁场时, 带来的串模干扰更加影响了测量的精度。

如图 1所示, 假设由激励源到桥路的导线电阻为 R, 当采用 5V 供电时候, 对于 350 欧母的电桥, 电流值高于 10毫安。 当线路电阻高于 0. 4 欧母时候, 会产生大约 10个毫伏的压隆, 这使应变片桥的激励电压产生了较大的误差。 当称重范围比较大的时候, 桥路电流值有比较大的变化, 更加影响了测量精度。 更为严重的是, 当供桥激励导线附近存在较强电磁场时, 带来的串模干扰更加影响了测量的精度。

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不对供桥的恒定电压产生影响, 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, 设基准源为 V ref, 电阻为 R, 运算放大器为精密放大器, 这样流过桥路的电流为 Io =V re f /R, 当 R 为精密电阻时, 这个恒流源具有足够的精度。 当由于某种原因, 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, 负反馈输出相对稳定, 缺点是对产生恒流的电阻的精密度要求很高, 同时要求一个精密低温漂的精密放大器, 这样会增加产品的成本。

(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  ADS1218和一些信号调理芯片都可以。 但是它们中有的虽然可以方便使用, 然而用专用芯片提供恒流源的输出比采用负反馈的输出小, 同样需要外加精密电阻获得较大的恒流源。 但是, 如果出于 PCB体积和电路稳定性及调试方便的考虑, 使用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.实验结果分析

(1)分辨率

(测试条件:传输导线长为 4米, 室温为 18℃, 传感器为称重量程为 60公斤).

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.