應(yīng)變式傳感器的電壓測量
 

【摘 要】本文介紹了對應(yīng)變式傳感器的電壓測量中有關(guān)熱噪聲對測量精度的影響，并著重指出Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題。
【關(guān)鍵詞】 應(yīng)變式傳感器，噪聲，小電壓測量
應(yīng)變式傳感器輸出的電壓測量是決定電子秤準(zhǔn)確度的重要因素，zui早使用模擬式測量儀表時(shí)，其精度很難超過0.5%。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、比例電壓測量技術(shù)以及六線接線法后，使得測量精度大為提高。現(xiàn)今準(zhǔn)確度級達(dá)OIML R76 Ⅲ級，分度為10,000分度值已不再困難。通常應(yīng)變式傳感器的滿量程輸出電壓一般為10mV或20mV的直流電壓。這個(gè)量級電壓測量屬于“小電壓（low level）”測量范圍。本文針對應(yīng)變傳感器的電壓測量談一談“小電壓”測量的一些基本問題。
1. Johnson 噪聲
Johnson噪聲是由于電阻器中帶電粒子的熱運(yùn)動產(chǎn)生的無規(guī)噪聲，也稱為熱噪聲。由帶電粒子熱運(yùn)動產(chǎn)生的能量為：
P=4KTΔf
式中K——波爾茲曼（Boltzman）常數(shù)（1．38×10-23J/ oK）
T——溫度（oK）
Δf——被測噪聲的帶寬（HZ）
電阻的Johnson噪聲電壓的有效值為：E=fKTRΔ4
圖1 圖2
金屬導(dǎo)體的熱噪聲接近此理論值，其他物質(zhì)的熱噪聲稍高于此噪聲值。
Johnson噪聲決定了以電阻為信號源電壓測量極限，應(yīng)變式傳感器就是以電阻為輸出阻抗的信號源。圖1表示不同源電阻、不同帶寬的熱噪聲值。圖2表示出我們常用電壓測量儀表由于Johnson噪聲存在的測量極限。由圖可以看出，對于應(yīng)變式傳感器輸出電壓的測量，在一般情況下，即使考慮到動態(tài)測量的帶寬，由電阻源所產(chǎn)生的Johnson
噪聲也可以忽略不計(jì)。
2．零點(diǎn)漂移和噪聲
在本節(jié)主要是指應(yīng)變式稱重儀前置級的零點(diǎn)漂移和噪聲。前置級偏置電壓在無信號輸入時(shí)，會隨時(shí)間和/或溫度緩慢變化，稱為零點(diǎn)漂移。對顯示儀表前置放大器零點(diǎn)漂移的zui低要求，可根據(jù)OIML R76號建議對衡器的準(zhǔn)確度要求由下式求得： 5···maxminWeS電橋激勵(lì)電壓零點(diǎn)漂移≤（μV/oK）
式中：S——傳感器的靈敏度（mV /V），一般取2mV/V
Wmax——傳感器的zui大額定量程（kg/t）
emin——傳感器或衡器的zui小分度值
例如對額定量程值為20t的傳感器，取emin為2kg，橋壓為10V。由上式可求得選用前置放大器的偏置漂移電壓不得大于0.4μV/ oK
根據(jù)前置放大器的零點(diǎn)漂移（zero drife）值，可由下式求出顯示器的zui大分度數(shù)n kdrifezeroVVmV°••=5） （10/2n
在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，為了保險(xiǎn)起見，在上式計(jì)算時(shí)選用器件zero drife的zui大值。
前置放大器除了輸入失調(diào)電壓/電流的影響外，還要考慮放大器的噪聲。放大器的噪聲除熱噪聲外，還有散粒噪聲和閃爍噪聲。散粒噪聲是由于半導(dǎo)體內(nèi)載流子的不連續(xù)的粒子性質(zhì)造成，它的功率譜密度是均勻的。閃爍噪聲的功率譜密度與頻率成反比，表現(xiàn)出1/f特性，為低頻噪聲。這些噪聲的大小取決于器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和材料。一般而言硅器件低于鍺器件，場效應(yīng)管低于晶體管。另外由于放大器各級的響應(yīng)通常可視為單極點(diǎn)響應(yīng)，等效為一單級阻容低通網(wǎng)絡(luò)，傳遞函數(shù)為：
H（jω）=Rcjω+11
因此前置放大器的噪聲呈1/f特征，它的這種固有噪聲決定了顯示器的使用限。根據(jù)OIML R76號建議，可由下式確定前置放大器可達(dá)到的zui大分度數(shù)deVmn5/V2n••=激勵(lì)電壓
式中：en——放大器的噪聲電壓
d——顯示器的zui小分度值
3．溫差電動勢
當(dāng)電路的不同部分處在不同溫度時(shí)，或者當(dāng)一傳導(dǎo)導(dǎo)線是由兩種不相同的物質(zhì)相互連接而成時(shí)（參看圖3），在其間將產(chǎn)生溫差電動勢。表1給出不同金屬與銅連接時(shí)的溫差電動勢，從表中可看出，有時(shí)為了省事，將兩根銅質(zhì)導(dǎo)線擰在一起，而不是焊在一起，時(shí)間一長，銅線的表面發(fā)生氧化，結(jié)果產(chǎn)生顯著的溫差電動勢，造成不可忽略的誤差。為了降低溫差電動勢的影響，盡量不使用由多種材料構(gòu)成的電路，使整個(gè)測量系統(tǒng)的溫度盡量一致。
表1
金屬
溫差電動勢
Cu-Cu（銅-銅）
≤0.2μV/℃
Cu-Ag（銅-銀）
0.3μV/℃
Cu-Au（銅-金）
0.3μV/℃
Cu-Cd/Sn（銅-錫鎘）
0.3μV/℃
Cu-Pb/Sn（銅-錫鉛）
1-3μV/℃
Cu-Sc（銅-硅）
400μV/℃
Cu-Kovar（銅-鎳基合金）
40μV/℃
Cu-CuO（銅-氧化銅）
1000μV/℃
圖3
4．電磁場干擾和接地
將這兩種影響放在一起討論是因?yàn)檫@兩種影響不僅與現(xiàn)場環(huán)境因素影響關(guān)系非常大，而且對它們的排除更多是依賴經(jīng)驗(yàn)。例如接地點(diǎn)的選擇，電路的布線和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電磁干擾耦合的排除。這些在很大程度上都有賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。值的注意的是，由于工業(yè)、通訊等的高速發(fā)展，電磁場的干擾源迅速增強(qiáng)增多。為了保證測量的精度和可靠性，在衡器的建議中對電磁場干擾的嚴(yán)酷度要求越來越高。
5．A/D變換
A/D變換是應(yīng)變式傳感器信號數(shù)字化的zui主要環(huán)節(jié)。A/D變換的精度和可靠性決定了現(xiàn)代衡器的發(fā)展。近年在應(yīng)變式傳感器中大量使用的是所謂Σ-ΔA/C模數(shù)變換器。即由總和增量調(diào)制器構(gòu)成的過抽樣模數(shù)變換器，從原理上它與我們已往使用的并行比較型、逐決比較型、積分型等脈沖編碼調(diào)制（LPCM）的A/D*不同。從我接觸的一些用戶，甚至傳感器專業(yè)人員，發(fā)現(xiàn)他們對Σ-ΔA/D變換器的一些基本性能和技術(shù)指標(biāo)的了解有誤區(qū)。在這里我不準(zhǔn)備對Σ-ΔA/D變換器的工作原理做講解，只準(zhǔn)備對其使用中要注意的問題做一些講解。
首先是如何確定Σ-ΔA/D變換器的使用頻率，Σ-ΔA/D變換器由兩部分組成。*部分為Σ-Δ調(diào)制器，它將模擬信號，根據(jù)前一樣值與后一樣值之差，按其增量大小進(jìn)行量化編號，輸出為“0”或“1”一串編碼脈沖。第二部分為數(shù)字“梳狀”抽取濾波器，Σ-Δ編碼通過數(shù)字“梳狀”濾波器輸出常規(guī)的數(shù)字信號。Σ-Δ調(diào)制器的抽取頻率很高，均在MHZ量級。以一款較早的Σ-ΔA/D變換器為例。過抽樣速率為1.024MHZ，調(diào)制器輸出的抽樣率為256KHZ的1bitΣ-Δ碼。經(jīng)8階4級梳狀濾波器把上述Σ-Δ碼轉(zhuǎn)換為抽樣率為32KHZ的12bit數(shù)據(jù)。zui后經(jīng)過片外的抽取濾波器轉(zhuǎn)換成抽樣率為1KHZ的常規(guī)的PCM型數(shù)據(jù)?？梢?Sigma;-ΔA/D變換器雖然抽樣速率很高，但使用頻率并不太高，對于具體的器件，可根據(jù)技術(shù)說明書的輸出速率（Output Rate）確定。可使用的上限頻率，根據(jù)數(shù)字濾波器的取樣率而定。
第二個(gè)要注意的問題是Σ-ΔA/D變換器的噪聲。數(shù)字電路噪聲產(chǎn)生的本質(zhì)上與模擬電路*不同，后者是由元器件的物質(zhì)特性確定，如上述的熱噪聲等。而數(shù)字電路的
噪聲是由數(shù)字離散性，即量化所產(chǎn)生。它不僅與取樣值的量化值有關(guān)，而且與數(shù)字電路對離散數(shù)字的計(jì)算處理有關(guān)。所以在使用Σ-ΔA/D變換電路時(shí)，對于不同的截止頻率，不同的濾波器的設(shè)計(jì)，具有不同的噪聲。下表給出某款Σ-ΔA/D變換器的輸出噪聲RMS（μV）。
Output
Rate（HZ）
Gain of1
Gain of2
Gain of4
Gain of8
Gain of16
Gain of32
Gain of64
Gain of128
4.17
0.64
0.6
0.29
0.22
0.1
0.065
0.039
0.041
8.33
1.04
0.96
0.38
0.26
0.13
0.078
0.057
0.055
16.7
1.55
1.45
0.54
0.36
0.18
0.11
0.087
0.086
33.2
2.3
2.13
0.74
0.5
0.23
0.17
0.124
0.118
62
2.95
2.85
0.92
0.58
0.29
0.2
0.153
0.144
123
4.89
4.74
1.49
1
0.48
0.32
0.265
0.283
242
1176
9.5
4.02
1.96
0.88
0.45
0.379
0.397
470
11.23
9.44
3.07
1.79
0.99
0.63
0.568
0.593
第三講一下如何看待衡器顯示器的技術(shù)指標(biāo)。國內(nèi)很多衡器顯示器樣本為了顯示本產(chǎn)品的先進(jìn)性和高精度，在技術(shù)指標(biāo)中大多是注明使用24位Σ-ΔA/D變換，內(nèi)分辨率或內(nèi)分辨是多少。從上面講述中可看出這是一個(gè)比較含糊的技術(shù)指標(biāo)。國外正規(guī)的顯示器廠家，所列出的顯示器的技術(shù)指標(biāo)讓用戶一看就非常清楚、明細(xì)。一般均給出以下技術(shù)指標(biāo)：根據(jù)OIML R76號建議或歐洲EU認(rèn)證的精度級的分度數(shù)（n），精度或分辨率，每分度的zui小輸入電壓（μV/d）轉(zhuǎn)換率（次/秒），模數(shù)變換器的位數(shù)等。例如某顯示器給出的技術(shù)指標(biāo)如下：
精度等級
Ⅲ
EU認(rèn)證
10000分度
轉(zhuǎn)換率
zui大100次/秒
靈敏度
0.4μV/Vel（認(rèn)證）0.1μV/Vel（非認(rèn)證）
分辨率
內(nèi)部8,000,000碼 顯示600,000碼
我們知道對于24位的模數(shù)變換器的碼數(shù)為：224=16,777,216，但是根據(jù)不同的使用和設(shè)計(jì)，可得到以上技術(shù)指標(biāo)不一致的結(jié)果。所以我們在實(shí)際選用顯示器時(shí)，不能只看模數(shù)變換器的位數(shù)，而要了解該廠家所生產(chǎn)的顯示器的zui終經(jīng)過法定部門認(rèn)證后的技術(shù)指標(biāo)。