楊 磊，尹溶森

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

一種帶電壓波動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆Q重系統(tǒng)研究

楊 磊，尹溶森

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

為了消除稱重傳感器外部電源電壓波動(dòng)對(duì)稱量不確定度造成的影響，對(duì)稱重系統(tǒng)電壓波動(dòng)的檢測和補(bǔ)償方法進(jìn)行了研究，分析了電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)和惠斯通電橋的測量原理，給出了稱重傳感器輸出電壓與外部電源電壓之間的修正關(guān)系，提出了一種通過同步檢測輸出電壓和外部電源電壓信號(hào)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電壓波動(dòng)的方法，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335以及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1234的稱重系統(tǒng)對(duì)所提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，在外部電源電壓的波動(dòng)范圍內(nèi)，補(bǔ)償后稱量結(jié)果的相對(duì)誤差始終小于1%，說明該方法能夠用于有效提高稱重系統(tǒng)的稱量精度。

稱重；電壓波動(dòng)；動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；壓力傳感器；信號(hào)采樣

0 引 言

隨著電子技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，稱重裝置的計(jì)量方法逐漸從模擬測量向數(shù)字測量轉(zhuǎn)變，裝置性能也不斷得到改善［1-3］。衡量稱重裝置性能指標(biāo)首要的標(biāo)準(zhǔn)是測量精度，一般來說提高測量精度的方法主要有3類：一是提高傳感器自身的精度，通過材料的改進(jìn)來改善傳感器的蠕變特性和溫度特性等［4］；二是通過算法來補(bǔ)償測量中存在的誤差，常用的算法有最小二乘法、三次樣條插值以及分段線性擬合等［5］；三是提高系統(tǒng)的采樣精度，如提高外部供電電源精度，補(bǔ)償外界溫度變化對(duì)測量精度的影響［6-7］。

國內(nèi)外許多學(xué)者就以上3方面提出多種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)稱量裝置測量精度的改進(jìn)。鄭惠群等人［8］通過改進(jìn)材料性能，改善稱重傳感器的蠕變特性和溫度特性，有效地提高了稱重傳感器的精度。朱子健等人［9］通過預(yù)先測定方法把標(biāo)準(zhǔn)值存入芯片內(nèi)，對(duì)傳感器的蠕變特性進(jìn)行補(bǔ)償，但由于需要提前測定標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)，導(dǎo)致環(huán)境適應(yīng)性低，實(shí)時(shí)性差。劉衛(wèi)東［10］提出用恒流源代替恒壓源的方法來消除傳感器外部電源電壓波動(dòng)對(duì)稱重精度的影響，但恒流源芯片較恒壓源芯片系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高。宋愛娟等人［11］基于DSP數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采樣低通濾波的方法提高了輸出信號(hào)的采樣精度，但難以降低電源電壓等外界因素造成的測量誤差。

為了解決傳感器外部電源電壓波動(dòng)對(duì)測量精度造成影響的問題，本研究提出一種動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電源電壓波動(dòng)提高稱重精度的方法，通過同步檢測稱重傳感器輸出電壓信號(hào)和外部工作電源電壓，對(duì)外部工作電源電壓的波動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，從而減小電源電壓波動(dòng)造成的稱重誤差，實(shí)現(xiàn)稱重量的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確計(jì)算。

1 稱重的基本原理

本研究采用應(yīng)變片壓力傳感器作為稱重傳感器，該稱重傳感器通過電阻應(yīng)變片的應(yīng)變效應(yīng)和惠斯通測量電橋?qū)⒅亓啃盘?hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。為了更好地理解本研究中提出的電壓動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法，筆者在此簡要介紹電阻應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)的稱重原理和惠斯通測量電橋的工作原理。

1.1 電阻應(yīng)變片應(yīng)變效應(yīng)

電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值發(fā)生變化，稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)［12］。

設(shè)有一根長度為L，截面積為S，電阻率為ρ的電阻絲，未受力時(shí)的電阻值如下式所示：

式（5）表明：電阻值變化量與壓力應(yīng)變量成正比，則可通過測量該電阻值的變化來測量壓力的變化量，將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化信號(hào)，完成第一步的信號(hào)轉(zhuǎn)換，以最終達(dá)到測量重物質(zhì)量的目的。

1.2 惠斯通測量電橋

應(yīng)變片式稱重傳感器中，通常采用惠斯通測量電橋的方法將電阻變化量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)再進(jìn)行輸出［13］。

惠斯通測量電橋電路圖如圖1所示，在基于惠斯通電橋的剪切梁式稱重傳感器中，若采用等臂電橋，并且其初始狀態(tài)是平衡的，通過計(jì)算可以得出電橋的輸出電壓如下式所示：

圖1 惠斯通測量電橋電路圖

當(dāng)R1、R2、R3、R44個(gè)應(yīng)變片相同時(shí)，環(huán)境溫度變化Δt引起各個(gè)應(yīng)變片阻值變化ΔRt相同，即ΔR1t=ΔR2t=ΔR3t=ΔR4t，此時(shí)電橋的輸出電壓U0不變，即環(huán)境溫度變化不影響電橋的輸出電壓，溫度特性得到補(bǔ)償。

當(dāng)采用相同的應(yīng)變片時(shí)，4個(gè)應(yīng)變片靈敏度系數(shù)均為K(ΔR/R=Kε)，則式（6）可寫成下式：

式（7）表明：當(dāng)應(yīng)變片靈敏度K是確定的，電橋輸出的信號(hào)U0與外加電源電壓U成正比，通過測量傳感器輸出的電壓信號(hào)即可反映電橋電阻值的變化，從而反映壓力的變化量。通過提高外加電源的精度可以提高傳感器的靈敏度，但是由于導(dǎo)線分布電容以及外界電磁干擾的存在［14］，提高電源電壓精度會(huì)極大增加恒壓源硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，并引入新的干擾。恒流源可以消除外部電源電壓波動(dòng)對(duì)稱重不確定度的影響，但恒流源芯片較恒壓源芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高，實(shí)際生產(chǎn)不常使用。因此，本研究提出在不改變外加電源的情況下，同時(shí)對(duì)稱重傳感器的輸出電壓信號(hào)和外加電源的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，并通過處理模塊的分析計(jì)算，來補(bǔ)償電源電壓不穩(wěn)造成的稱重誤差的方法，有效地消除了外加電源電壓信號(hào)波動(dòng)對(duì)測量不確定度的影響，提高了稱重精度。

2 稱重系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

稱重系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)包括數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335、外部電源模塊、A/D采樣模塊和至少一個(gè)稱重傳感器。稱重傳感器用于感應(yīng)承載物的重量，并生成對(duì)應(yīng)的重量信號(hào)；外部電源模塊向其他功能模塊提供工作電壓；調(diào)理模塊分別對(duì)重量信號(hào)和工作電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理放大；A/D采樣模塊對(duì)調(diào)理放大后的重量信號(hào)和工作電壓信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；處理模塊接收A/D轉(zhuǎn)換后的重量信號(hào)和工作電壓信號(hào)，使工作電壓信號(hào)與壓力傳感器的額定電壓作差后得到電壓誤差，根據(jù)所述的電壓誤差計(jì)算出重量誤差，進(jìn)而利用重量誤差對(duì)重量信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償后輸出承載物的重量。該稱重系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335為浮點(diǎn)型高速DSP芯片，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，最高時(shí)鐘頻率為150 MHz，有獨(dú)立的DMA，帶512 KB的Flash存儲(chǔ)器，68 KB的RAM存儲(chǔ)器，88路GPIO口，運(yùn)行性能優(yōu)良，可以有效保證在線監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，并且方便擴(kuò)展RS232等外設(shè)接口，非常方便現(xiàn)場和上位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試。

圖2 稱重系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

為了使性能更加優(yōu)化，人機(jī)交流更方便，處理模塊連接有鍵盤作為輸入模塊，用于對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器輸入相關(guān)指令；數(shù)字信號(hào)處理器還連接有液晶顯示屏，用于顯示計(jì)算得到的重量值。

2.1 稱重傳感器及其外圍電路

該系統(tǒng)中稱重傳感器采用剪切梁式傳感器0745A，其確定的靈敏度為1.940 9 mV/V@1 100 kg，外加工作電壓為5 V，輸出的信號(hào)電壓跟傳感器外加的電壓有關(guān)，因此，為了檢測到精確的信號(hào)電壓，系統(tǒng)必須同時(shí)采樣傳感器外加的電壓值。

該傳感器的惠斯通測量電橋電路在原始的惠斯通電橋的基礎(chǔ)上做出了修正，筆者通過在4個(gè)橋臂應(yīng)變片電阻上串、并聯(lián)精密電阻，可以有效地改善該傳感器的溫度特性，提高傳感器的測量精度。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊與外部電源模塊和稱重傳感器相連，同時(shí)對(duì)電源的電壓及傳感器的輸出電壓進(jìn)行放大處理。

該系統(tǒng)的調(diào)理電路采用AD620儀表放大器。AD620是一種完整的單片儀表放大器，提供8引腳DIP和SOIC兩種封裝。用戶使用一個(gè)外部電阻器可以設(shè)置從1～1 000任何要求的增益。按照設(shè)計(jì)要求，增益10和100需要的電阻值是標(biāo)準(zhǔn)的1%金屬膜電阻值。在該系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理模塊中壓力傳感器輸出信號(hào)的放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻采用精密電阻01A，阻值為100 Ω，則放大倍數(shù)為G=（49.4×103/100）+1=495。

2.3 高精度A/D采樣模塊

A/D采樣模塊與信號(hào)調(diào)理模塊相連，采集調(diào)理電路輸出的電壓信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸出給數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335。A/D采樣模塊采用TI公司生產(chǎn)的精度為24位的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1234，其連接圖如圖3所示，自帶內(nèi)部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換模塊連接圖

該系統(tǒng)中，AVDD為5 V，所以模擬信號(hào)輸入最大值為5.3 V，考慮實(shí)際使用情況，將模擬信號(hào)的輸入幅值設(shè)定為5 V較為合理。綜合考慮精密電阻的阻值，實(shí)際輸入電壓可能小于5 V，根據(jù)前述內(nèi)容，該系統(tǒng)調(diào)理電路中，放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻采用精密電阻01A，阻值為100 Ω，所以A/D采樣模塊輸入的幅值可能是4.853 49 V。

3 稱重系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的核心優(yōu)勢在于，數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335同時(shí)接收稱重傳感器電壓信號(hào)及電源模塊的工作電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行有效放大，并通過數(shù)字信號(hào)處理器的后續(xù)分析計(jì)算，可有效補(bǔ)正電源電壓不穩(wěn)造成的稱重誤差，能夠有效降低對(duì)外加電源的精度的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小信號(hào)的高精度稱重測量。硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)合補(bǔ)償算法的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)上述要求。

算法的核心思想在于，對(duì)于傳感器外加的電壓信號(hào)，不再采用標(biāo)稱值，而是采用通過調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路輸入的電源電壓實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算。

該系統(tǒng)對(duì)信號(hào)電壓和外加電源電壓的處理，都是由DSP的軟件來實(shí)現(xiàn)。為了提高測量的實(shí)時(shí)性和可靠性，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，分為主程序和中斷子程序模塊，信號(hào)檢測和處理在中斷子程序中實(shí)現(xiàn)，由DSP的事件管理器來管理。主程序完成系統(tǒng)初始化，打開中斷然后進(jìn)入鍵盤掃描子程序循環(huán)以等待中斷的發(fā)生。中斷服務(wù)子程序完成信號(hào)電壓和外加電源電壓的A/D采樣，經(jīng)過處理輸出重量測量結(jié)果，程序框圖如圖4所示。

圖4 中斷服務(wù)子程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提出的動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償方法對(duì)稱重精度的改善效果，本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)由稱重傳感器、硬件核心板和開關(guān)電源組成的稱重系統(tǒng)。其中，稱重傳感器采用剪切梁式壓力傳感器0745A，靈敏度為1.940 9 mV/V@1 100 kg；硬件核心板集成數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335、A/D采樣模塊、調(diào)理模塊、處理模塊和RS232通訊接口；開關(guān)電源提供標(biāo)稱值5.00 V的電源電壓，實(shí)際值4.90 V～5.10 V之間波動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)過程中，筆者將待測量的物體放置在稱重傳感器接觸面上，待測物體實(shí)際質(zhì)量為110.003 2 kg。在未采用本研究提出的方法時(shí)，認(rèn)為外部電源電壓的實(shí)際值與其標(biāo)稱值相等，均為5.000 0 V，但電源電壓實(shí)際值在4.90 V～5.10 V之間波動(dòng)。那么，在電源電壓波動(dòng)時(shí)，未修正與采用該方法修正后的測量結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 電源電壓波動(dòng)值與測量結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系

電壓波動(dòng)在動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前、后對(duì)測量結(jié)果造成的相對(duì)誤差如圖5所示。

圖5 補(bǔ)償前后電源電壓波動(dòng)值與相對(duì)誤差的關(guān)系

由表1和圖5可知，稱量系統(tǒng)在標(biāo)稱工作電壓5.0 V下，測量結(jié)果的相對(duì)誤差約0.3%。在外部電源電壓偏離標(biāo)稱工作電壓約0.1 V條件下，測量結(jié)果的相對(duì)誤差明顯增大，約1.6%；在相同條件下，經(jīng)電壓波動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償后，測量精度提高了約1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)消除電源電壓波動(dòng)、提高測量精度具有明顯效果。

5 結(jié)束語

本研究對(duì)稱重傳感器外部電源電壓波動(dòng)造成稱量精度降低的問題進(jìn)行了研究，提出了一種對(duì)電源電壓波動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償提高稱量精度的方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于TMS320F28335和壓力傳感器0745A的稱重系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了補(bǔ)償前后系統(tǒng)的測量誤差，可得到如下結(jié)論：

（1）在該稱重系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理模塊同時(shí)接收稱重傳感器電壓信號(hào)及外加電源的電壓信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行有效放大，并通過處理模塊的后續(xù)分析計(jì)算，可有效補(bǔ)償電源電壓不穩(wěn)造成的稱重誤差，能夠有效降低對(duì)外加電源的精度的要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小信號(hào)的高精度稱重測量；

（2）TMS320F28335型DSP有非?？斓挠?jì)算速度，進(jìn)一步保證了在線監(jiān)測的實(shí)時(shí)性，對(duì)不同的監(jiān)測算法只要改變系統(tǒng)軟件控制部分地參數(shù)設(shè)定，無須改變系統(tǒng)的其他部分就可以完成，并且它具有RS232通訊接口，非常方便現(xiàn)場和上位機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試；

（3）24位A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1234，可以有效保證對(duì)外部電源電壓信號(hào)和傳感器輸出電壓信號(hào)的采樣精度，提高傳感器的測量精度。

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本文引用格式：

楊 磊，尹溶森.一種帶電壓波動(dòng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆Q重系統(tǒng)研究［J］.機(jī)電工程，2014，31（10）：1296-1300.

YANG Lei，YIN Rong-sen.Study on a weighing system based on dynamic supply voltage fluctuation compensation［J］.Journal of Mechanical&Electri?cal Engineering，2014，31（10）：1296-1300.定性實(shí)驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，16

《機(jī)電工程》雜志：http：//www.meem.com.cn

［編輯：程 浩］

Study on a weighing system based on dynamic supply voltage fluctuation compensation

YANG Lei，YIN Rong-sen
（College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

In order to eliminate the weighing errors caused by external supply voltage fluctuation of the weighing sensor，the method for detecting and compensating the voltage fluctuation of the weighing system was focused on.The strain effect of strain gauge and the measurement principle of the Wheatstone bridge were analyzed.Then the correcting relationship between the output voltage signal and external supply voltage signal was given.A dynamic voltage fluctuation compensation method by synchronously sampling output voltage and supply voltage was proposed subsequently.A weighing system based on digital signal processor TMS320F28335 and analog-digital conversion chip ADS1234 was designed to examine the proposed method.The results indicate that the weighing errors of the compensated weighing system are lower than 1%within the fluctuation range of the external supply voltage，which verifies that this method is feasible for improving the weighing accuracy.

weighing；voltage fluctuation；dynamic compensation；pressure sensor；signal sample

TH715.1；TP212.1

A

1001-4551（2014）10-1296-05

10.3969/j.issn.1001-4551.2014.10.014

2014-06-04

楊 磊（1993-），男，河南商丘人，主要從事數(shù)字信號(hào)處理和智能傳感器方面的研究.E-mail:yanglei_ee@163.com

［編輯：洪煒娜］