殷文志 王 勇 羅小月 劉學(xué)寧 胡慕伊

(南京林業(yè)大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院)

一種新穎的電阻應(yīng)變式兩線制稱(chēng)重變送器設(shè)計(jì)

殷文志 王 勇 羅小月 劉學(xué)寧 胡慕伊

(南京林業(yè)大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院)

針對(duì)常用的電阻應(yīng)變電橋式稱(chēng)重傳感器輸出電壓信號(hào)變化極為微小(若干毫伏)、零位誤差較大(與輸出變化量相當(dāng)，甚至大于輸出電壓變化量)，不便于轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)膯?wèn)題，為了將電阻應(yīng)變電橋式稱(chēng)重傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩線制4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行輸出，采用基于儀表放大器AD627和電流轉(zhuǎn)換器XTR105的模擬電路轉(zhuǎn)換方案，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、零位偏差補(bǔ)償。通過(guò)V/I轉(zhuǎn)換器，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流輸出信號(hào)，有利于長(zhǎng)距離傳輸。詳細(xì)介紹了變送器的工作原理和硬件電路設(shè)計(jì)。通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變送器的測(cè)量特性。

稱(chēng)重變送器 應(yīng)變電橋 AD627 XTR105 V/I轉(zhuǎn)換

制漿造紙過(guò)程中的木片稱(chēng)重、漿板稱(chēng)重及涂料稱(chēng)重等均可以使用電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到在線實(shí)時(shí)測(cè)量的目的。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，稱(chēng)重傳感器已然成為過(guò)程控制中的一種必要的裝置[1]。現(xiàn)代化的造紙工廠普遍使用集散控制系統(tǒng)(DCS)對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，DCS系統(tǒng)信號(hào)傳輸普遍要求采用兩線制4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[2]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。因此，一般的商用稱(chēng)重儀器無(wú)法滿(mǎn)足制漿造紙工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)物料稱(chēng)重和信號(hào)遠(yuǎn)傳的需求。

近年來(lái)，莊育鋒等針對(duì)電阻應(yīng)變式稱(chēng)重變送器的非線性誤差使用L-M算法建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使非線性得到有效的校正[3]。陳昌和王忠福對(duì)傳感器的信號(hào)使用儀表放大器AD623和數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)可編程增益放大器，同時(shí)用算法校正漂移[4]。石延平等以纏繞式鐵基非晶態(tài)合金薄帶作為磁芯,并采用兩種不同線圈方式傳感器結(jié)構(gòu)的稱(chēng)重傳感器，利用磁彈性效應(yīng)和電磁感應(yīng)工作原理，與傳統(tǒng)傳感器相比，有適應(yīng)性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。馬國(guó)明等提出了基于光纖光柵技術(shù)的新型稱(chēng)重傳感器，針對(duì)傳統(tǒng)電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙U型閉環(huán)彈性體結(jié)構(gòu)和對(duì)稱(chēng)粘貼光纖光柵元件的方法，達(dá)到克服偏載和提高精度的目的[6]。Lee M J等采用單壁碳納米管薄膜進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)量，將薄膜與傳感器相結(jié)合進(jìn)行批量制造，靈敏度得到大幅度提高[7]。Kuhnel M等使用雙彎曲梁彈簧單元作為載荷單元進(jìn)行稱(chēng)重測(cè)量，利用其可逆性、重復(fù)性及零誤差等優(yōu)點(diǎn)達(dá)到減小誤差的效果[8]。前述大多是通過(guò)先進(jìn)技術(shù)去提高精度，所以成本也相應(yīng)較高，且復(fù)雜許多。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的需求，筆者設(shè)計(jì)了一種基于儀表放大器AD627[9]和4～20mA雙線電流轉(zhuǎn)換器XTR105[10]的電阻應(yīng)變式兩線制稱(chēng)重變送器，通過(guò)純模擬電路實(shí)現(xiàn)了將輸出的電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩線制4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行輸出，并進(jìn)行非線性誤差補(bǔ)償，且巧妙地采樣X(jué)TR105內(nèi)部基準(zhǔn)對(duì)工作電路進(jìn)行供電，作為一種簡(jiǎn)單、新穎的設(shè)計(jì)方案，具有功耗低、接線方便及成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

變送器采用純模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和變換，其硬件電路主要包括7個(gè)部分：微弱應(yīng)變電橋、一級(jí)差動(dòng)放大器U1、零位誤差補(bǔ)償電路、二級(jí)差動(dòng)放大器U2、輸出電流調(diào)整電路、V/I轉(zhuǎn)換模塊、電源及輸出回路等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變送器結(jié)構(gòu)框圖

變送器的基本原理為電阻應(yīng)變電橋式稱(chēng)重傳感器中應(yīng)變電橋輸出的微弱且具有零位誤差的電壓信號(hào)輸入到放大器U1進(jìn)行一級(jí)放大，輸出電壓再和零位誤差補(bǔ)償電路輸出的電壓一起輸入放大器U2進(jìn)行二級(jí)差動(dòng)放大，輸出電壓再輸入到V/I轉(zhuǎn)換模塊，在輸出電流調(diào)整電路的控制作用下轉(zhuǎn)換為4～20mA電流并通過(guò)輸出回路輸出。其中，通過(guò)電路中的電位器可以方便地調(diào)整零位誤差補(bǔ)償量和輸出放大倍數(shù)，并由V/I轉(zhuǎn)換模塊對(duì)其他部分電路提供基準(zhǔn)源。

2 變送器硬件設(shè)計(jì)

2.1 電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器

最早的電阻應(yīng)變式壓力傳感器專(zhuān)利是由Simmons E E于1944年首先公布的，隨著科技的進(jìn)步、工藝的成熟，各式各樣的應(yīng)變片層出不窮，催生出多種電阻應(yīng)變式傳感器。電阻應(yīng)變式傳感器的基本原理是彈性體(彈性元件、敏感梁等)在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片形變后，其阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路(如惠更斯電橋)將阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化，從而完成將與力相關(guān)的參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程。電阻應(yīng)變式傳感器由于具有多種優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在稱(chēng)重系統(tǒng)中。

本設(shè)計(jì)采用的電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器結(jié)構(gòu)如圖2a所示，其中，4個(gè)應(yīng)變片R1、R2、R3、R4分別按照?qǐng)D中所示方式粘貼于懸臂梁上下兩個(gè)表面，并將4個(gè)應(yīng)變電阻按照?qǐng)D2b所示方式連接成測(cè)量電橋。當(dāng)懸臂梁受到重力G時(shí)，橋臂上的電阻產(chǎn)生應(yīng)變，R1、R4受力拉伸電阻變大，R2、R3受力壓縮電阻變小，導(dǎo)致電橋輸出的差模電壓E+和E-發(fā)生變化。理想情況下，當(dāng)施加重力G=0時(shí)，電橋平衡，即R1R3=R2R4，然而實(shí)際很難做到電橋平衡而導(dǎo)致測(cè)量零點(diǎn)發(fā)生偏移。例如，設(shè)計(jì)實(shí)例采用的廣測(cè)YZC-133懸臂梁式1kg高精度稱(chēng)重傳感器在0～800g輸入時(shí)，其實(shí)測(cè)輸出范圍為1.3～2.3mV，具有輸出電壓變化極為微小、零位誤差較大的特點(diǎn)，需要進(jìn)行高倍數(shù)放大和零位誤差補(bǔ)償。

圖2 電阻應(yīng)變式稱(chēng)重傳感器原理及電橋電路

2.2 信號(hào)放大及零位誤差補(bǔ)償

兩級(jí)差動(dòng)放大器U1和U2均采用低成本、高精度、低功耗儀表放大器AD627，其增益范圍為1～1 000，且具有較強(qiáng)的靈活性。實(shí)際使用時(shí)，僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，AD627可提供低增益誤差、低增益漂移、低失調(diào)電壓和低失調(diào)漂移，從而能將系統(tǒng)誤差減到最小。與其他儀表放大器相比，AD627可以提供更加出色的性能，占用更小的電路板面積，并具有更低的成本。

其中，U1對(duì)電橋輸出的1.3～2.3mV(設(shè)計(jì)實(shí)例采用傳感器的實(shí)測(cè)輸出范圍)差動(dòng)電壓進(jìn)行初級(jí)放大，RC為增益調(diào)整電阻，采用1kΩ電位器，調(diào)整電位器RC的阻值，將增益調(diào)整為約500，使它輸出的對(duì)地電壓范圍約為0.65～1.15V。差動(dòng)放大部分電路如圖3所示。其中，零位誤差補(bǔ)償電路由一個(gè)5MΩ固定電阻和一個(gè)1MΩ電位器RZ串聯(lián)并接在5.1V基準(zhǔn)電壓源上構(gòu)成，電位器中心抽頭輸出調(diào)整電壓，其調(diào)整電壓可在0.00～0.85V范圍內(nèi)變化，該電壓能夠以較高的精度抵消0.65V零位誤差電壓，且該回路的電流僅為0.85μA，功耗極低。

2.3 V/I轉(zhuǎn)換模塊及輸出電流調(diào)整

V/I轉(zhuǎn)換模塊電路如圖4所示。

V/I轉(zhuǎn)換模塊采用單芯集成的4～20mA電流轉(zhuǎn)換器XTR105，它具有很低的調(diào)整性誤差，并有兩個(gè)0.8mA高精度的鏡像電流源和一個(gè)5.1V、1mA輸出容量的基準(zhǔn)電壓源，設(shè)計(jì)將兩個(gè)電流源并聯(lián)后向稱(chēng)重傳感器應(yīng)變電橋提供1.6mA電流基準(zhǔn)從而構(gòu)成電流型電橋，可輸出隨被測(cè)質(zhì)量變化但具有零位誤差的測(cè)量電壓信號(hào)，而通過(guò)5.1V、1mA容量的基準(zhǔn)電壓源向兩個(gè)AD627儀表放大器和調(diào)整電路供電。

圖3 差動(dòng)放大部分電路

圖4 V/I轉(zhuǎn)換模塊電路

圖3中U2將U1輸出的電壓和零位誤差補(bǔ)償電壓進(jìn)行差分放大，不連接增益設(shè)置電阻，放大倍數(shù)為1。圖中的1kΩ電位器RCM及與它并聯(lián)的0.01μF電容接在電橋參考地端和XTR105的6腳之間，形成電橋電源回路。同時(shí)，電橋參考地端(即RCM的左端)接至U2的5端(輸出參考端)和V/I轉(zhuǎn)換模塊XTR105的2端(輸入電壓參考端)，U2的6端輸出約1.25～1.75V的對(duì)地電壓，即通過(guò)電橋的1.6mA電流在RCM上形成的壓降提高了輸出電壓起點(diǎn)，但同時(shí)巧妙地為XTR105芯片提供了它所要求的最低1.25V的輸入共模電壓。

U2輸出的電壓以差動(dòng)電壓的形式輸入到XTR105的13端(+VIN)和2端(-VIN)之間， XTR105自動(dòng)將共模1.25V、差模0.0～0.5V范圍變化的電壓變換為以4mA為起始的電流信號(hào)，其輸入輸出關(guān)系為：

I=4+40VIN/RG

(1)

式中I——輸出電流，mA；

RG——輸出電流增益調(diào)整電位器，也即XTR105的增益調(diào)整電阻，Ω；

VIN——輸入差模電壓，V。

式(1)中的RG可以在0～2kΩ內(nèi)調(diào)整，將輸出電流調(diào)整電阻RG調(diào)整到約1 250Ω時(shí)可將其輸出電流變化范圍設(shè)置在4～20mA內(nèi)。

2.4 電源和輸出回路

電源和輸出回路連接了NPN型三極管Q1(BU406)，以提高其輸出能力，減少XTR105芯片發(fā)熱，Q1的基極與XTR105的9端相連，集電極與XTR105的10端相連，發(fā)射極和XTR105的8端相連。24V直流電源通過(guò)電流環(huán)路為芯片供電，同時(shí)電路中設(shè)置的D1～D4采用1N4148二極管構(gòu)成整流橋，可防止電源反接，使得該變送器電源接線方向可以任意交換，并且連接D5(采用36V齊納二極管1N4753)，可吸收浪涌電流，起到過(guò)壓保護(hù)作用。輸出回路連接的0.1μF電容起到穩(wěn)壓作用，最終在電源、整流橋、XTR105、BU406、負(fù)載RL上組成的回路中流過(guò)4～20mA電流。電源和輸出回路電路如圖5所示。

圖5 電源及輸出回路電路

2.5 非線性補(bǔ)償電路

應(yīng)變片上壓力變化時(shí)，電阻的變化引起電橋失去平衡，此時(shí)輸出電壓與電阻之間的關(guān)系為非線性，需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償才能得到合理的輸出。

圖6為XTR105內(nèi)部部分電路，為了修正實(shí)際使用時(shí)電阻應(yīng)變式稱(chēng)重變送器表現(xiàn)出的非線性特征，在設(shè)計(jì)的圖3、4中把XTR105的VLIN端和應(yīng)變電橋輸出正壓端之間通過(guò)20kΩ的電位器RLIN連接在一起，將XTR105提供的非線性補(bǔ)償電流經(jīng)補(bǔ)償電阻RLIN輸入到應(yīng)變電橋的R4橋臂，通過(guò)XTR105內(nèi)部的儀表放大器，提供正反饋并控制線性修正，用以對(duì)應(yīng)變電橋的輸出變化量進(jìn)行非線性自動(dòng)補(bǔ)償，將RLIN阻值調(diào)整到合適的值可顯著提高輸出線性度和輸出精度。

圖6 XTR105內(nèi)部部分電路

對(duì)非線性誤差進(jìn)行定性分析。圖7a為負(fù)非線性誤差原理，此時(shí)需要將非線性誤差補(bǔ)償電流引入到R4橋臂(接至R3和R4之間)，即筆者使用的方法，傳感器提供恒定的供橋電壓，輸出電壓是不斷減小的，此時(shí)供橋電壓上升，那么就可以補(bǔ)償輸出電壓的下降，對(duì)負(fù)非線性進(jìn)行補(bǔ)償。而圖7b中為正非線性誤差原理，此時(shí)需要將非線性誤差補(bǔ)償電流引入到R2橋臂(接至R1和R2之間)，傳感器提供恒定的供橋電壓，輸出電壓是不斷增加的，此時(shí)，使得供橋電壓下降，那么就可以補(bǔ)償輸出電壓的上升，對(duì)正非線性進(jìn)行補(bǔ)償。

圖7 正負(fù)非線性誤差原理

3 變送器測(cè)試與特性分析

3.1 測(cè)試結(jié)果

為了便于實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室采用廣測(cè)YZC-133懸臂梁式1kg稱(chēng)重傳感器對(duì)變送器測(cè)量特性進(jìn)行測(cè)試。在25℃的實(shí)驗(yàn)室條件下，首先調(diào)整調(diào)零電阻RZ，使得在沒(méi)有被測(cè)重物時(shí)，輸出電流為4mA左右；再調(diào)節(jié)電阻RG，使得當(dāng)放置的標(biāo)準(zhǔn)砝碼為800g時(shí)(為了保證傳感器使用安全性將最大使用量程設(shè)置為800g)，輸出電流為20mA左右。然后，在一個(gè)固定的RLIN取值下，在懸臂梁的托盤(pán)上在0～800g測(cè)量范圍內(nèi)施加標(biāo)準(zhǔn)砝碼，被測(cè)質(zhì)量每改變50g測(cè)量得到一個(gè)輸出電流，從而得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)，并改變線性補(bǔ)償調(diào)整電阻RLIN值，得到多組測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖8給出了當(dāng)無(wú)線性補(bǔ)償電阻，即RLIN=∞和線性補(bǔ)償電阻RLIN=9.33kΩ時(shí)，被測(cè)質(zhì)量與輸出電流之間的關(guān)系變化曲線。

3.2 特性分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，對(duì)多組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。首先，對(duì)每組測(cè)量數(shù)據(jù)采用Matlab和最小二乘法進(jìn)行線性擬合。理論上，變送器測(cè)量線性特性通過(guò)線性擬合曲線的截距I0和線性相關(guān)系數(shù)的平方R2(決定系數(shù))來(lái)體現(xiàn)，即擬合曲線的截距越接近4mA且決定系數(shù)R2越接近1時(shí)線性特性越佳，故對(duì)每組測(cè)量數(shù)據(jù)取線性擬合曲線的截距I0，并按下式計(jì)算線性相關(guān)系數(shù)R：

圖8 RLIN=∞與RLIN=9.33kΩ時(shí)被測(cè)質(zhì)量與輸出電流關(guān)系

(2)

式中Ii——每次測(cè)量輸出電流值；

mi——每次施加的被測(cè)重物質(zhì)量；

N——每組數(shù)據(jù)的測(cè)量次數(shù)。

圖9給出了RLIN幾種不同取值情況下的I0與決定系數(shù)R2的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖9 RLIN不同時(shí)的I0與決定系數(shù)R2的關(guān)系

然后，對(duì)每組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量精度分析，按照下式計(jì)算出每組測(cè)量數(shù)據(jù)的最大引用誤差值δ，即：

(3)

其中，M為質(zhì)量的最大測(cè)量范圍。

圖10給出了RLIN不同取值情況下最大引用誤差值δ的計(jì)算結(jié)果。

圖10 RLIN不同取值情況下的最大引用誤差值δ

由圖9、10可以看出，接入補(bǔ)償電阻RLIN后，變送器測(cè)量的線性度和精確度得到顯著提高，補(bǔ)償電阻在2～10kΩ范圍內(nèi)調(diào)整時(shí)，最大引用誤差小于3.0%，其測(cè)量精度明顯優(yōu)于4.0精度等級(jí)，測(cè)量效果好，滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)物料稱(chēng)重的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)稱(chēng)重傳感器的缺陷和工業(yè)生產(chǎn)中DCS系統(tǒng)對(duì)變送器的需求，筆者利用AD627放大器和XTR105實(shí)現(xiàn)了將變化極小、零位誤差極大的電阻應(yīng)變式稱(chēng)重信號(hào)轉(zhuǎn)化換為兩線制4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。電路可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器進(jìn)行零位誤差補(bǔ)償、輸出增益調(diào)節(jié)和非線性補(bǔ)償，且放大器失調(diào)電壓、失調(diào)電流對(duì)微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度無(wú)影響，測(cè)量精度滿(mǎn)足工業(yè)要求，線性度高。由于電路使用的是純模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和變換，無(wú)需高精度AD采集加數(shù)字處理或復(fù)雜反饋平衡裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、功耗極低、性?xún)r(jià)比高。整個(gè)電路的供電和輸出都是通過(guò)兩線制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于整流橋的存在，使得變送器無(wú)正負(fù)極區(qū)分，接線方便、簡(jiǎn)單，可遠(yuǎn)程傳輸。

實(shí)際應(yīng)用中，只要將變送器與適當(dāng)量程的電阻應(yīng)變式稱(chēng)重變送器相連接，并適當(dāng)調(diào)整所有的電位器，便可以將測(cè)量信號(hào)接入現(xiàn)場(chǎng)的DCS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)物料質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和控制。

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DesignofNewTwo-wireResistanceStrainTransmitterforWeightMeasurement

YIN Wen-zhi, WANG Yong, LUO Xiao-yue, LIU Xue-ning, HU Mu-yi
(CollegeofLightIndustryScienceandEngineering,NanjingForestryUniversity)

Considering the tiny change (several millivolts) in output voltage signals, obvious zero offset(equal to or greater than the output voltage) and inconvenience in conversion and transmission of the commonly-used resistance strain bridge-type weighing sensor, and for purpose of converting its output signals to 4～20mA current signals with a two-wire output form, a AD627 instrument amplifier and XTR105 current converter-based analog circuit conversion scheme was proposed to magnify signals and implement zero offset compensation; meanwhile, through V/I converter, it has voltage signals converted into current output signals for long-distance transmission. The working principle of the transmitter and the design scheme of the hardware circuit were introduced in detail. The test results verify the measuring characteristics of this transmitter.

weighting transmitter, strain bridge, AD627, XTR105, V/I conversion

TH715

A

1000-3932(2017)07-0637-06

2017-02-20，

2017-03-14)

殷文志(1994-)，碩士研究生，從事傳感器技術(shù)與儀表的研究。

聯(lián)系人王勇(1984-)，講師，從事檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置、工業(yè)電子技術(shù)及儀器儀表的研究，wangyongnjnu@163.com。

(Continued from Page 627)

AbstractConsidering the great inertia, large lag and nonlinearity of the heating furnace’s temperature, a T-S fuzzy model-based fuzzy generalized predictive control strategy was proposed, and making use of PSO-optimized fuzzy C-means (FCM) algorithm and recursive least squares method to identify antecedent and consequent parameters of the T-S fuzzy model respectively was implemented, including having membership of updated model of the input variables based to transform the fuzzy model equivalently into a linearized model at each sampling point, and then having it taken as prediction model and applied to the generalized predictive control. The simulation results show that, the proposed method has shorter setting time under different operating conditions and has strong robustness under disturbance.

Keywordsfuzzy generalized predictive control,reheating furnace temperature, T-S fuzzy model