一、概述

隨著科學技術的發展,當今的三大技術 (傳感器技術、信息技術、計算機技術 ) 在衡器行業得到了廣泛地應用,大大提高了衡器行業的技術水平,為動態稱重技術的發展打下了良好 的基礎,使動態稱重精度和可靠性越來越高,滿足了市場對動態稱重的要求;同時隨著國民經濟的發展和社會的進步,稱重技術的應用範 圍也越來越廣,隨著社會節奏的加快和效率的提高,市場對動態稱重的需求也越來越多,已成為一個新的技術和市場熱點。

稱重儀表作為電子衡器的大腦中樞,它融合了當今先進的信息技術和計算機技術,在動態稱重中將起到關鍵作用,因此在設計動態電子衡器時應首先設計或選擇一種合適的動態稱重儀表。

二、動態稱重儀表的技術現狀

動態稱重儀表是所有動態衡器所用儀表的統稱,是指被稱物體在運動 中就能得到其質量的儀表,不 同的應用場合對稱重儀表有不同的功能、指標和參數的要求。在 目前 的情況下,動態稱重儀表主要有動態軌道衡用儀表、定量秤用儀表、配料秤用儀表、皮帶秤用儀表、動態汽車衡用儀表等,它們各有 自己的特殊要求,但同時又有共同的一點:那就是高的采樣速率,即高的 A / D轉換速率。

在現有動態稱重儀表 中,高速A / D轉換主要有積分式、∑一△式、逐次逼近式等,它們各有優缺點,其中積分式和∑一△式A / D轉換應用較多,尤其∑一△式A / D轉換風頭正緊,這從產品廣告中可 以看出。

三、關於 ∑一△式A / D轉換

∑一△式A / D轉換的基本原理是以很低的采樣分辨率 (1位 )和很高的采樣速率將模擬信號數字化,通過使用過采樣、噪聲整形和數字濾波等方法增加有效分辨率,然後再對輸出進行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。所謂過采樣 ( voer samPling)就是在直流輸人信號上疊加一個交流信號,並用比這交流信號頻率高得多的采樣頻率進行采樣,此時得到的數字輸出值將是變化的,用這些采樣結果的平 均值表示 A D C的轉換 結果便 能得到比用同樣ADC高得多的采樣分辨率。

∑一△式A / D轉換最早應用於音頻方麵,最近幾年方才應用 於衡器行業,其顯著的特點是采樣速率快,達到 100次/秒以上,分辨率高,達到 24位,是看中了∑一△式A / D轉換器的高速率和高分辨率的特點,方才將其應用於動態稱重儀表中。

隨著應用的增多,∑一△式A / D轉換器的缺點也越來越明顯,抗幹擾性差,有效分辨率達不到器件所說位數(61 位的∑一△式A / D轉換器隻能達到 21一41 位的應用精度,24 位的∑一△式A / D轉換器隻能達到20位的應用精度。),同時由於 ∑-△式A /D轉換內的數字濾波器需要較長的建立 時間,並且這些器件大多采用串行輸出,這些均造成實際的有效采樣速率大大下降,影響了實際使用效果。在實際應用中達不到器件所說的分辨率和轉換速率。

四、關 於積分式A / D轉換

積公式A / D轉換器是稱重儀表 中最常用 的一種A / D轉換形式,已經被大家所熟知,其實質是測量和 比較兩個 (或三個 ) 積分的時間,一個是對模擬輸人電壓積分的時間T。,此時間往往是固定的,另一個是以充電後的電壓為初值,對參考電壓VRef反向積分,積分電容對放電指令所需的時間Ti。模擬輸人 電壓Vi與參考電壓VRef:之比,等於 上述兩個時間之比。

由於T_O、V_Ref為己知的固定常數,因此反向積分時間Ti(對V_Ref反向積分 )與輸人模擬電壓V,在 To 時間內的平均值成正比。輸人電壓Vi愈高,V_A愈大,Ti就愈長。在Ti 開始時刻,控製邏輯同時打開計數器的控製門開始計數,直到積分器恢複到零電平時,計數停止。則計數器所計出的數字即正比於在輸人電壓Vi在T₀ 時間內的平均值,於是完成了一次A / D轉換。   由於雙積分式A / D轉換是側量輸人電壓 Vi在T。時間內的平均值,所以對常態幹擾 (串模幹擾 )有很強的抑製作用,尤其對正負波形對稱 的幹擾信號,抑製效果更好。

雙積分式A / D轉換器電路簡單,抗千擾能力強,精度高,但轉換速度較慢,隻適合靜態儀表,不適合動態儀表。為了保持優點,克服缺點,滿足動態儀表的要求,人們對其進行了改進,設計 出了多積分式A / D轉換器,使分辨率達到1/20 萬以上 (相當於18 位 ),采樣速率達到 70 次/秒,完全可以滿足動態儀表 的要求。

五、關於 A / D內碼數 (分辨率 )

在稱重儀表中,A / D內碼數 (分辨率 ) 是比較重要的一項指標,在前幾年,這項指標被某些廠家作為一個賣點,說其儀表內分辨率達到1 / 10 萬 (20 位 )以上。可實際有效內分辨率達不到這個指標。

由於 電子衡器大都在150 到600 個分度範圍內,其所用稱重儀表按 10 個 內碼折算一個分度,則6萬個內碼以上即可滿足一般電子衡器的需要,再考慮其它因素,儀表有效 內碼數在 20 萬左右即可滿足要求,若再高將徒勞無益。

六、關於采樣速率

在動態稱重儀表中,采樣速率也是一個很關鍵的指標,它直接影響儀表的反應速度。根據采樣定理得知采樣頻率至少應大於被測信號頻譜 中的最高頻率的兩倍,采樣頻率越高,越能反映被測信號變化的真實情況,但也不是越高越好。

在現有的動態衡器 中,稱重傳感器產生的信號頻率均不高,一般在 20Hz以下,因此最高采樣速率一般在 60 次/秒即可滿足要求。

七、實際應用情況

任何事情都不是一成不變的,都應根據實際情況進行針對性的分析研究,確定最佳的設計方案。筆者從事了多年的儀表研究工作,對多種情況進行了研究和 比較,並將結論應用到實際工作中,取得了較好的效果。

總的來說,積分式A / D轉換的應用效果較好,抗幹擾能力強,控製精度高,可根據具體產品的特性,選擇合適的內分辨率和采樣速率,達到最佳精度和速度的結合。

八、結束語

動態稱重技術 的研究方興未艾,是衡器的發展方向,動態稱重儀表應首當其衝,為我國衡器的發展作出更大的貢獻。動態稱重的理論研究更應加大力度,為我國的衡器發展指明方 向。

 

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