1 數字技術

信息技術中一場新的革命數字化或數字技術已經來臨。 數字化或數字技術, 就是用最簡單的兩個數0 和1 的不同組合, 來表達和傳輸不同的信息。這裏的0 和1, 在電路中表現 開和關或通和斷, 這恰好用上了半導體的開關特性。而模擬技術則是用隨時間變化的波形來模擬信息的變化, 欲用簡單的0 和1 來表達和傳輸大量複雜的信息, 就必須用很大數量的0 和1 按一定規則組合起來。正因為數字信號是0 和1 的組合, 其機射頻幹擾(RFI) 和抗電磁幹擾( EMI) 的性能遠比在時間軸和幅度軸上連續變化的模擬信號要強得多。采用數字技術還容易實現集成化, 從麵有利於減小裝置的體積和降低能耗。

2 模擬稱重傳感器和數字稱重傳感器

傳感器、通信、計算機是當代信息技術的三大支柱。稱重傳感器在工業過程檢測和商貿結算等方麵, 作為電子衡器的心髒部件而備受重視。目前, 大量生產和應用的都是傳統的模擬式稱重傳感器, 模擬信號的輸出較小,以生產量最大的, 采用電阻應變原理的稱重傳感器為例,一般最大輸出為(30~ 40) mv, 故其信號易受射頻幹擾和電磁幹擾, 電纜傳輸距離也短, 通常在10m 以內。而同樣是電阻應變式的數字傳感器係統, 其輸出信號可達4v, 是模擬傳感器的100 倍。強信號的電線傳輸距離可達150m, 附加電源後則可超過600m。

人們一直在為發送模擬稱重傳感器性能所需的各種補償而耗時耗力, 特別是在尋求廉價的靈敏度溫度補償、零點溫度補償、非線性補償、滯後補償、蠕變補償, 以及它們之間可能存在的交互作用的補償機理和補償辦法。而數字補償技術卻為此提供了新的解決途徑, 因為, 基於微處理機的數字稱重傳感器係統具有一定的智能, 有利於通過線路設計和軟件設計實現數字補償。

在使用多個傳感器並聯的容器稱重係統( 料鬥秤或配料秤) 、平台稱重係統或秤橋( 汽車衡或軌道衡) 中, 利用數字係統還可實現自校準。這是因為多通道的數字傳感器係統, 不存在阻抗匹配問題, 用戶輸入各傳感器的地址、秤量和靈敏度, 即可自動進行秤的 四角或 邊角平衡不必一次次地反複調整。而在模擬係統中多個傳感器並聯接線後, 每個傳感器的特性就不再是可辨別的了,核準時需在每一個傳感器上施加砝碼並利用接線盒中的分壓器進行調整。由於調整時存在著交互作用, 因而需反複多次。在數字係統中, 則允許分別複核作為單體的每一個傳感器。實際上, 較準裝有數字傳感器係統的秤所花費的時間, 僅為模擬係統的1/ 4。

利用數字係統可以實現 自診斷, 即診斷程序會連續地檢查各傳感器信號是否中斷、輸出是否明顯走出範圍等。若有問題, 在儀表或控製器麵板上自動顯示或報警, 用戶利用麵板上的鍵即可尋找各個傳感器, 獨立地確定問題原因並進行故障排除。這種直覺診斷和故障排除能力, 對用戶顯然是一種重要優點, 而在模擬傳感器係統中則是很難以低成本實現的。典型模擬傳感器係統的模擬數字變換具有16 比特,即有5 萬個可用計數, 而數字係統中每一個傳感器的分辨率為20 比特, 即有100 萬個可用計數。所以, 一個裝有4 個數字傳感器的係統即可提供400 萬個計數的分辨率。這種高分辨率的優點, 特別適用於秤架自重大而被稱物重量小的場合。

這在傳統的模擬係統中同樣是很難實現的。

3 數字稱重係統的發展

數字稱重傳感器的關鍵之一是模擬信號與數字信號之間的轉換( 即A/ D 變換) , 它是通過采樣、量化及編碼三個步驟完成的。采樣是指每隔一定的時間間隔抽取一個樣點信號, 用傳送樣點信號來代替傳送模擬信號。

量化是指把本來有無窮多個取值的模擬信號, 表示為有限個離散值的過程, 即使模擬信號在時間上和幅值上 離散化。顯然, 隻要采樣頻率等於或大於2 倍的信號最高頻率, 則在收端可以從樣點信號無失真地恢複出原模擬信號。

樣點信號的取值是無限多的, 為了能用有限位二進製編碼表示樣點信號, 可將它量化為比如65536 個量化級, 每個量化值編為16 位二進製碼。

傳感器數字化的方式有兩種。一種是將A/ D 變換連同前級的放大, 濾波以及後級的微處理機芯片、溫度第三元件等一起, 放在傳感器殼體的內部, 形成一個整體。

由於傳感器的輸出已經是數字信號, 所以稱重儀表中的模擬信號處理單元可以取消。另一種方式是傳感器本身一切照舊, 而隻是將A/ D 變換等放到附近的接線盒(module, 也稱模塊) 中。前者稱為整體型, 後者稱為分離型。

一台變通的雙剪切梁傳感器大約包括11 個電子元件, 共有30 個焊點。變成整體的數字式傳感器後, 將包括約60 個電子元件和350 個以上焊點。傳感器的平均無故障時間( MTBF) 是與其包含的電子元件數和焊點數成反比的, 因而整體型數字稱重傳感器的可靠性顯然有所下降。

分散型數字稱重傳感器, 或確切地說數字稱重係統,用基於微處理機的數字傳感器模塊替代了通常的接線盒。每個傳感器信號的高速和高分辨率的A/ D 變換, 就是在此模塊中完成的, 最多可以接12 隻傳感器。數據或資料被數字化後, 通過串行通信接口, 傳輸到 數字過程稱重控製器。這種光耦合式的數字數據或資料的連結,可傳輸高電平數字信號而不受射頻幹擾和電磁幹擾等電噪聲的任何影響。

顯然, 分散型方式更適宜於在原有模擬稱重係統的基礎上, 不必更換傳感器就可以向數字稱重係統發展, 是係統技術改造的一條捷徑。  

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