一種帶電壓波動動態補償的稱重系統研究

楊 磊，尹溶森

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

一種帶電壓波動動態補償的稱重系統研究

楊 磊，尹溶森

（浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027）

為了消除稱重傳感器外部電源電壓波動對稱量不確定度造成的影響，對稱重系統電壓波動的檢測和補償方法進行了研究，分析了電阻應變片的應變效應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動態補償電壓波動的方法，設計了基于數字信號處理器TMS320F28335以及模數轉換芯片ADS1234的稱重系統對所提出的方法進行了驗證。研究結果表明，在外部電源電壓的波動范圍內，補償后稱量結果的相對誤差始終小于1%，說明該方法能夠用于有效提高稱重系統的稱量精度。

稱重；電壓波動；動態補償；壓力傳感器；信號采樣

0 引 言

隨著電子技術和數字信號處理技術的飛速發展，稱重裝置的計量方法逐漸從模擬測量向數字測量轉變，裝置性能也不斷得到改善［1-3］。衡量稱重裝置性能指標首要的標準是測量精度，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］；三是提高系統的采樣精度，如提高外部供電電源精度，補償外界溫度變化對測量精度的影響［6-7］。

國內外許多學者就以上3方面提出多種方法實現對稱量裝置測量精度的改進。鄭惠群等人［8］通過改進材料性能，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］通過預先測定方法把標準值存入芯片內，對傳感器的蠕變特性進行補償，但由于需要提前測定標準值數據，導致環境適應性低，實時性差。劉衛東［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對稱重精度的影響，但恒流源芯片較恒壓源芯片系統復雜，成本也高。宋愛娟等人［11］基于DSP數據處理能力強的特點采用實時動態采樣低通濾波的方法提高了輸出信號的采樣精度，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對測量精度造成影響的問題，本研究提出一種動態補償電源電壓波動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和外部工作電源電壓，對外部工作電源電壓的波動進行動態修正，從而減小電源電壓波動造成的稱重誤差，實現稱重量的實時、準確計算。

1 稱重的基本原理

本研究采用應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變片的應變效應和惠斯通測量電橋將重量信號轉換為對應的電壓信號。為了更好地理解本研究中提出的電壓動態補償方法，筆者在此簡要介紹電阻應變片應變效應的稱重原理和惠斯通測量電橋的工作原理。

1.1 電阻應變片應變效應

電阻絲在外力作用下發生機械形變時，其電阻值發生變化，稱為電阻應變效應［12］。

設有一根長度為L，截面積為S，電阻率為ρ的電阻絲，未受力時的電阻值如下式所示：

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

1.2 惠斯通測量電橋

應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換為電壓信號再進行輸出［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，并且其初始狀態是平衡的，通過計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R1、R2、R3、R44個應變片相同時，環境溫度變化Δt引起各個應變片阻值變化ΔRt相同，即ΔR1t=ΔR2t=ΔR3t=ΔR4t，此時電橋的輸出電壓U0不變，即環境溫度變化不影響電橋的輸出電壓，溫度特性得到補償。

當采用相同的應變片時，4個應變片靈敏度系數均為K(ΔR/R=Kε)，則式（6）可寫成下式：

式（7）表明：當應變片靈敏度K是確定的，電橋輸出的信號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極大增加恒壓源硬件結構的復雜程度，并引入新的干擾。恒流源可以消除外部電源電壓波動對稱重不確定度的影響，但恒流源芯片較恒壓源芯片結構復雜，成本也高，實際生產不常使用。因此，本研究提出在不改變外加電源的情況下，同時對稱重傳感器的輸出電壓信號和外加電源的電壓信號進行采樣，并通過處理模塊的分析計算，來補償電源電壓不穩造成的稱重誤差的方法，有效地消除了外加電源電壓信號波動對測量不確定度的影響，提高了稱重精度。

2 稱重系統的硬件設計

稱重系統的硬件結構圖如圖2所示。系統包括數字信號處理器TMS320F28335、外部電源模塊、A/D采樣模塊和至少一個稱重傳感器。稱重傳感器用于感應承載物的重量，并生成對應的重量信號；外部電源模塊向其他功能模塊提供工作電壓；調理模塊分別對重量信號和工作電壓信號進行調理放大；A/D采樣模塊對調理放大后的重量信號和工作電壓信號進行A/D轉換；處理模塊接收A/D轉換后的重量信號和工作電壓信號，使工作電壓信號與壓力傳感器的額定電壓作差后得到電壓誤差，根據所述的電壓誤差計算出重量誤差，進而利用重量誤差對重量信號進行補償后輸出承載物的重量。該稱重系統中，數字信號處理器TMS320F28335為浮點型高速DSP芯片，具備強大的數據處理能力，最高時鐘頻率為150 MHz，有獨立的DMA，帶512 KB的Flash存儲器，68 KB的RAM存儲器，88路GPIO口，運行性能優良，可以有效保證在線監測的實時性，并且方便擴展RS232等外設接口，非常方便現場和上位機聯機調試。

圖2 稱重系統的硬件結構圖

為了使性能更加優化，人機交流更方便，處理模塊連接有鍵盤作為輸入模塊，用于對數字信號處理器輸入相關指令；數字信號處理器還連接有液晶顯示屏，用于顯示計算得到的重量值。

2.1 稱重傳感器及其外圍電路

該系統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，輸出的信號電壓跟傳感器外加的電壓有關，因此，為了檢測到精確的信號電壓，系統必須同時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上做出了修正，筆者通過在4個橋臂應變片電阻上串、并聯精密電阻，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 信號調理模塊

信號調理模塊與外部電源模塊和稱重傳感器相連，同時對電源的電壓及傳感器的輸出電壓進行放大處理。

該系統的調理電路采用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。用戶使用一個外部電阻器可以設置從1～1 000任何要求的增益。按照設計要求，增益10和100需要的電阻值是標準的1%金屬膜電阻值。在該系統中，信號調理模塊中壓力傳感器輸出信號的放大倍數調節電阻采用精密電阻01A，阻值為100 Ω，則放大倍數為G=（49.4×103/100）+1=495。

2.3 高精度A/D采樣模塊

A/D采樣模塊與信號調理模塊相連，采集調理電路輸出的電壓信號，將模擬信號轉換為數字信號，并輸出給數字信號處理器TMS320F28335。A/D采樣模塊采用TI公司生產的精度為24位的A/D轉換芯片ADS1234，其連接圖如圖3所示，自帶內部時鐘，也可以使用外部時鐘。

圖3 A/D轉換模塊連接圖

該系統中，AVDD為5 V，所以模擬信號輸入最大值為5.3 V，考慮實際使用情況，將模擬信號的輸入幅值設定為5 V較為合理。綜合考慮精密電阻的阻值，實際輸入電壓可能小于5 V，根據前述內容，該系統調理電路中，放大倍數調節電阻采用精密電阻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 稱重系統的軟件設計

該系統的核心優勢在于，數字信號處理器TMS320F28335同時接收稱重傳感器電壓信號及電源模塊的工作電壓信號，對其進行有效放大，并通過數字信號處理器的后續分析計算，可有效補正電源電壓不穩造成的稱重誤差，能夠有效降低對外加電源的精度的要求，實現了對微小信號的高精度稱重測量。硬件結構的優化結合補償算法的設計可以實現上述要求。

算法的核心思想在于，對于傳感器外加的電壓信號，不再采用標稱值，而是采用通過調理電路和A/D轉換電路輸入的電源電壓實測值進行計算。

該系統對信號電壓和外加電源電壓的處理，都是由DSP的軟件來實現。為了提高測量的實時性和可靠性，軟件采用模塊化結構，分為主程序和中斷子程序模塊，信號檢測和處理在中斷子程序中實現，由DSP的事件管理器來管理。主程序完成系統初始化，打開中斷然后進入鍵盤掃描子程序循環以等待中斷的發生。中斷服務子程序完成信號電壓和外加電源電壓的A/D采樣，經過處理輸出重量測量結果，程序框圖如圖4所示。

圖4 中斷服務子程序框圖

4 實驗結果與分析

為了驗證所提出的動態電壓補償方法對稱重精度的改善效果，本研究設計了一個由稱重傳感器、硬件核心板和開關電源組成的稱重系統。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；硬件核心板集成數字信號處理器TMS320F28335、A/D采樣模塊、調理模塊、處理模塊和RS232通訊接口；開關電源提供標稱值5.00 V的電源電壓，實際值4.90 V～5.10 V之間波動。

實驗過程中，筆者將待測量的物體放置在稱重傳感器接觸面上，待測物體實際質量為110.003 2 kg。在未采用本研究提出的方法時，認為外部電源電壓的實際值與其標稱值相等，均為5.000 0 V，但電源電壓實際值在4.90 V～5.10 V之間波動。那么，在電源電壓波動時，未修正與采用該方法修正后的測量結果的對應關系如表1所示。

表1 電源電壓波動值與測量結果的對應關系

電壓波動在動態補償前、后對測量結果造成的相對誤差如圖5所示。

圖5 補償前后電源電壓波動值與相對誤差的關系

由表1和圖5可知，稱量系統在標稱工作電壓5.0 V下，測量結果的相對誤差約0.3%。在外部電源電壓偏離標稱工作電壓約0.1 V條件下，測量結果的相對誤差明顯增大，約1.6%；在相同條件下，經電壓波動動態補償后，測量精度提高了約1%。實驗結果表明，該方法對消除電源電壓波動、提高測量精度具有明顯效果。

5 結束語

本研究對稱重傳感器外部電源電壓波動造成稱量精度降低的問題進行了研究，提出了一種對電源電壓波動進行動態補償提高稱量精度的方法，設計了一個基于TMS320F28335和壓力傳感器0745A的稱重系統，并通過實驗對比分析了補償前后系統的測量誤差，可得到如下結論：

（1）在該稱重系統中，信號調理模塊同時接收稱重傳感器電壓信號及外加電源的電壓信號，對其進行有效放大，并通過處理模塊的后續分析計算，可有效補償電源電壓不穩造成的稱重誤差，能夠有效降低對外加電源的精度的要求，實現了對微小信號的高精度稱重測量；

（2）TMS320F28335型DSP有非?？斓挠嬎闼俣?，進一步保證了在線監測的實時性，對不同的監測算法只要改變系統軟件控制部分地參數設定，無須改變系統的其他部分就可以完成，并且它具有RS232通訊接口，非常方便現場和上位機聯機調試；

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

（References）：

［1］趙廣平，孫雯萍，孫建軍.電子稱重技術現狀及發展趨勢［J］.儀表技術與傳感器，2007（7）：76-77.

［2］劉九卿.淺談稱重傳感器技術動向、發展趨勢和產業方向［J］.衡器，2005，3（6）：1-5.

［3］周祖濂.數字稱重系統－稱重技術新概念［J］.衡器，2005，3（5）：13-17.

［4］于留波，趙 湛，方 震，等.基于MEMS技術的技術應變式壓力傳感器優化設計［J］.儀表技術與傳感器，2010（2）：1-3.

［5］李寶安，李行善，羅先和.動態稱重系統計量誤差的動態校正［J］.儀器儀表學報，2001，22（3）：251-255.

［6］馮玉昌，史冬琳，馮鎖麗，等.DSP在動態稱重系統中的應用［J］.儀表技術，2007（7）：33-34.

［7］潘若禹.基于DSP的動態稱重系統設計［J］.現代電自技術，2010（13）：183-186.

［8］鄭惠群，陳偕雄.動態稱重技術問題的分析與研究［J］.科技通報，2006，22（4）：567-570.

［9］ZHU Zi-jian，CHEN Ren-wen.A new hysteresis compensa?tion method for load cell［J］.Transaction of Nanjing Uni?versity of Aeronautics&Astronautics，2002，19（1）：89-93.

［10］劉衛東.高精度數字化稱重傳感器系統研究［J］.河南理工大學學報，2012，31（1）：78-81.

［11］宋愛娟，嚴冬梅.基于DSP的動態稱重系統的設計［J］.儀器儀表學報，2003，24（4）：115-117.

［12］閆好奎，任建國.電阻應變片的工作原理［J］.計量與測試技術，2013，40（4）：12.

［13］李洪津，鄒來智，史延齡.電阻應變效應與電阻應變式傳感器［J］.現代物理知識，2006，18（6）：13-14.

［14］王艷霞，王迎迎，鮑春暉.多傳感器數據融合技術在動態稱重系統中的應用［J］.儀表技術，2014（2）：49-51.

本文引用格式：

楊 磊，尹溶森.一種帶電壓波動動態補償的稱重系統研究［J］.機電工程，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.定性實驗研究［J］.振動工程學報：自然科學版，2003，16

《機電工程》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，主要從事數字信號處理和智能傳感器方面的研究.E-mail:yanglei_ee@163.com

［編輯：洪煒娜］