一種新穎的電阻應變式兩線制稱重變送器設計

殷文志 王 勇 羅小月 劉學寧 胡慕伊

(南京林業大學輕工科學與工程學院)

一種新穎的電阻應變式兩線制稱重變送器設計

殷文志 王 勇 羅小月 劉學寧 胡慕伊

(南京林業大學輕工科學與工程學院)

針對常用的電阻應變電橋式稱重傳感器輸出電壓信號變化極為微小(若干毫伏)、零位誤差較大(與輸出變化量相當，甚至大于輸出電壓變化量)，不便于轉換和傳輸的問題，為了將電阻應變電橋式稱重傳感器信號轉換為兩線制4～20mA電流信號進行輸出，采用基于儀表放大器AD627和電流轉換器XTR105的模擬電路轉換方案，對信號進行放大、零位偏差補償。通過V/I轉換器，把電壓信號轉換成電流輸出信號，有利于長距離傳輸。詳細介紹了變送器的工作原理和硬件電路設計。通過測試實驗驗證了變送器的測量特性。

稱重變送器 應變電橋 AD627 XTR105 V/I轉換

制漿造紙過程中的木片稱重、漿板稱重及涂料稱重等均可以使用電阻應變式稱重傳感器來實現，并達到在線實時測量的目的。隨著工業生產自動化程度的不斷提高，稱重傳感器已然成為過程控制中的一種必要的裝置[1]。現代化的造紙工廠普遍使用集散控制系統(DCS)對過程參數進行監測和控制，DCS系統信號傳輸普遍要求采用兩線制4～20mA標準信號[2]對現場進行遠程控制。因此，一般的商用稱重儀器無法滿足制漿造紙工業現場物料稱重和信號遠傳的需求。

近年來，莊育鋒等針對電阻應變式稱重變送器的非線性誤差使用L-M算法建立BP神經網絡模型，使非線性得到有效的校正[3]。陳昌和王忠福對傳感器的信號使用儀表放大器AD623和數字電位器實現可編程增益放大器，同時用算法校正漂移[4]。石延平等以纏繞式鐵基非晶態合金薄帶作為磁芯,并采用兩種不同線圈方式傳感器結構的稱重傳感器，利用磁彈性效應和電磁感應工作原理，與傳統傳感器相比，有適應性強、壽命長等優點[5]。馬國明等提出了基于光纖光柵技術的新型稱重傳感器，針對傳統電阻應變式稱重傳感器的問題，設計了雙U型閉環彈性體結構和對稱粘貼光纖光柵元件的方法，達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行稱重測量，將薄膜與傳感器相結合進行批量制造，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行稱重測量，利用其可逆性、重復性及零誤差等優點達到減小誤差的效果[8]。前述大多是通過先進技術去提高精度，所以成本也相應較高，且復雜許多。

針對現場對標準信號的需求，筆者設計了一種基于儀表放大器AD627[9]和4～20mA雙線電流轉換器XTR105[10]的電阻應變式兩線制稱重變送器，通過純模擬電路實現了將輸出的電阻應變式稱重傳感器的信號轉換為兩線制4～20mA標準信號進行輸出，并進行非線性誤差補償，且巧妙地采樣XTR105內部基準對工作電路進行供電，作為一種簡單、新穎的設計方案，具有功耗低、接線方便及成本低廉等優點。

1 系統結構與原理

變送器采用純模擬電路對信號進行處理和變換，其硬件電路主要包括7個部分：微弱應變電橋、一級差動放大器U1、零位誤差補償電路、二級差動放大器U2、輸出電流調整電路、V/I轉換模塊、電源及輸出回路等，其結構如圖1所示。

圖1 變送器結構框圖

變送器的基本原理為電阻應變電橋式稱重傳感器中應變電橋輸出的微弱且具有零位誤差的電壓信號輸入到放大器U1進行一級放大，輸出電壓再和零位誤差補償電路輸出的電壓一起輸入放大器U2進行二級差動放大，輸出電壓再輸入到V/I轉換模塊，在輸出電流調整電路的控制作用下轉換為4～20mA電流并通過輸出回路輸出。其中，通過電路中的電位器可以方便地調整零位誤差補償量和輸出放大倍數，并由V/I轉換模塊對其他部分電路提供基準源。

2 變送器硬件設計

2.1 電阻應變式稱重傳感器

最早的電阻應變式壓力傳感器專利是由Simmons E E于1944年首先公布的，隨著科技的進步、工藝的成熟，各式各樣的應變片層出不窮，催生出多種電阻應變式傳感器。電阻應變式傳感器的基本原理是彈性體(彈性元件、敏感梁等)在外力作用下產生彈性形變，使粘貼在它表面的電阻應變片(轉換元件)也隨同產生形變，電阻應變片形變后，其阻值將發生變化(增大或減小)，再經相應的測量電路(如惠更斯電橋)將阻值的變化轉換為電壓信號的變化，從而完成將與力相關的參數轉換為電信號的過程。電阻應變式傳感器由于具有多種優點，被廣泛應用在稱重系統中。

本設計采用的電阻應變式稱重傳感器結構如圖2a所示，其中，4個應變片R1、R2、R3、R4分別按照圖中所示方式粘貼于懸臂梁上下兩個表面，并將4個應變電阻按照圖2b所示方式連接成測量電橋。當懸臂梁受到重力G時，橋臂上的電阻產生應變，R1、R4受力拉伸電阻變大，R2、R3受力壓縮電阻變小，導致電橋輸出的差模電壓E+和E-發生變化。理想情況下，當施加重力G=0時，電橋平衡，即R1R3=R2R4，然而實際很難做到電橋平衡而導致測量零點發生偏移。例如，設計實例采用的廣測YZC-133懸臂梁式1kg高精度稱重傳感器在0～800g輸入時，其實測輸出范圍為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，需要進行高倍數放大和零位誤差補償。

圖2 電阻應變式稱重傳感器原理及電橋電路

2.2 信號放大及零位誤差補償

兩級差動放大器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，且具有較強的靈活性。實際使用時，僅需要一個外部電阻來設置增益，AD627可提供低增益誤差、低增益漂移、低失調電壓和低失調漂移，從而能將系統誤差減到最小。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對電橋輸出的1.3～2.3mV(設計實例采用傳感器的實測輸出范圍)差動電壓進行初級放大，RC為增益調整電阻，采用1kΩ電位器，調整電位器RC的阻值，將增益調整為約500，使它輸出的對地電壓范圍約為0.65～1.15V。差動放大部分電路如圖3所示。其中，零位誤差補償電路由一個5MΩ固定電阻和一個1MΩ電位器RZ串聯并接在5.1V基準電壓源上構成，電位器中心抽頭輸出調整電壓，其調整電壓可在0.00～0.85V范圍內變化，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轉換模塊及輸出電流調整

V/I轉換模塊電路如圖4所示。

V/I轉換模塊采用單芯集成的4～20mA電流轉換器XTR105，它具有很低的調整性誤差，并有兩個0.8mA高精度的鏡像電流源和一個5.1V、1mA輸出容量的基準電壓源，設計將兩個電流源并聯后向稱重傳感器應變電橋提供1.6mA電流基準從而構成電流型電橋，可輸出隨被測質量變化但具有零位誤差的測量電壓信號，而通過5.1V、1mA容量的基準電壓源向兩個AD627儀表放大器和調整電路供電。

圖3 差動放大部分電路

圖4 V/I轉換模塊電路

圖3中U2將U1輸出的電壓和零位誤差補償電壓進行差分放大，不連接增益設置電阻，放大倍數為1。圖中的1kΩ電位器RCM及與它并聯的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，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的對地電壓，即通過電橋的1.6mA電流在RCM上形成的壓降提高了輸出電壓起點，但同時巧妙地為XTR105芯片提供了它所要求的最低1.25V的輸入共模電壓。

U2輸出的電壓以差動電壓的形式輸入到XTR105的13端(+VIN)和2端(-VIN)之間， XTR105自動將共模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，其輸入輸出關系為：

I=4+40VIN/RG

(1)

式中I——輸出電流，mA；

RG——輸出電流增益調整電位器，也即XTR105的增益調整電阻，Ω；

VIN——輸入差模電壓，V。

式(1)中的RG可以在0～2kΩ內調整，將輸出電流調整電阻RG調整到約1 250Ω時可將其輸出電流變化范圍設置在4～20mA內。

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芯片發熱，Q1的基極與XTR105的9端相連，集電極與XTR105的10端相連，發射極和XTR105的8端相連。24V直流電源通過電流環路為芯片供電，同時電路中設置的D1～D4采用1N4148二極管構成整流橋，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，起到過壓保護作用。輸出回路連接的0.1μF電容起到穩壓作用，最終在電源、整流橋、XTR105、BU406、負載RL上組成的回路中流過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 非線性補償電路

應變片上壓力變化時，電阻的變化引起電橋失去平衡，此時輸出電壓與電阻之間的關系為非線性，需要進行非線性補償才能得到合理的輸出。

圖6為XTR105內部部分電路，為了修正實際使用時電阻應變式稱重變送器表現出的非線性特征，在設計的圖3、4中把XTR105的VLIN端和應變電橋輸出正壓端之間通過20kΩ的電位器RLIN連接在一起，將XTR105提供的非線性補償電流經補償電阻RLIN輸入到應變電橋的R4橋臂，通過XTR105內部的儀表放大器，提供正反饋并控制線性修正，用以對應變電橋的輸出變化量進行非線性自動補償，將RLIN阻值調整到合適的值可顯著提高輸出線性度和輸出精度。

圖6 XTR105內部部分電路

對非線性誤差進行定性分析。圖7a為負非線性誤差原理，此時需要將非線性誤差補償電流引入到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，此時供橋電壓上升，那么就可以補償輸出電壓的下降，對負非線性進行補償。而圖7b中為正非線性誤差原理，此時需要將非線性誤差補償電流引入到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，使得供橋電壓下降，那么就可以補償輸出電壓的上升，對正非線性進行補償。

圖7 正負非線性誤差原理

3 變送器測試與特性分析

3.1 測試結果

為了便于實驗測試，實驗室采用廣測YZC-133懸臂梁式1kg稱重傳感器對變送器測量特性進行測試。在25℃的實驗室條件下，首先調整調零電阻RZ，使得在沒有被測重物時，輸出電流為4mA左右；再調節電阻RG，使得當放置的標準砝碼為800g時(為了保證傳感器使用安全性將最大使用量程設置為800g)，輸出電流為20mA左右。然后，在一個固定的RLIN取值下，在懸臂梁的托盤上在0～800g測量范圍內施加標準砝碼，被測質量每改變50g測量得到一個輸出電流，從而得到一組測量數據，并改變線性補償調整電阻RLIN值，得到多組測量數據。

圖8給出了當無線性補償電阻，即RLIN=∞和線性補償電阻RLIN=9.33kΩ時，被測質量與輸出電流之間的關系變化曲線。

3.2 特性分析

實驗測試后，對多組測量數據進行整理和分析。首先，對每組測量數據采用Matlab和最小二乘法進行線性擬合。理論上，變送器測量線性特性通過線性擬合曲線的截距I0和線性相關系數的平方R2(決定系數)來體現，即擬合曲線的截距越接近4mA且決定系數R2越接近1時線性特性越佳，故對每組測量數據取線性擬合曲線的截距I0，并按下式計算線性相關系數R：

圖8 RLIN=∞與RLIN=9.33kΩ時被測質量與輸出電流關系

(2)

式中Ii——每次測量輸出電流值；

mi——每次施加的被測重物質量；

N——每組數據的測量次數。

圖9給出了RLIN幾種不同取值情況下的I0與決定系數R2的對應關系。

圖9 RLIN不同時的I0與決定系數R2的關系

然后，對每組測量數據進行測量精度分析，按照下式計算出每組測量數據的最大引用誤差值δ，即：

(3)

其中，M為質量的最大測量范圍。

圖10給出了RLIN不同取值情況下最大引用誤差值δ的計算結果。

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，接入補償電阻RLIN后，變送器測量的線性度和精確度得到顯著提高，補償電阻在2～10kΩ范圍內調整時，最大引用誤差小于3.0%，其測量精度明顯優于4.0精度等級，測量效果好，滿足工業現場對物料稱重的要求。

4 結束語

針對傳統稱重傳感器的缺陷和工業生產中DCS系統對變送器的需求，筆者利用AD627放大器和XTR105實現了將變化極小、零位誤差極大的電阻應變式稱重信號轉化換為兩線制4～20mA標準信號。電路可以通過調節電位器進行零位誤差補償、輸出增益調節和非線性補償，且放大器失調電壓、失調電流對微弱信號的轉換精度無影響，測量精度滿足工業要求，線性度高。由于電路使用的是純模擬電路對信號進行處理和變換，無需高精度AD采集加數字處理或復雜反饋平衡裝置，結構簡單、成本低廉、功耗極低、性價比高。整個電路的供電和輸出都是通過兩線制來實現的，由于整流橋的存在，使得變送器無正負極區分，接線方便、簡單，可遠程傳輸。

實際應用中，只要將變送器與適當量程的電阻應變式稱重變送器相連接，并適當調整所有的電位器，便可以將測量信號接入現場的DCS系統中，實現對工業現場物料質量的監測和控制。

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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，從事傳感器技術與儀表的研究。

聯系人王勇(1984-)，講師，從事檢測技術及自動化裝置、工業電子技術及儀器儀表的研究，wangyongnjnu@163.com。

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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