應變式傳感器的電壓測量
 

【摘 要】本文介紹了對應變式傳(chuan) 感器的電壓測量中有關(guan) 熱噪聲對測量精度的影響，並著重指出Σ-ΔA/D轉換器應用中應該注意的問題。
【關(guan) 鍵詞】 應變式傳(chuan) 感器，噪聲，小電壓測量
應變式傳(chuan) 感器輸出的電壓測量是決(jue) 定電子秤準確度的重要因素，zui早使用模擬式測量儀(yi) 表時，其精度很難超過0.5%。使用模數轉換技術、比例電壓測量技術以及六線接線法後，使得測量精度大為(wei) 提高。現今準確度級達OIML R76 Ⅲ級，分度為(wei) 10,000分度值已不再困難。通常應變式傳(chuan) 感器的滿量程輸出電壓一般為(wei) 10mV或20mV的直流電壓。這個(ge) 量級電壓測量屬於(yu) “小電壓（low level）”測量範圍。本文針對應變傳(chuan) 感器的電壓測量談一談“小電壓”測量的一些基本問題。
1. Johnson 噪聲
Johnson噪聲是由於(yu) 電阻器中帶電粒子的熱運動產(chan) 生的無規噪聲，也稱為(wei) 熱噪聲。由帶電粒子熱運動產(chan) 生的能量為(wei) ：
P=4KTΔf
式中K——波爾茲(zi) 曼（Boltzman）常數（1．38×10-23J/ oK）
T——溫度（oK）
Δf——被測噪聲的帶寬（HZ）
電阻的Johnson噪聲電壓的有效值為(wei) ：E=fKTRΔ4
圖1 圖2
金屬導體(ti) 的熱噪聲接近此理論值，其他物質的熱噪聲稍高於(yu) 此噪聲值。
Johnson噪聲決(jue) 定了以電阻為(wei) 信號源電壓測量極限，應變式傳(chuan) 感器就是以電阻為(wei) 輸出阻抗的信號源。圖1表示不同源電阻、不同帶寬的熱噪聲值。圖2表示出我們(men) 常用電壓測量儀(yi) 表由於(yu) Johnson噪聲存在的測量極限。由圖可以看出，對於(yu) 應變式傳(chuan) 感器輸出電壓的測量，在一般情況下，即使考慮到動態測量的帶寬，由電阻源所產(chan) 生的Johnson
噪聲也可以忽略不計。
2．零點漂移和噪聲
在本節主要是指應變式稱重儀(yi) 前置級的零點漂移和噪聲。前置級偏置電壓在無信號輸入時，會(hui) 隨時間和/或溫度緩慢變化，稱為(wei) 零點漂移。對顯示儀(yi) 表前置放大器零點漂移的zui低要求，可根據OIML R76號建議對衡器的準確度要求由下式求得： 5···maxminWeS電橋激勵電壓零點漂移≤（μV/oK）
式中：S——傳(chuan) 感器的靈敏度（mV /V），一般取2mV/V
Wmax——傳(chuan) 感器的zui大額定量程（kg/t）
emin——傳(chuan) 感器或衡器的zui小分度值
例如對額定量程值為(wei) 20t的傳(chuan) 感器，取emin為(wei) 2kg，橋壓為(wei) 10V。由上式可求得選用前置放大器的偏置漂移電壓不得大於(yu) 0.4μV/ oK
根據前置放大器的零點漂移（zero drife）值，可由下式求出顯示器的zui大分度數n kdrifezeroVVmV°••=5） （10/2n
在實際運用時，為(wei) 了保險起見，在上式計算時選用器件zero drife的zui大值。
前置放大器除了輸入失調電壓/電流的影響外，還要考慮放大器的噪聲。放大器的噪聲除熱噪聲外，還有散粒噪聲和閃爍噪聲。散粒噪聲是由於(yu) 半導體(ti) 內(nei) 載流子的不連續的粒子性質造成，它的功率譜密度是均勻的。閃爍噪聲的功率譜密度與(yu) 頻率成反比，表現出1/f特性，為(wei) 低頻噪聲。這些噪聲的大小取決(jue) 於(yu) 器件的設計、結構和材料。一般而言矽器件低於(yu) 鍺器件，場效應管低於(yu) 晶體(ti) 管。另外由於(yu) 放大器各級的響應通常可視為(wei) 單極點響應，等效為(wei) 一單級阻容低通網絡，傳(chuan) 遞函數為(wei) ：
H（jω）=Rcjω+11
因此前置放大器的噪聲呈1/f特征，它的這種固有噪聲決(jue) 定了顯示器的使用限。根據OIML R76號建議，可由下式確定前置放大器可達到的zui大分度數deVmn5/V2n••=激勵電壓
式中：en——放大器的噪聲電壓
d——顯示器的zui小分度值
3．溫差電動勢
當電路的不同部分處在不同溫度時，或者當一傳(chuan) 導導線是由兩(liang) 種不相同的物質相互連接而成時（參看圖3），在其間將產(chan) 生溫差電動勢。表1給出不同金屬與(yu) 銅連接時的溫差電動勢，從(cong) 表中可看出，有時為(wei) 了省事，將兩(liang) 根銅質導線擰在一起，而不是焊在一起，時間一長，銅線的表麵發生氧化，結果產(chan) 生顯著的溫差電動勢，造成不可忽略的誤差。為(wei) 了降低溫差電動勢的影響，盡量不使用由多種材料構成的電路，使整個(ge) 測量係統的溫度盡量一致。
表1
金屬
溫差電動勢
Cu-Cu（銅-銅）
≤0.2μV/℃
Cu-Ag（銅-銀）
0.3μV/℃
Cu-Au（銅-金）
0.3μV/℃
Cu-Cd/Sn（銅-錫鎘）
0.3μV/℃
Cu-Pb/Sn（銅-錫鉛）
1-3μV/℃
Cu-Sc（銅-矽）
400μV/℃
Cu-Kovar（銅-鎳基合金）
40μV/℃
Cu-CuO（銅-氧化銅）
1000μV/℃
圖3
4．電磁場幹擾和接地
將這兩(liang) 種影響放在一起討論是因為(wei) 這兩(liang) 種影響不僅(jin) 與(yu) 現場環境因素影響關(guan) 係非常大，而且對它們(men) 的排除更多是依賴經驗。例如接地點的選擇，電路的布線和結構設計，電磁幹擾耦合的排除。這些在很大程度上都有賴於(yu) 設計者的經驗。值的注意的是，由於(yu) 工業(ye) 、通訊等的高速發展，電磁場的幹擾源迅速增強增多。為(wei) 了保證測量的精度和可靠性，在衡器的建議中對電磁場幹擾的嚴(yan) 酷度要求越來越高。
5．A/D變換
A/D變換是應變式傳(chuan) 感器信號數字化的zui主要環節。A/D變換的精度和可靠性決(jue) 定了現代衡器的發展。近年在應變式傳(chuan) 感器中大量使用的是所謂Σ-ΔA/C模數變換器。即由總和增量調製器構成的過抽樣模數變換器，從(cong) 原理上它與(yu) 我們(men) 已往使用的並行比較型、逐決(jue) 比較型、積分型等脈衝(chong) 編碼調製（LPCM）的A/D*不同。從(cong) 我接觸的一些用戶，甚至傳(chuan) 感器專(zhuan) 業(ye) 人員，發現他們(men) 對Σ-ΔA/D變換器的一些基本性能和技術指標的了解有誤區。在這裏我不準備對Σ-ΔA/D變換器的工作原理做講解，隻準備對其使用中要注意的問題做一些講解。
首先是如何確定Σ-ΔA/D變換器的使用頻率，Σ-ΔA/D變換器由兩(liang) 部分組成。*部分為(wei) Σ-Δ調製器，它將模擬信號，根據前一樣值與(yu) 後一樣值之差，按其增量大小進行量化編號，輸出為(wei) “0”或“1”一串編碼脈衝(chong) 。第二部分為(wei) 數字“梳狀”抽取濾波器，Σ-Δ編碼通過數字“梳狀”濾波器輸出常規的數字信號。Σ-Δ調製器的抽取頻率很高，均在MHZ量級。以一款較早的Σ-ΔA/D變換器為(wei) 例。過抽樣速率為(wei) 1.024MHZ，調製器輸出的抽樣率為(wei) 256KHZ的1bitΣ-Δ碼。經8階4級梳狀濾波器把上述Σ-Δ碼轉換為(wei) 抽樣率為(wei) 32KHZ的12bit數據。zui後經過片外的抽取濾波器轉換成抽樣率為(wei) 1KHZ的常規的PCM型數據。可見Σ-ΔA/D變換器雖然抽樣速率很高，但使用頻率並不太高，對於(yu) 具體(ti) 的器件，可根據技術說明書(shu) 的輸出速率（Output Rate）確定。可使用的上限頻率，根據數字濾波器的取樣率而定。
第二個(ge) 要注意的問題是Σ-ΔA/D變換器的噪聲。數字電路噪聲產(chan) 生的本質上與(yu) 模擬電路*不同，後者是由元器件的物質特性確定，如上述的熱噪聲等。而數字電路的
噪聲是由數字離散性，即量化所產(chan) 生。它不僅(jin) 與(yu) 取樣值的量化值有關(guan) ，而且與(yu) 數字電路對離散數字的計算處理有關(guan) 。所以在使用Σ-ΔA/D變換電路時，對於(yu) 不同的截止頻率，不同的濾波器的設計，具有不同的噪聲。下表給出某款Σ-ΔA/D變換器的輸出噪聲RMS（μV）。
Output
Rate（HZ）
Gain of1
Gain of2
Gain of4
Gain of8
Gain of16
Gain of32
Gain of64
Gain of128
4.17
0.64
0.6
0.29
0.22
0.1
0.065
0.039
0.041
8.33
1.04
0.96
0.38
0.26
0.13
0.078
0.057
0.055
16.7
1.55
1.45
0.54
0.36
0.18
0.11
0.087
0.086
33.2
2.3
2.13
0.74
0.5
0.23
0.17
0.124
0.118
62
2.95
2.85
0.92
0.58
0.29
0.2
0.153
0.144
123
4.89
4.74
1.49
1
0.48
0.32
0.265
0.283
242
1176
9.5
4.02
1.96
0.88
0.45
0.379
0.397
470
11.23
9.44
3.07
1.79
0.99
0.63
0.568
0.593
第三講一下如何看待衡器顯示器的技術指標。國內(nei) 很多衡器顯示器樣本為(wei) 了顯示本產(chan) 品的先進性和高精度，在技術指標中大多是注明使用24位Σ-ΔA/D變換，內(nei) 分辨率或內(nei) 分辨是多少。從(cong) 上麵講述中可看出這是一個(ge) 比較含糊的技術指標。國外正規的顯示器廠家，所列出的顯示器的技術指標讓用戶一看就非常清楚、明細。一般均給出以下技術指標：根據OIML R76號建議或歐洲EU認證的精度級的分度數（n），精度或分辨率，每分度的zui小輸入電壓（μV/d）轉換率（次/秒），模數變換器的位數等。例如某顯示器給出的技術指標如下：
精度等級
Ⅲ
EU認證
10000分度
轉換率
zui大100次/秒
靈敏度
0.4μV/Vel（認證）0.1μV/Vel（非認證）
分辨率
內(nei) 部8,000,000碼 顯示600,000碼
我們(men) 知道對於(yu) 24位的模數變換器的碼數為(wei) ：224=16,777,216，但是根據不同的使用和設計，可得到以上技術指標不一致的結果。所以我們(men) 在實際選用顯示器時，不能隻看模數變換器的位數，而要了解該廠家所生產(chan) 的顯示器的zui終經過法定部門認證後的技術指標。