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1 數(shù)字技術(shù)

信息技術(shù)中一場(chǎng)新的革命數(shù)字化或數(shù)字技術(shù)已經(jīng)來(lái)臨。 數(shù)字化或數(shù)字技術(shù), 就是用最簡(jiǎn)單的兩個(gè)數(shù)0 和1 的不同組合, 來(lái)表達(dá)和傳輸不同的信息。這里的0 和1, 在電路中表現(xiàn) 開(kāi)和關(guān)或通和斷, 這恰好用上了半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)特性。而模擬技術(shù)則是用隨時(shí)間變化的波形來(lái)模擬信息的變化, 欲用簡(jiǎn)單的0 和1 來(lái)表達(dá)和傳輸大量復(fù)雜的信息, 就必須用很大數(shù)量的0 和1 按一定規(guī)則組合起來(lái)。正因?yàn)閿?shù)字信號(hào)是0 和1 的組合, 其機(jī)射頻干擾(RFI) 和抗電磁干擾( EMI) 的性能遠(yuǎn)比在時(shí)間軸和幅度軸上連續(xù)變化的模擬信號(hào)要強(qiáng)得多。采用數(shù)字技術(shù)還容易實(shí)現(xiàn)集成化, 從面有利于減小裝置的體積和降低能耗。

2 模擬稱(chēng)重傳感器和數(shù)字稱(chēng)重傳感器

傳感器、通信、計(jì)算機(jī)是當(dāng)代信息技術(shù)的三大支柱。稱(chēng)重傳感器在工業(yè)過(guò)程檢測(cè)和商貿(mào)結(jié)算等方面, 作為電子衡器的心臟部件而備受重視。目前, 大量生產(chǎn)和應(yīng)用的都是傳統(tǒng)的模擬式稱(chēng)重傳感器, 模擬信號(hào)的輸出較小,以生產(chǎn)量最大的, 采用電阻應(yīng)變?cè)淼姆Q(chēng)重傳感器為例,一般最大輸出為(30~ 40) mv, 故其信號(hào)易受射頻干擾和電磁干擾, 電纜傳輸距離也短, 通常在10m 以?xún)?nèi)。而同樣是電阻應(yīng)變式的數(shù)字傳感器系統(tǒng), 其輸出信號(hào)可達(dá)4v, 是模擬傳感器的100 倍。強(qiáng)信號(hào)的電線傳輸距離可達(dá)150m, 附加電源后則可超過(guò)600m。

人們一直在為發(fā)送模擬稱(chēng)重傳感器性能所需的各種補(bǔ)償而耗時(shí)耗力, 特別是在尋求廉價(jià)的靈敏度溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、滯后補(bǔ)償、蠕變補(bǔ)償, 以及它們之間可能存在的交互作用的補(bǔ)償機(jī)理和補(bǔ)償辦法。而數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)卻為此提供了新的解決途徑, 因?yàn)? 基于微處理機(jī)的數(shù)字稱(chēng)重傳感器系統(tǒng)具有一定的智能, 有利于通過(guò)線路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字補(bǔ)償。

在使用多個(gè)傳感器并聯(lián)的容器稱(chēng)重系統(tǒng)( 料斗秤或配料秤) 、平臺(tái)稱(chēng)重系統(tǒng)或秤橋( 汽車(chē)衡或軌道衡) 中, 利用數(shù)字系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)。這是因?yàn)槎嗤ǖ赖臄?shù)字傳感器系統(tǒng), 不存在阻抗匹配問(wèn)題, 用戶(hù)輸入各傳感器的地址、秤量和靈敏度, 即可自動(dòng)進(jìn)行秤的 四角或 邊角平衡不必一次次地反復(fù)調(diào)整。而在模擬系統(tǒng)中多個(gè)傳感器并聯(lián)接線后, 每個(gè)傳感器的特性就不再是可辨別的了,核準(zhǔn)時(shí)需在每一個(gè)傳感器上施加砝碼并利用接線盒中的分壓器進(jìn)行調(diào)整。由于調(diào)整時(shí)存在著交互作用, 因而需反復(fù)多次。在數(shù)字系統(tǒng)中, 則允許分別復(fù)核作為單體的每一個(gè)傳感器。實(shí)際上, 較準(zhǔn)裝有數(shù)字傳感器系統(tǒng)的秤所花費(fèi)的時(shí)間, 僅為模擬系統(tǒng)的1/ 4。

利用數(shù)字系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn) 自診斷, 即診斷程序會(huì)連續(xù)地檢查各傳感器信號(hào)是否中斷、輸出是否明顯走出范圍等。若有問(wèn)題, 在儀表或控制器面板上自動(dòng)顯示或報(bào)警, 用戶(hù)利用面板上的鍵即可尋找各個(gè)傳感器, 獨(dú)立地確定問(wèn)題原因并進(jìn)行故障排除。這種直覺(jué)診斷和故障排除能力, 對(duì)用戶(hù)顯然是一種重要優(yōu)點(diǎn), 而在模擬傳感器系統(tǒng)中則是很難以低成本實(shí)現(xiàn)的。典型模擬傳感器系統(tǒng)的模擬數(shù)字變換具有16 比特,即有5 萬(wàn)個(gè)可用計(jì)數(shù), 而數(shù)字系統(tǒng)中每一個(gè)傳感器的分辨率為20 比特, 即有100 萬(wàn)個(gè)可用計(jì)數(shù)。所以, 一個(gè)裝有4 個(gè)數(shù)字傳感器的系統(tǒng)即可提供400 萬(wàn)個(gè)計(jì)數(shù)的分辨率。這種高分辨率的優(yōu)點(diǎn), 特別適用于秤架自重大而被稱(chēng)物重量小的場(chǎng)合。

這在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)中同樣是很難實(shí)現(xiàn)的。

3 數(shù)字稱(chēng)重系統(tǒng)的發(fā)展

數(shù)字稱(chēng)重傳感器的關(guān)鍵之一是模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換( 即A/ D 變換) , 它是通過(guò)采樣、量化及編碼三個(gè)步驟完成的。采樣是指每隔一定的時(shí)間間隔抽取一個(gè)樣點(diǎn)信號(hào), 用傳送樣點(diǎn)信號(hào)來(lái)代替?zhèn)魉湍M信號(hào)。

量化是指把本來(lái)有無(wú)窮多個(gè)取值的模擬信號(hào), 表示為有限個(gè)離散值的過(guò)程, 即使模擬信號(hào)在時(shí)間上和幅值上 離散化。顯然, 只要采樣頻率等于或大于2 倍的信號(hào)最高頻率, 則在收端可以從樣點(diǎn)信號(hào)無(wú)失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)。

樣點(diǎn)信號(hào)的取值是無(wú)限多的, 為了能用有限位二進(jìn)制編碼表示樣點(diǎn)信號(hào), 可將它量化為比如65536 個(gè)量化級(jí), 每個(gè)量化值編為16 位二進(jìn)制碼。

傳感器數(shù)字化的方式有兩種。一種是將A/ D 變換連同前級(jí)的放大, 濾波以及后級(jí)的微處理機(jī)芯片、溫度第三元件等一起, 放在傳感器殼體的內(nèi)部, 形成一個(gè)整體。

由于傳感器的輸出已經(jīng)是數(shù)字信號(hào), 所以稱(chēng)重儀表中的模擬信號(hào)處理單元可以取消。另一種方式是傳感器本身一切照舊, 而只是將A/ D 變換等放到附近的接線盒(module, 也稱(chēng)模塊) 中。前者稱(chēng)為整體型, 后者稱(chēng)為分離型。

一臺(tái)變通的雙剪切梁傳感器大約包括11 個(gè)電子元件, 共有30 個(gè)焊點(diǎn)。變成整體的數(shù)字式傳感器后, 將包括約60 個(gè)電子元件和350 個(gè)以上焊點(diǎn)。傳感器的平均無(wú)故障時(shí)間( MTBF) 是與其包含的電子元件數(shù)和焊點(diǎn)數(shù)成反比的, 因而整體型數(shù)字稱(chēng)重傳感器的可靠性顯然有所下降。

分散型數(shù)字稱(chēng)重傳感器, 或確切地說(shuō)數(shù)字稱(chēng)重系統(tǒng),用基于微處理機(jī)的數(shù)字傳感器模塊替代了通常的接線盒。每個(gè)傳感器信號(hào)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 只傳感器。數(shù)據(jù)或資料被數(shù)字化后, 通過(guò)串行通信接口, 傳輸?shù)?數(shù)字過(guò)程稱(chēng)重控制器。這種光耦合式的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)或資料的連結(jié),可傳輸高電平數(shù)字信號(hào)而不受射頻干擾和電磁干擾等電噪聲的任何影響。

顯然, 分散型方式更適宜于在原有模擬稱(chēng)重系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 不必更換傳感器就可以向數(shù)字稱(chēng)重系統(tǒng)發(fā)展, 是系統(tǒng)技術(shù)改造的一條捷徑。  

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