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1 數(shù)字技術(shù)

信息技術(shù)中一場新的革命數(shù)字化或數(shù)字技術(shù)已經(jīng)來臨。 數(shù)字化或數(shù)字技術(shù), 就是用最簡單的兩個數(shù)0 和1 的不同組合, 來表達(dá)和傳輸不同的信息。這里的0 和1, 在電路中表現(xiàn) 開和關(guān)或通和斷, 這恰好用上了半導(dǎo)體的開關(guān)特性。而模擬技術(shù)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(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。正因為數(shù)字信號是0 和1 的組合, 其機射頻干擾(RFI) 和抗電磁干擾( EMI) 的性能遠(yuǎn)比在時間軸和幅度軸上連續(xù)變化的模擬信號要強得多。采用數(shù)字技術(shù)還容易實現(xiàn)集成化, 從面有利于減小裝置的體積和降低能耗。

2 模擬稱重傳感器和數(shù)字稱重傳感器

傳感器、通信、計算機是當(dāng)代信息技術(shù)的三大支柱。稱重傳感器在工業(yè)過程檢測和商貿(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)的模擬式稱重傳感器, 模擬信號的輸出較小,以生產(chǎn)量最大的, 采用電阻應(yīng)變原理的稱重傳感器為例,一般最大輸出為(30~ 40) mv, 故其信號易受射頻干擾和電磁干擾, 電纜傳輸距離也短, 通常在10m 以內(nèi)。而同樣是電阻應(yīng)變式的數(shù)字傳感器系統(tǒng), 其輸出信號可達(dá)4v, 是模擬傳感器的100 倍。強信號的電線傳輸距離可達(dá)150m, 附加電源后則可超過600m。

人們一直在為發(fā)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、滯后補償、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(shù)字補償技術(shù)卻為此提供了新的解決途徑, 因為, 基于微處理機的數(shù)字稱重傳感器系統(tǒng)具有一定的智能, 有利于通過線路設(shè)計和軟件設(shè)計實現(xiàn)數(shù)字補償。

在使用多個傳感器并聯(lián)的容器稱重系統(tǒng)( 料斗秤或配料秤) 、平臺稱重系統(tǒng)或秤橋( 汽車衡或軌道衡) 中, 利用數(shù)字系統(tǒng)還可實現(xiàn)自校準(zhǔn)。這是因為多通道的數(shù)字傳感器系統(tǒng), 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(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)中多個傳感器并聯(lián)接線后, 每個傳感器的特性就不再是可辨別的了,核準(zhǔn)時需在每一個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傳感器。實際上, 較準(zhǔn)裝有數(shù)字傳感器系統(tǒng)的秤所花費的時間, 僅為模擬系統(tǒng)的1/ 4。

利用數(shù)字系統(tǒng)可以實現(xiàn) 自診斷, 即診斷程序會連續(xù)地檢查各傳感器信號是否中斷、輸出是否明顯走出范圍等。若有問題, 在儀表或控制器面板上自動顯示或報警, 用戶利用面板上的鍵即可尋找各個傳感器, 獨立地確定問題原因并進(jìn)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(yōu)點, 而在模擬傳感器系統(tǒng)中則是很難以低成本實現(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 萬個可用計數(shù), 而數(shù)字系統(tǒng)中每一個傳感器的分辨率為20 比特, 即有100 萬個可用計數(shù)。所以, 一個裝有4 個數(shù)字傳感器的系統(tǒng)即可提供400 萬個計數(shù)的分辨率。這種高分辨率的優(yōu)點, 特別適用于秤架自重大而被稱物重量小的場合。

這在傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)中同樣是很難實現(xiàn)的。

3 數(shù)字稱重系統(tǒng)的發(fā)展

數(shù)字稱重傳感器的關(guān)鍵之一是模擬信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)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?zhèn)魉湍M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, 只要采樣頻率等于或大于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復(fù)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(jìn)制編碼表示樣點信號, 可將它量化為比如65536 個量化級, 每個量化值編為16 位二進(jìn)制碼。

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

由于傳感器的輸出已經(jīng)是數(shù)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, 而只是將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, 后者稱為分離型。

一臺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(shù)字式傳感器后, 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(shù)和焊點數(shù)成反比的, 因而整體型數(shù)字稱重傳感器的可靠性顯然有所下降。

分散型數(shù)字稱重傳感器, 或確切地說數(shù)字稱重系統(tǒng),用基于微處理機的數(shù)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 只傳感器。數(shù)據(jù)或資料被數(shù)字化后, 通過串行通信接口, 傳輸?shù)?數(shù)字過程稱重控制器。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重系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 不必更換傳感器就可以向數(shù)字稱重系統(tǒng)發(fā)展, 是系統(tǒng)技術(shù)改造的一條捷徑。  

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