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一、概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)今的三大技術(shù)(傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù))在衡器行業(yè)得到了廣泛地應(yīng)用,大大提高了衡器行業(yè)的技術(shù)水平,為動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ),使動(dòng)態(tài)稱重精度和可靠性越來(lái)越高,滿足了市場(chǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重的要求;同時(shí)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,稱重技術(shù)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣,隨著社會(huì)節(jié)奏的加快和效率的提高,市場(chǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)稱重的需求也越來(lái)越多,已成為一個(gè)新的技術(shù)和市場(chǎng)熱點(diǎn)。

稱重儀表作為電子衡器的大腦中樞,它融合了當(dāng)今先進(jìn)的信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),在動(dòng)態(tài)稱重中將起到關(guān)鍵作用,因此在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)電子衡器時(shí)應(yīng)首先設(shè)計(jì)或選擇一種合適的動(dòng)態(tài)稱重儀表。

二、動(dòng)態(tài)稱重儀表的技術(shù)現(xiàn)狀

動(dòng)態(tài)稱重儀表是所有動(dòng)態(tài)衡器所用儀表的統(tǒng)稱,是指被稱物體在運(yùn)動(dòng)中就能得到其質(zhì)量的儀表,不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)稱重儀表有不同的功能、指標(biāo)和參數(shù)的要求。在目前的情況下,動(dòng)態(tài)稱重儀表主要有動(dòng)態(tài)軌道衡用儀表、定量秤用儀表、配料秤用儀表、皮帶秤用儀表、動(dòng)態(tài)汽車衡用儀表等,它們各有自己的特殊要求,但同時(shí)又有共同的一點(diǎn):那就是高的采樣速率,即高的A/D轉(zhuǎn)換速率。

在現(xiàn)有動(dòng)態(tài)稱重儀表中,高速A/D轉(zhuǎn)換主要有積分式、∑一△式、逐次逼近式等,它們各有優(yōu)缺點(diǎn),其中積分式和∑一△式A/D轉(zhuǎn)換應(yīng)用較多,尤其∑一△式A/D轉(zhuǎn)換風(fēng)頭正緊,這從產(chǎn)品廣告中可以看出。

三、關(guān)于∑一△式A/D轉(zhuǎn)換

∑一△式A/D轉(zhuǎn)換的基本原理是以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號(hào)數(shù)字化,通過(guò)使用過(guò)采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率,然后再對(duì)輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。所謂過(guò)采樣(oversamPling)就是在直流輸人信號(hào)上疊加一個(gè)交流信號(hào),并用比這交流信號(hào)頻率高得多的采樣頻率進(jìn)行采樣,此時(shí)得到的數(shù)字輸出值將是變化的,用這些采樣結(jié)果的平均值表示ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果便能得到比用同樣ADC高得多的采樣分辨率。

∑一△式A/D轉(zhuǎn)換最早應(yīng)用于音頻方面,最近幾年方才應(yīng)用于衡器行業(yè),其顯著的特點(diǎn)是采樣速率快,達(dá)到1oo次/秒以上,分辨率高,達(dá)到24位,正是看中了∑一△式A/D轉(zhuǎn)換器的高速率和高分辨率的特點(diǎn),方才將其應(yīng)用于動(dòng)態(tài)稱重儀表中。隨著應(yīng)用的增多,∑一△式A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)也越來(lái)越明顯,抗干擾性差,有效分辨率達(dá)不到器件所說(shuō)位數(shù)(16位的∑一△式A/D轉(zhuǎn)換器只能達(dá)到12一14位的應(yīng)用精度,24位的∑一△式A/D轉(zhuǎn)換器只能達(dá)到20位的應(yīng)用精度。),同時(shí)由于∑-△式A/D轉(zhuǎn)換內(nèi)的數(shù)字濾波器需要較長(zhǎng)的建立時(shí)間,并且這些器件大多采用串行輸出,這些均造成實(shí)際的有效采樣速率大大下降,影響了實(shí)際使用效果。在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)不到器件所說(shuō)的分辨率和轉(zhuǎn)換速率。

四、關(guān)于積分式A/D轉(zhuǎn)換

積公式A/D轉(zhuǎn)換器是稱重儀表中最常用的一種A/D轉(zhuǎn)換形式,已經(jīng)被大家所熟知,其實(shí)質(zhì)是測(cè)量和比較兩個(gè)(或三個(gè))積分的時(shí)間,一個(gè)是對(duì)模擬輸人電壓積分的時(shí)間To,此時(shí)間往往是固定的,另一個(gè)是以充電后的電壓為初值,對(duì)參考電壓VRef反向積分,積分電容對(duì)放電指令所需的時(shí)間Ti。模擬輸人電壓Vi與參考電壓VRef之比,等于上述兩個(gè)時(shí)間之比。其雙積分的波形如圖所示。

由于TO、vRef為己知的固定常數(shù),因此反向積分時(shí)間Ti(對(duì)VRef反向積分)與輸人模擬電壓V,在To時(shí)間內(nèi)的平均值成正比。輸人電壓Vi愈高,VA、愈大,Ti就愈長(zhǎng)。在Ti開始時(shí)刻,控制邏輯同時(shí)打開計(jì)數(shù)器的控制門開始計(jì)數(shù),直到積分器恢復(fù)到零電平時(shí),計(jì)數(shù)停止。則計(jì)數(shù)器所計(jì)出的數(shù)字即正比于在輸人電壓Vi在T0時(shí)間內(nèi)的平均值,于是完成了一次A/D轉(zhuǎn)換。

由于雙積分式A/D轉(zhuǎn)換是側(cè)量輸人電壓Vi在T。時(shí)間內(nèi)的平均值,所以對(duì)常態(tài)干擾(串模干擾)有很強(qiáng)的抑制作用,尤其對(duì)正負(fù)波形對(duì)稱的干擾信號(hào),抑制效果更好。

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單,抗千擾能力強(qiáng),精度高,但轉(zhuǎn)換速度較慢,只適合靜態(tài)儀表,不適合動(dòng)態(tài)儀表。為了保持優(yōu)點(diǎn),克服缺點(diǎn),滿足動(dòng)態(tài)儀表的要求,人們對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)出了多積分式A/D轉(zhuǎn)換器,使分辨率達(dá)到1/20萬(wàn)以上(相當(dāng)于18位),采樣速率達(dá)到70次/秒,完全可以滿足動(dòng)態(tài)儀表的要求。

五、關(guān)于A/D內(nèi)碼數(shù)(分辨率)

在稱重儀表中,A/D內(nèi)碼數(shù)(分辨率)是比較重要的一項(xiàng)指標(biāo),在前幾年,這項(xiàng)指標(biāo)被某些廠家作為一個(gè)賣點(diǎn),說(shuō)其儀表內(nèi)分辨率達(dá)到1/10萬(wàn)(20位)以上?？蓪?shí)際有效內(nèi)分辨率達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)。

由于電子衡器大都在1500到6000個(gè)分度范圍內(nèi),其所用稱重儀表按10個(gè)內(nèi)碼折算一個(gè)分度,則6萬(wàn)個(gè)內(nèi)碼以上即可滿足一般電子衡器的需要,再考慮其它因素,儀表有效內(nèi)碼數(shù)在20萬(wàn)左右即可滿足要求,若再高將徒勞無(wú)益。

六、關(guān)于采樣速率

在動(dòng)態(tài)稱重儀表中,采樣速率也是一個(gè)很關(guān)鍵的指標(biāo),它直接影響儀表的反應(yīng)速度。根據(jù)采樣定理得知采樣頻率至少應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻譜中的最高頻率的兩倍,采樣頻率越高,越能反映被測(cè)信號(hào)變化的真實(shí)情況,但也不是越高越好。

在現(xiàn)有的動(dòng)態(tài)衡器中,稱重傳感器產(chǎn)生的信號(hào)率均不高,一般在20Hz以下,因此最高采樣速率一般在60次/秒即可滿足要求。

七、實(shí)際應(yīng)用情況

任何事情都不是一成不變的,都應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的分析研究,確定最佳的設(shè)計(jì)方案。筆者從事了多年的儀表研究工作,對(duì)多種情況進(jìn)行了研究和比較,并將結(jié)論應(yīng)用到實(shí)際工作中,取得了較好的效果?？偟膩?lái)說(shuō),積分式A/D轉(zhuǎn)換的應(yīng)用效果較好,抗干擾能力強(qiáng),控制精度高,可根據(jù)具體產(chǎn)品的特性,選擇合適的內(nèi)分辨率和采樣速率,達(dá)到最佳精度和速度的結(jié)合。

八、結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)的研究方興未艾,是衡器的發(fā)展方向,動(dòng)態(tài)稱重儀表應(yīng)首當(dāng)其沖,為我國(guó)衡器的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。動(dòng)態(tài)稱重的理論研究更應(yīng)加大力度,為我國(guó)的衡器發(fā)展指明方向。

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