一、概述

随着科学技术的发展,当今的三大技术(传感器技术、信息技术、计算机技术)在衡器行业得到了广泛地应用,大大提高了衡器行业的技术水平,为动态称重技术的发展打下了良好的基础,使动态称重精度和可靠性越来越高,满足了市场对动态称重的要求;同时随着国民经济的发展和社会的进步,称重技术的应用范围也越来越广,随着社会节奏的加快和效率的提高,市场对动态称重的需求也越来越多,已成为一个新的技术和市场热点。

称重仪表作为电子衡器的大脑中枢,它融合了当今先进的信息技术和计算机技术,在动态称重中将起到关键作用,因此在设计动态电子衡器时应首先设计或选择一种合适的动态称重仪表。

二、动态称重仪表的技术现状

动态称重仪表是所有动态衡器所用仪表的统称,是指被称物体在运动中就能得到其质量的仪表,不同的应用场合对称重仪表有不同的功能、指标和参数的要求。在目前的情况下,动态称重仪表主要有动态轨道衡用仪表、定量秤用仪表、配料秤用仪表、皮带秤用仪表、动态汽车衡用仪表等,它们各有自己的特殊要求,但同时又有共同的一点:那就是高的采样速率,即高的A/D转换速率。

在现有动态称重仪表中,高速A/D转换主要有积分式、∑一△式、逐次逼近式等,它们各有优缺点,其中积分式和∑一△式A/D转换应用较多,尤其∑一△式A/D转换风头正紧,这从产品广告中可以看出。

三、关于∑一△式A/D转换

∑一△式A/D转换的基本原理是以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化,通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后再对输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。所谓过采样(oversamPling)就是在直流输人信号上叠加一个交流信号,并用比这交流信号频率高得多的采样频率进行采样,此时得到的数字输出值将是变化的,用这些采样结果的平均值表示ADC的转换结果便能得到比用同样ADC高得多的采样分辨率。

∑一△式A/D转换最早应用于音频方面,最近几年方才应用于衡器行业,其显著的特点是采样速率快,达到1oo次/秒以上,分辨率高,达到24位,正是看中了∑一△式A/D转换器的高速率和高分辨率的特点,方才将其应用于动态称重仪表中。随着应用的增多,∑一△式A/D转换器的缺点也越来越明显,抗干扰性差,有效分辨率达不到器件所说位数(16位的∑一△式A/D转换器只能达到12一14位的应用精度,24位的∑一△式A/D转换器只能达到20位的应用精度。),同时由于∑-△式A/D转换内的数字滤波器需要较长的建立时间,并且这些器件大多采用串行输出,这些均造成实际的有效采样速率大大下降,影响了实际使用效果。在实际应用中达不到器件所说的分辨率和转换速率。

四、关于积分式A/D转换

积公式A/D转换器是称重仪表中最常用的一种A/D转换形式,已经被大家所熟知,其实质是测量和比较两个(或三个)积分的时间,一个是对模拟输人电压积分的时间To,此时间往往是固定的,另一个是以充电后的电压为初值,对参考电压VRef反向积分,积分电容对放电指令所需的时间Ti。模拟输人电压Vi与参考电压VRef之比,等于上述两个时间之比。其双积分的波形如图所示。

由于TO、vRef为己知的固定常数,因此反向积分时间Ti(对VRef反向积分)与输人模拟电压V,在To时间内的平均值成正比。输人电压Vi愈高,VA、愈大,Ti就愈长。在Ti开始时刻,控制逻辑同时打开计数器的控制门开始计数,直到积分器恢复到零电平时,计数停止。则计数器所计出的数字即正比于在输人电压Vi在T0时间内的平均值,于是完成了一次A/D转换。

由于双积分式A/D转换是侧量输人电压Vi在T。时间内的平均值,所以对常态干扰(串模干扰)有很强的抑制作用,尤其对正负波形对称的干扰信号,抑制效果更好。

双积分式A/D转换器电路简单,抗千扰能力强,精度高,但转换速度较慢,只适合静态仪表,不适合动态仪表。为了保持优点,克服缺点,满足动态仪表的要求,人们对其进行了改进,设计出了多积分式A/D转换器,使分辨率达到1/20万以上(相当于18位),采样速率达到70次/秒,完全可以满足动态仪表的要求。

五、关于A/D内码数(分辨率)

在称重仪表中,A/D内码数(分辨率)是比较重要的一项指标,在前几年,这项指标被某些厂家作为一个卖点,说其仪表内分辨率达到1/10万(20位)以上。可实际有效内分辨率达不到这个指标。

由于电子衡器大都在1500到6000个分度范围内,其所用称重仪表按10个内码折算一个分度,则6万个内码以上即可满足一般电子衡器的需要,再考虑其它因素,仪表有效内码数在20万左右即可满足要求,若再高将徒劳无益。

六、关于采样速率

在动态称重仪表中,采样速率也是一个很关键的指标,它直接影响仪表的反应速度。根据采样定理得知采样频率至少应大于被测信号频谱中的最高频率的两倍,采样频率越高,越能反映被测信号变化的真实情况,但也不是越高越好。

在现有的动态衡器中,称重传感器产生的信号率均不高,一般在20Hz以下,因此最高采样速率一般在60次/秒即可满足要求。

七、实际应用情况

任何事情都不是一成不变的,都应根据实际情况进行针对性的分析研究,确定最佳的设计方案。笔者从事了多年的仪表研究工作,对多种情况进行了研究和比较,并将结论应用到实际工作中,取得了较好的效果。总的来说,积分式A/D转换的应用效果较好,抗干扰能力强,控制精度高,可根据具体产品的特性,选择合适的内分辨率和采样速率,达到最佳精度和速度的结合。

八、结束语

动态称重技术的研究方兴未艾,是衡器的发展方向,动态称重仪表应首当其冲,为我国衡器的发展作出更大的贡献。动态称重的理论研究更应加大力度,为我国的衡器发展指明方向。

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