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應變式傳感器的電壓測量
應變式傳感器的電壓測(ce)量
上海香川電子衡器有限公(gong)司
【摘 要】 本文介紹了對應變式傳感器的電壓測(ce)量中有關(guan)熱噪(zao)聲(sheng)對測(ce)量精度的影響，
并著重(zhong)指出Σ-ΔA/D轉換器應用(yong)中應該注意的問題。
應變(bian)式(shi)傳感器輸出的(de)電(dian)壓測(ce)量(liang)是決定電(dian)子秤準確度的(de)重要(yao)因(yin)素，最早(zao)使用模擬(ni)式(shi)測(ce)
量儀表時，其精度很難(nan)超過0.5%。使用模數轉換技術(shu)、比例(li)電壓測量技術(shu)以(yi)及六線接
線法后(hou)，使得測量精度(du)大為提高(gao)。現(xian)今準確度(du)級達OIML R76 Ⅲ級，分(fen)度為10,000分
度值已不(bu)再困(kun)難。通常應(ying)變式傳感器的滿(man)量程輸出電壓一般為(wei)10mV或20mV的直流電
壓(ya)。這個量級電(dian)壓(ya)測量屬于“小電(dian)壓(ya)（low level）”測量范圍。本(ben)文針對(dui)應變傳感(gan)器的(de)電
壓(ya)測量談一談“小(xiao)電壓(ya)”測量的一些基本問題。
1. Johnson 噪聲
Johnson噪聲是由于電阻器(qi)中(zhong)帶電粒子的(de)熱(re)(re)運(yun)動產(chan)生的(de)無規噪聲，也稱(cheng)為熱(re)(re)噪聲。
由帶(dai)電(dian)粒子熱運動產生的能量為：P=4KTΔf式中K——波爾(er)茲曼（Boltzman）常數（1．38×10-23J/ oK）
T——絕對溫度（oK）
Δf——被測(ce)噪聲(sheng)的(de)帶寬（HZ）
電阻的Johnson噪(zao)聲電(dian)壓的(de)有效值為：E=fKTRΔ4
金屬導體的熱噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)接近此理論值(zhi)(zhi)，其他物質的熱噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)稍高于(yu)此噪(zao)聲(sheng)(sheng)(sheng)值(zhi)(zhi)。
Johnson噪聲決(jue)定了以(yi)(yi)電阻為(wei)信號(hao)源電壓測(ce)量極限(xian)，應變(bian)式傳感器就是以(yi)(yi)電阻為(wei)輸
出阻抗(kang)的信號源(yuan)。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(yong)電
壓測量儀表由于Johnson噪聲存在(zai)的測量極限。由圖可以看(kan)出，對于應變(bian)式傳感器輸(shu)出
電壓的測量(liang)，在一般情況下，即使考慮(lv)到動態測量(liang)的帶寬，由(you)電阻源所產(chan)生的Johnson
噪(zao)聲也可以(yi)忽略不計(ji)。
2．零點(dian)漂移和(he)噪聲(sheng)
在本節主要(yao)是(shi)指應(ying)變式稱重儀前置級(ji)的零點漂(piao)移和噪(zao)聲。前置級(ji)偏置電壓在無信號(hao)
輸入時，會(hui)隨時間和/或(huo)溫度(du)緩慢(man)變化(hua)，稱為零(ling)點(dian)漂移。對(dui)顯(xian)示(shi)儀表前(qian)置放大器零(ling)點(dian)漂
移的最低要求，可根據OIML R76號國際建議對衡器的(de)準確度要求由(you)下(xia)式求得：
5·maxminWeS電(dian)橋激勵電(dian)壓(ya)零(ling)點漂移≤（μV/oK）
式(shi)中：S——傳感器的靈(ling)敏(min)度(du)（mV /V），一般取2mV/V
Wmax——傳感器(qi)的(de)最大額定量程（kg/t）
emin——傳感器或衡器的最(zui)小(xiao)分度值
例如對額(e)定量程(cheng)值為20t的傳感器，取emin為2kg，橋壓為10V。由上式可求(qiu)得(de)選(xuan)用
前(qian)置放(fang)大器的偏置漂移電(dian)壓不得大于(yu)0.4μV/ oK
根據(ju)前(qian)置放大器(qi)的(de)零點漂移（zero drife）值，可由(you)下式求出顯(xian)示器的最大分度數n kdrifezeroVVmV°..=5) (10/2n
在實際(ji)運用時，為(wei)了保險起見，在上(shang)式計算時選用器(qi)件zero drife的最大值。
前置放大器除了輸入失調電壓/電流(liu)的影(ying)響外，還要考(kao)慮放大器的噪(zao)聲。放大器的
噪(zao)聲除熱(re)噪(zao)聲外，還有(you)散(san)粒噪(zao)聲和閃(shan)爍噪(zao)聲。散(san)粒噪(zao)聲是由于半導(dao)體內載(zai)流子的不連(lian)續
的(de)粒(li)子(zi)性質造成(cheng)，它的(de)功(gong)率(lv)譜密(mi)度是均勻(yun)的(de)。閃爍(shuo)噪聲的(de)功(gong)率(lv)譜密(mi)度與(yu)頻率(lv)成(cheng)反比，表(biao)
現出1/f特性，為低(di)頻噪(zao)聲。這些(xie)噪(zao)聲的大小(xiao)取(qu)決于(yu)器件的設計(ji)、結構和(he)材料。一般而
言硅器(qi)件低于鍺器(qi)件，場(chang)效應(ying)管低于晶體管。另外由于放大器(qi)各級的(de)響應(ying)通常可視為單(dan)
極(ji)點響應，等(deng)效為一(yi)單級阻(zu)容低通(tong)網絡，傳遞函數為：
H（jω）=Rcjω+11
因(yin)此前置(zhi)放大器的噪(zao)聲呈1/f特征，它的這種固有噪(zao)聲決定了顯示(shi)器的使用限。根
據OIML R76號國際建議，可由(you)下(xia)式確定前置放大(da)器可達到的最大(da)分度(du)數
deVmn5/V2n.=激勵電壓
式中：en——放大(da)器(qi)的噪聲電壓
d——顯示器的最小分度值
3．溫差(cha)電動勢(shi)
當電路(lu)的不(bu)(bu)同部分處在(zai)不(bu)(bu)同溫度時，或(huo)者當一傳導(dao)導(dao)線是由兩種不(bu)(bu)相同的物(wu)質相互
連(lian)接而(er)成時(shi)（參看圖3），在其(qi)間(jian)將產生溫差電動(dong)勢(shi)。表1給出不同金屬與銅連接時的溫
差電動勢(shi)，從表中可看出，有時(shi)為了省事，將兩根(gen)銅質導線擰在(zai)一起，而(er)不是焊在(zai)一起，
時間一長，銅線的表面發生(sheng)氧(yang)化，結果(guo)產生(sheng)顯(xian)著的溫差電動(dong)勢(shi)，造(zao)成(cheng)不可忽略(lve)的誤差。
為了降低(di)溫差(cha)電(dian)動勢的影響，盡量(liang)不(bu)使(shi)用由多種材料構成(cheng)的電(dian)路，使(shi)整個測(ce)量(liang)系統的溫
度盡(jin)量一致。
4．電磁場干(gan)擾和(he)接地
將這兩種(zhong)(zhong)影響(xiang)放在一起(qi)討論是因為這兩種(zhong)(zhong)影響(xiang)不(bu)僅與現場環境(jing)因素影響(xiang)關系非常
大，而且對它們的(de)排除更多是依賴(lai)經驗(yan)。例如(ru)接地點的(de)選擇(ze)，電(dian)路的(de)布(bu)線和結(jie)構設計，
電磁干擾耦合的排除。這些在很大(da)程度(du)上都(dou)有賴于(yu)設計者(zhe)的經驗。值的注意的是，由(you)于(yu)
工業、通訊等(deng)的(de)高速發展，電磁場(chang)的(de)干擾源迅速增強增多。為了保證測量的(de)精度和(he)可靠
性，在衡器的(de)國際(ji)建議中對電磁場(chang)干擾的(de)嚴(yan)酷度要求越來越高(gao)。
5．A/D變換
A/D變換是應變式傳感器信(xin)號(hao)數字化的最主要環節(jie)。A/D變換的精度和(he)可靠性決定
了現(xian)代衡器(qi)的(de)發展(zhan)。近年在應變式(shi)傳(chuan)感器(qi)中大(da)量使用(yong)的(de)是所謂(wei)Σ-ΔA/C模數變換器。即
由總(zong)和增量(liang)調制器構成(cheng)的過抽樣模(mo)數變(bian)換器，從原理上它(ta)與我們(men)已(yi)往使用的并行比較
型(xing)、逐決比(bi)較型(xing)、積分型(xing)等(deng)脈(mo)沖編碼(ma)調(diao)制（LPCM）的A/D完(wan)全不同。從我接(jie)觸的一些
用戶，甚(shen)至傳(chuan)感器(qi)專(zhuan)業人員(yuan)，發現他們對(dui)Σ-ΔA/D變換器的一些基本(ben)性能(neng)和技(ji)術指(zhi)標
的了解(jie)有(you)誤區。在這(zhe)里我不準備對Σ-ΔA/D變換器(qi)的工作原理做講解(jie)，只準備(bei)對其(qi)使
用中(zhong)要(yao)注意的問題做一些講解。
首先是如何確定Σ-ΔA/D變換器(qi)的(de)使(shi)用頻率，Σ-ΔA/D變換器由兩部分組成(cheng)。第
一部分為Σ-Δ調制器(qi)，它將模擬信號，根(gen)據前一(yi)樣值與(yu)后一(yi)樣值之差，按(an)其增量大小
進行量化編號，輸(shu)出(chu)為(wei)“0”或“1”一串編碼(ma)脈沖。第二部分為數字“梳(shu)狀”抽(chou)取濾(lv)波(bo)
器，Σ-Δ編碼通(tong)過數(shu)字“梳狀”濾波器輸出(chu)常(chang)規(gui)的數(shu)字信號。Σ-Δ調制器的(de)抽取頻率(lv)
很高，均在MHZ量(liang)級。以一款(kuan)較早(zao)的Σ-ΔA/D變(bian)換器為例。過抽(chou)樣速率(lv)為1.024MHZ，
調制器輸出的抽樣率(lv)為256KHZ的1bitΣ-Δ碼。經8階4級梳(shu)狀濾波(bo)器把(ba)上述Σ-Δ碼(ma)
轉(zhuan)換為抽樣率為32KHZ的12bit數(shu)據。最(zui)后經過片外的(de)抽取濾波器(qi)轉換成(cheng)抽樣率為
1KHZ的常規的PCM型數(shu)據。可見Σ-ΔA/D變換器雖然抽樣(yang)速率(lv)很高，但使(shi)用頻(pin)率(lv)并
不(bu)太高，對于具(ju)體的(de)器件，可(ke)根據技術說(shuo)明(ming)書的(de)輸出速率（Output Rate）確定。可使用
的上限頻率(lv)，根據數(shu)字濾(lv)波器的取(qu)樣(yang)率(lv)而定。
第二(er)個要注意的問題是Σ-ΔA/D變(bian)換器(qi)的噪(zao)(zao)聲。數字(zi)電路噪(zao)(zao)聲產生的本質上(shang)與(yu)模
擬電路完全(quan)不(bu)同，后者是由元器件的物質特性確定，如上述的熱噪聲等(deng)。而數字電路的
噪聲是由(you)數(shu)字離散性，即(ji)量化所產(chan)生(sheng)。它(ta)不(bu)僅與取(qu)樣值的(de)量化值有關，而且與數(shu)字電(dian)路
對離散數字的(de)計算(suan)處理有(you)關。所以在使用Σ-ΔA/D變換電路時，對于不同的截止(zhi)頻率(lv)，
不同(tong)的(de)濾波器的(de)設計，具有不同(tong)的(de)噪(zao)聲。下表給出(chu)某款Σ-ΔA/D變換器(qi)的輸出噪聲RMS（μV）。
第(di)三講一下如何看(kan)待衡(heng)器(qi)顯示(shi)器(qi)的技(ji)術(shu)指(zhi)標。國內很多衡(heng)器(qi)顯示(shi)器(qi)樣本(ben)為了顯示(shi)本(ben)
產(chan)品的先(xian)進性和(he)高精度，在(zai)技術指標中大多是注明使(shi)用24位Σ-ΔA/D變換，內分(fen)辨率
或內(nei)分辨是多(duo)少。從上面講述中(zhong)可看出這是一個(ge)比較含糊的(de)技(ji)術指標。國外正(zheng)規的(de)顯示
器(qi)廠家(jia)，所列出的顯示器(qi)的技術指標讓用戶一看(kan)就非常清楚、明細。一般均給出以(yi)下(xia)技
術指(zhi)標：根據(ju)OIML R76號(hao)國際建(jian)議或歐(ou)洲EU認(ren)證的(de)精度(du)級的(de)分度(du)數（n），精度或分
辨率，每分度的最(zui)小輸(shu)入電(dian)壓（μV/d）轉換率（次/秒），模數變(bian)換器的(de)位數等。例(li)如
某(mou)顯示器給(gei)出(chu)的技術指標
我們知(zhi)道對于24位的模數(shu)變(bian)換器的碼數(shu)為：224=16,777,216，但是根(gen)據不同的使用和(he)設
計，可得到以上技(ji)術指標不(bu)一致的結果。所(suo)以我們在(zai)實(shi)際選用顯示器時，不(bu)能只看模數
變換器的(de)位數，而要了(le)解該廠家所生產的(de)顯(xian)示器的(de)最終(zhong)經過法(fa)定部門認證(zheng)后的(de)技術(shu)指
標。
