1 数字技术

信息技术中一场新的革命数字化或数字技术已经来临。 数字化或数字技术, 就是用最简单的两个数0 和1 的不同组合, 来表达和传输不同的信息。这里的0 和1, 在电路中表现 开和关或通和断, 这恰好用上了半导体的开关特性。而模拟技术则是用随时间变化的波形来模拟信息的变化, 欲用简单的0 和1 来表达和传输大量复杂的信息, 就必须用很大数量的0 和1 按一定规则组合起来。正因为数字信号是0 和1 的组合, 其机射频干扰(RFI) 和抗电磁干扰( EMI) 的性能远比在时间轴和幅度轴上连续变化的模拟信号要强得多。采用数字技术还容易实现集成化, 从面有利于减小装置的体积和降低能耗。

2 模拟称重传感器和数字称重传感器

传感器、通信、计算机是当代信息技术的三大支柱。称重传感器在工业过程检测和商贸结算等方面, 作为电子衡器的心脏部件而备受重视。目前, 大量生产和应用的都是传统的模拟式称重传感器, 模拟信号的输出较小,以生产量最大的, 采用电阻应变原理的称重传感器为例,一般最大输出为(30~ 40) mv, 故其信号易受射频干扰和电磁干扰, 电缆传输距离也短, 通常在10m 以内。而同样是电阻应变式的数字传感器系统, 其输出信号可达4v, 是模拟传感器的100 倍。强信号的电线传输距离可达150m, 附加电源后则可超过600m。

人们一直在为发送模拟称重传感器性能所需的各种补偿而耗时耗力, 特别是在寻求廉价的灵敏度温度补偿、零点温度补偿、非线性补偿、滞后补偿、蠕变补偿, 以及它们之间可能存在的交互作用的补偿机理和补偿办法。而数字补偿技术却为此提供了新的解决途径, 因为, 基于微处理机的数字称重传感器系统具有一定的智能, 有利于通过线路设计和软件设计实现数字补偿。

在使用多个传感器并联的容器称重系统( 料斗秤或配料秤) 、平台称重系统或秤桥( 汽车衡或轨道衡) 中, 利用数字系统还可实现自校准。这是因为多通道的数字传感器系统, 不存在阻抗匹配问题, 用户输入各传感器的地址、秤量和灵敏度, 即可自动进行秤的 四角或 边角平衡不必一次次地反复调整。而在模拟系统中多个传感器并联接线后, 每个传感器的特性就不再是可辨别的了,核准时需在每一个传感器上施加砝码并利用接线盒中的分压器进行调整。由于调整时存在着交互作用, 因而需反复多次。在数字系统中, 则允许分别复核作为单体的每一个传感器。实际上, 较准装有数字传感器系统的秤所花费的时间, 仅为模拟系统的1/ 4。

利用数字系统可以实现 自诊断, 即诊断程序会连续地检查各传感器信号是否中断、输出是否明显走出范围等。若有问题, 在仪表或控制器面板上自动显示或报警, 用户利用面板上的键即可寻找各个传感器, 独立地确定问题原因并进行故障排除。这种直觉诊断和故障排除能力, 对用户显然是一种重要优点, 而在模拟传感器系统中则是很难以低成本实现的。典型模拟传感器系统的模拟数字变换具有16 比特,即有5 万个可用计数, 而数字系统中每一个传感器的分辨率为20 比特, 即有100 万个可用计数。所以, 一个装有4 个数字传感器的系统即可提供400 万个计数的分辨率。这种高分辨率的优点, 特别适用于秤架自重大而被称物重量小的场合。

这在传统的模拟系统中同样是很难实现的。

3 数字称重系统的发展

数字称重传感器的关键之一是模拟信号与数字信号之间的转换( 即A/ D 变换) , 它是通过采样、量化及编码三个步骤完成的。采样是指每隔一定的时间间隔抽取一个样点信号, 用传送样点信号来代替传送模拟信号。

量化是指把本来有无穷多个取值的模拟信号, 表示为有限个离散值的过程, 即使模拟信号在时间上和幅值上 离散化。显然, 只要采样频率等于或大于2 倍的信号最高频率, 则在收端可以从样点信号无失真地恢复出原模拟信号。

样点信号的取值是无限多的, 为了能用有限位二进制编码表示样点信号, 可将它量化为比如65536 个量化级, 每个量化值编为16 位二进制码。

传感器数字化的方式有两种。一种是将A/ D 变换连同前级的放大, 滤波以及后级的微处理机芯片、温度第三元件等一起, 放在传感器壳体的内部, 形成一个整体。

由于传感器的输出已经是数字信号, 所以称重仪表中的模拟信号处理单元可以取消。另一种方式是传感器本身一切照旧, 而只是将A/ D 变换等放到附近的接线盒(module, 也称模块) 中。前者称为整体型, 后者称为分离型。

一台变通的双剪切梁传感器大约包括11 个电子元件, 共有30 个焊点。变成整体的数字式传感器后, 将包括约60 个电子元件和350 个以上焊点。传感器的平均无故障时间( MTBF) 是与其包含的电子元件数和焊点数成反比的, 因而整体型数字称重传感器的可靠性显然有所下降。

分散型数字称重传感器, 或确切地说数字称重系统,用基于微处理机的数字传感器模块替代了通常的接线盒。每个传感器信号的高速和高分辨率的A/ D 变换, 就是在此模块中完成的, 最多可以接12 只传感器。数据或资料被数字化后, 通过串行通信接口, 传输到 数字过程称重控制器。这种光耦合式的数字数据或资料的连结,可传输高电平数字信号而不受射频干扰和电磁干扰等电噪声的任何影响。

显然, 分散型方式更适宜于在原有模拟称重系统的基础上, 不必更换传感器就可以向数字称重系统发展, 是系统技术改造的一条捷径。  

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