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應(yīng)變式傳感器的電壓測量

上海香川電子衡器有限公司

【摘 要】 本文介紹了對(duì)應(yīng)變式傳感器的電壓測量中有關(guān)熱噪聲對(duì)測量精度的影響，

并著重指出Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中應(yīng)該注意的問題。

應(yīng)變式傳感器輸出的電壓測量是決定電子秤準(zhǔn)確度的重要因素，最早使用模擬式測

量儀表時(shí)，其精度很難超過0.5%。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、比例電壓測量技術(shù)以及六線接

線法后，使得測量精度大為提高�，F(xiàn)今準(zhǔn)確度級(jí)達(dá)OIML R76 Ⅲ級(jí)，分度為10,000分

度值已不再困難。通常應(yīng)變式傳感器的滿量程輸出電壓一般為10mV或20mV的直流電

壓。這個(gè)量級(jí)電壓測量屬于“小電壓（low level）”測量范圍。本文針對(duì)應(yīng)變傳感器的電

壓測量談一談“小電壓”測量的一些基本問題。

1. Johnson 噪聲

Johnson噪聲是由于電阻器中帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的無規(guī)噪聲，也稱為熱噪聲。

由帶電粒子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量為：P=4KTΔf式中K——波爾茲曼（Boltzman）常數(shù)（1．38×10-23J/ oK）

T——絕對(duì)溫度（oK）

Δf——被測噪聲的帶寬（HZ）

電阻的Johnson噪聲電壓的有效值為：E=fKTRΔ4

金屬導(dǎo)體的熱噪聲接近此理論值，其他物質(zhì)的熱噪聲稍高于此噪聲值。

Johnson噪聲決定了以電阻為信號(hào)源電壓測量極限，應(yīng)變式傳感器就是以電阻為輸

出阻抗的信號(hào)源。圖1表示不同源電阻、不同帶寬的熱噪聲值。圖2表示出我們常用電

壓測量儀表由于Johnson噪聲存在的測量極限。由圖可以看出，對(duì)于應(yīng)變式傳感器輸出

電壓的測量，在一般情況下，即使考慮到動(dòng)態(tài)測量的帶寬，由電阻源所產(chǎn)生的Johnson

噪聲也可以忽略不計(jì)。

2．零點(diǎn)漂移和噪聲

在本節(jié)主要是指應(yīng)變式稱重儀前置級(jí)的零點(diǎn)漂移和噪聲。前置級(jí)偏置電壓在無信號(hào)

輸入時(shí)，會(huì)隨時(shí)間和/或溫度緩慢變化，稱為零點(diǎn)漂移。對(duì)顯示儀表前置放大器零點(diǎn)漂

移的最低要求，可根據(jù)OIML R76號(hào)國際建議對(duì)衡器的準(zhǔn)確度要求由下式求得：

5·maxminWeS電橋激勵(lì)電壓零點(diǎn)漂移≤（μV/oK）

式中：S——傳感器的靈敏度（mV /V），一般取2mV/V

 Wmax——傳感器的最大額定量程（kg/t）

 emin——傳感器或衡器的最小分度值

例如對(duì)額定量程值為20t的傳感器，取emin為2kg，橋壓為10V。由上式可求得選用

前置放大器的偏置漂移電壓不得大于0.4μV/ oK

根據(jù)前置放大器的零點(diǎn)漂移（zero drife）值，可由下式求出顯示器的最大分度數(shù)n kdrifezeroVVmV°..=5) (10/2n

在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，為了保險(xiǎn)起見，在上式計(jì)算時(shí)選用器件zero drife的最大值。

前置放大器除了輸入失調(diào)電壓/電流的影響外，還要考慮放大器的噪聲。放大器的

噪聲除熱噪聲外，還有散粒噪聲和閃爍噪聲。散粒噪聲是由于半導(dǎo)體內(nèi)載流子的不連續(xù)

的粒子性質(zhì)造成，它的功率譜密度是均勻的。閃爍噪聲的功率譜密度與頻率成反比，表

現(xiàn)出1/f特性，為低頻噪聲。這些噪聲的大小取決于器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和材料。一般而

言硅器件低于鍺器件，場效應(yīng)管低于晶體管。另外由于放大器各級(jí)的響應(yīng)通�？梢暈閱�

極點(diǎn)響應(yīng)，等效為一單級(jí)阻容低通網(wǎng)絡(luò)，傳遞函數(shù)為：

H（jω）=Rcjω+11

因此前置放大器的噪聲呈1/f特征，它的這種固有噪聲決定了顯示器的使用限。根

據(jù)OIML R76號(hào)國際建議，可由下式確定前置放大器可達(dá)到的最大分度數(shù)

deVmn5/V2n.=激勵(lì)電壓

式中：en——放大器的噪聲電壓

 d——顯示器的最小分度值

3．溫差電動(dòng)勢

當(dāng)電路的不同部分處在不同溫度時(shí)，或者當(dāng)一傳導(dǎo)導(dǎo)線是由兩種不相同的物質(zhì)相互

連接而成時(shí)（參看圖3），在其間將產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢。表1給出不同金屬與銅連接時(shí)的溫

差電動(dòng)勢，從表中可看出，有時(shí)為了省事，將兩根銅質(zhì)導(dǎo)線擰在一起，而不是焊在一起，

時(shí)間一長，銅線的表面發(fā)生氧化，結(jié)果產(chǎn)生顯著的溫差電動(dòng)勢，造成不可忽略的誤差。

為了降低溫差電動(dòng)勢的影響，盡量不使用由多種材料構(gòu)成的電路，使整個(gè)測量系統(tǒng)的溫

度盡量一致。

4．電磁場干擾和接地

將這兩種影響放在一起討論是因?yàn)檫@兩種影響不僅與現(xiàn)場環(huán)境因素影響關(guān)系非常

大，而且對(duì)它們的排除更多是依賴經(jīng)驗(yàn)。例如接地點(diǎn)的選擇，電路的布線和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，

電磁干擾耦合的排除。這些在很大程度上都有賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。值的注意的是，由于

工業(yè)、通訊等的高速發(fā)展，電磁場的干擾源迅速增強(qiáng)增多。為了保證測量的精度和可靠

性，在衡器的國際建議中對(duì)電磁場干擾的嚴(yán)酷度要求越來越高。

5．A/D變換

A/D變換是應(yīng)變式傳感器信號(hào)數(shù)字化的最主要環(huán)節(jié)。A/D變換的精度和可靠性決定

了現(xiàn)代衡器的發(fā)展。近年在應(yīng)變式傳感器中大量使用的是所謂Σ-ΔA/C模數(shù)變換器。即

由總和增量調(diào)制器構(gòu)成的過抽樣模數(shù)變換器，從原理上它與我們已往使用的并行比較

型、逐決比較型、積分型等脈沖編碼調(diào)制（LPCM）的A/D完全不同。從我接觸的一些

用戶，甚至傳感器專業(yè)人員，發(fā)現(xiàn)他們對(duì)Σ-ΔA/D變換器的一些基本性能和技術(shù)指標(biāo)

的了解有誤區(qū)。在這里我不準(zhǔn)備對(duì)Σ-ΔA/D變換器的工作原理做講解，只準(zhǔn)備對(duì)其使

用中要注意的問題做一些講解。

首先是如何確定Σ-ΔA/D變換器的使用頻率，Σ-ΔA/D變換器由兩部分組成。第

一部分為Σ-Δ調(diào)制器，它將模擬信號(hào)，根據(jù)前一樣值與后一樣值之差，按其增量大小

進(jìn)行量化編號(hào)，輸出為“0”或“1”一串編碼脈沖。第二部分為數(shù)字“梳狀”抽取濾波

器，Σ-Δ編碼通過數(shù)字“梳狀”濾波器輸出常規(guī)的數(shù)字信號(hào)。Σ-Δ調(diào)制器的抽取頻率

很高，均在MHZ量級(jí)。以一款較早的Σ-ΔA/D變換器為例。過抽樣速率為1.024MHZ，

調(diào)制器輸出的抽樣率為256KHZ的1bitΣ-Δ碼。經(jīng)8階4級(jí)梳狀濾波器把上述Σ-Δ碼

轉(zhuǎn)換為抽樣率為32KHZ的12bit數(shù)據(jù)。最后經(jīng)過片外的抽取濾波器轉(zhuǎn)換成抽樣率為

1KHZ的常規(guī)的PCM型數(shù)據(jù)�？梢姦�-ΔA/D變換器雖然抽樣速率很高，但使用頻率并

不太高，對(duì)于具體的器件，可根據(jù)技術(shù)說明書的輸出速率（Output Rate）確定。可使用

的上限頻率，根據(jù)數(shù)字濾波器的取樣率而定。

第二個(gè)要注意的問題是Σ-ΔA/D變換器的噪聲。數(shù)字電路噪聲產(chǎn)生的本質(zhì)上與模

擬電路完全不同，后者是由元器件的物質(zhì)特性確定，如上述的熱噪聲等。而數(shù)字電路的

噪聲是由數(shù)字離散性，即量化所產(chǎn)生。它不僅與取樣值的量化值有關(guān)，而且與數(shù)字電路

對(duì)離散數(shù)字的計(jì)算處理有關(guān)。所以在使用Σ-ΔA/D變換電路時(shí)，對(duì)于不同的截止頻率，

不同的濾波器的設(shè)計(jì)，具有不同的噪聲。下表給出某款Σ-ΔA/D變換器的輸出噪聲RMS（μV）。

第三講一下如何看待衡器顯示器的技術(shù)指標(biāo)。國內(nèi)很多衡器顯示器樣本為了顯示本

產(chǎn)品的先進(jìn)性和高精度，在技術(shù)指標(biāo)中大多是注明使用24位Σ-ΔA/D變換，內(nèi)分辨率

或內(nèi)分辨是多少。從上面講述中可看出這是一個(gè)比較含糊的技術(shù)指標(biāo)。國外正規(guī)的顯示

器廠家，所列出的顯示器的技術(shù)指標(biāo)讓用戶一看就非常清楚、明細(xì)。一般均給出以下技

術(shù)指標(biāo)：根據(jù)OIML R76號(hào)國際建議或歐洲EU認(rèn)證的精度級(jí)的分度數(shù)（n），精度或分

辨率，每分度的最小輸入電壓（μV/d）轉(zhuǎn)換率（次/秒），模數(shù)變換器的位數(shù)等。例如

某顯示器給出的技術(shù)指標(biāo)

我們知道對(duì)于24位的模數(shù)變換器的碼數(shù)為：224=16,777,216，但是根據(jù)不同的使用和設(shè)

計(jì)，可得到以上技術(shù)指標(biāo)不一致的結(jié)果。所以我們?cè)趯?shí)際選用顯示器時(shí)，不能只看模數(shù)

變換器的位數(shù)，而要了解該廠家所生產(chǎn)的顯示器的最終經(jīng)過法定部門認(rèn)證后的技術(shù)指

標(biāo)。