CN102183286A - 载波激励应变式称重系统及其激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载波激励应变式称重系统，包括应变计测量电桥，应变计测量电桥的输入端与一载波激励信号发生模块连接，应变计测量电桥的输出端与一交流放大器连接，交流放大器的输出端与解调器连接，解调器还与解调参照信号发生模块连接，解调器的输出端与一信号选择模块连接，信号选择模块的输出端为系统输出端。该系统在进行测量时，产生载波激励信号给应变计测量电桥施加一个载波电压信号作为激励，应变计测量电桥输出与载波激励信号同频率同相位的交流电压信号，这个交流电压信号输送给后续电路进行处理时，完全避免了采用直流激励技术所存在的缺点，具有精度高、抗干扰能力强、使用稳定可靠的优点。

Description

载波激励应变式称重系统及其激励方法

技术领域

本发明涉及一种应变称重系统，特别涉及一种采用载波电压信号进行激励的应变称重系统，以及其载波激励方法。

背景技术

现有的应变式称重系统是由重力信号的变换和测量两个环节组成的：

重力信号的变换：把电阻应变计粘贴到受力弹性物体的表面，在外力W作用下，弹性物体表面的微小变形造成应变计被拉伸或压缩，致使其阻值发生变化，这个阻值变化量表征了弹性物体所受作用力的大小。把四个应变计按规则连接起来组成惠斯通电桥，给电桥施加一个电压信号作为激励，随着弹性物体所受外力的变化，电桥输出的测量电压信号Vout将会按比例变化。

重力信号的测量：把应变计电桥输出的测量电压信号Vout输送给后续的电子测量电路，进行信号放大、滤波、调节、补偿、校准、模数转换、计算等测量处理功能，最终还原出所施加的被测试外力W的大小。

现有的应变式称重系统是采用直流激励技术的，它的工作特征是：给电阻应变计测量电桥提供一个直流电压信号作为激励，电桥输出的测量信号Vout也是直流电压信号，然后这个直流电压测量信号进入到后续电子测量电路中，进行直流信号放大等一系列处理。

这种直流激励技术存在着以下缺点：

①当直流电压测量信号Vout进入后续的放大器进行直流信号放大时，放大器的输出信号将会被叠加上较大的来自放大器本身的噪声。

对于运算放大器这样的模拟器件来说，其信号输入端的噪声电压密度Dnoise与信号频率F之间的关系基本上如附图1所示，从图上可以看出，在直流信号附近的1Hz频率点上的噪声电压密度Dnoise是最大的，从附图2可以看到，在0.1Hz---10Hz这段最大噪声电压密度区间的噪声电压峰值Vpp达到了uV级的水平。

在额定外力作用下，电桥输出的最大电压测量信号记为VoutFS，为了使有效测量信号在通过放大器时不被噪声所淹没，通常总是设置一个测量分度值d所代表的输入信号电压大于噪声电压的峰值Vpp，例如设置1d＝2Vpp，这样的话整个系统的测量分辨率为：

Res＝2Vpp/VoutFS........................公式(1)

从上式可见，如果噪声电压的峰值Vpp越大，则测量系统的测量分辨率就越低。

②当直流电压测量信号进入后续的放大器进行直流信号放大时，放大器

的输出信号Vop_out将会随着工作时间推延和环境温度变化而飘移。

对于运算放大器这样的模拟器件来说，其信号输入端天然存在着偏置电压ΔVos，而且这个偏置电压会随着环境温度的变化而飘移，也会随着工作时间的推延而飘移。按照放大器电路的工作原理，当设置它的增益为Gain后，其输入信号Vout与输出信号Vop_out的关系式为：

Vop_out＝Gain*(Vout+ΔVos)........................公式(2)

这个ΔVos始终叠加在输入信号上，即使电桥输出的直流电压测量信号是很稳定的，它经过放大器后的输出信号也会出现温度飘移和时间飘移，从而影响到测量系统长期工作的稳定性。

③当直流电压测量信号进入后续电子电路进行信号处理时，容易受到从电源系统传导进来的工频杂波的干扰。

采用市电作为工作电源的测量系统，必然会从电源线上传导进来很多50Hz或60Hz的杂波干扰信号，这种工频干扰信号的功率在各个频率点上的分布情况如图3所示，从图上可以看出，在工频点附近的干扰功率是最大的，随着频率值的增加其干扰功率会逐步降低。

显然，对于处理直流电压信号的测量系统来说，信号在电子电路的各个环节中传递时，所受到的工频干扰的能量是最大的。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种信号分辨率高，可长期稳定性工作的一种载波激励应变式称重系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种载波激励应变式称重系统，包括应变计测量电桥，所述应变计测量电桥的输入端与一载波激励信号发生模块连接，所述应变计测量电桥的输出端与一交流放大器连接，所述交流放大器的输出端与解调器连接，所述解调器还与解调参照信号发生模块连接，所述解调器的输出端与一信号选择模块连接，所述信号选择模块的输出端为系统输出端。

本发明还公开了一种上述载波激励应变式称重系统的激励方法：在测量时给变计测量电桥施加一个载波激励信号，在外部重力的作用下，应变计测量电桥输出一个具有对称包络的交流测量信号，该交流测量信号被交流信号放大器进行交流信号放大，产生一个与输入信号同频率同相位的交流放大信号，交流放大信号进入解调器在解调参照信号的控制下分离出无包络的测量信号，这个无包络的测量信号再经过信号选择后，还原成有效测量信号。

优选的，载波激励信号的频率值应远离工频频率值，并且不是工频频率值的整数倍。

上述技术方案具有如下有益效果：该载波激励应变式称重系统在进行测量时，通过载波激励信号发生模块产生载波激励信号给应变计测量电桥施加一个载波电压信号作为激励，应变计测量电桥输出与载波激励信号同频率同相位的交流电压信号，这个交流电压信号输送给后续电路进行处理时，完全避免了采用直流激励技术所存在的缺点，具有精度高、抗干扰能力强、使用稳定可靠的优点。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

图1放大器的噪声电压密度与输入信号频率的关系示意图。

图2为放大器在0.1Hz-10Hz频率区间的噪声电压示意图。

图3为工频干扰信号的功率与信号频率的关系示意图。

图4为本发明实施例载波激励应变式称重系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。

如图4所示，该载波激励应变式称重系统包括一应变计测量电桥2，应变计测量电桥2的输入端与一载波激励信号发生模块1连接，应变计测量电桥2的输出端与一交流放大器3连接，交流放大器3的输出端与解调器4连接，解调器4还与一解调参照信号发生模块5连接，解调器4的输出端与一信号选择模块6连接，信号选择模块6的输出端即为该系统的输出端。

该载波激励应变式称重系统在进行测量称重时，由载波激励信号发生模块1产生载波激励信号，该信号的幅度和频率取决于电子测量电路的驱动能力和带宽，该信号的频率值应远离工频频率值，并且不是工频频率值的整数倍。在外部重力的作用下，应变计测量电桥2输出一个具有对称包络的交流测量信号，该交流测量信号被交流信号放大器3进行交流信号放大，产生一个与输入信号同频率同相位的交流放大信号，交流放大信号进入解调器4在解调参照信号发生模块5发出的解调参照信号的控制下分离出无包络的测量信号，这个无包络的测量信号再经过信号选择模块6进行信号选择后，即可还原成有效测量信号。

由于测量信号为交流信号，这样就有效避免了采用直流信号进行测量存在的缺点。

①当交流电压测量信号Vout进入后续的交流放大器进行交流信号放大时，交流放大器的输出信号被叠加上的来自交流放大器本身的噪声电压很小。从附图1可以看出，在载波激励信号的频率点fCF上，放大器信号输入端的噪声电压密度Dnoise很小，在这个频率点上的噪声电压峰值

这个噪声电压峰值只有10nV级的水平。

如果设置1d＝2Vpp_CF，则整个系统的测量分辨率为：

$\mathrm{Res}=5\sqrt{2}\mathrm{Dnoise}/\mathrm{VoutFS}$ ........................公式(3)

比较公式(1)和公式(3)，由于

远远小于2Vpp，所以公式(3)所计算出来的分辨率比公式(1)要高得多。

②当交流电压测量信号Vout进入后续的交流放大器进行交流信号放大时，交流放大器的输出信号Vop_out不会随着工作时间推延和环境温度变化而飘移。交流放大器的信号输入端天然存在着偏置电压ΔVos，这个偏置电压随环境温度变化和工作时间推延而飘移的过程是比较缓慢的，在一个较短暂的时间段内可以认为ΔVos的极性和量值是固定的。

当设置交流放大器的增益为Gain后，对于输入进来的占空比为50％的周期性测量信号来说，信号在前半个周期里放大器的输出为：

Vop_out前＝Gain*(Vout/2+ΔVos)

信号在后半个周期里放大器的输出为：

Vop_out后＝Gain*(Vout/2-ΔVos)

所以在一个完整的输入信号周期里放大器的输出为：

Vop_out＝Vop_out前+Vop_out后＝Gain*Vout......公式(4)

公式(4)中没有出现ΔVos，可见对于交流电压输入信号来说，当信号经过放大器时，ΔVos的存在和飘移都不会影响到被放大后的输出信号。

③当交流电压测量信号进入后续电子电路进行信号处理时，不易受到从电源系统传导进来的工频杂波的干扰。

由于所选择的载波激励信号的频率值远离工频频率值，并且不是工频频率值的整数倍，观察图3所示的工频干扰信号的功率对频率分布情况图，当一个工频杂波干扰信号到来时，载波频率点附近所受到的干扰能量比直流频率附近的能量要小得多。

对于处理交流电压信号的测量系统来说，交流信号在电子电路的各个环节中传递时，所受到的工频信号干扰的能量是最小的。

在上述重力测量信号的产生、传递、处理过程中，考虑到微弱的测量信号必然要经过交流放大器这个关口，而交流放大器的信号输入端天然存在着噪声电压Vpp和偏置电压ΔVos。在充分掌握了交流放大器的各项特性，尤其是它的噪声电压Vpp与所通过信号的频率关系以及偏置电压ΔVos的变化特征后，为了在放大后得到高品质的有效测量信号，引入载波激励信号CF施加给应变计测量电桥，使其所产生的微弱测量信号具有交流信号特性，这样的交流测量信号在通过放大器时，完全避免了噪声电压Vpp和偏置电压ΔVos的影响，再经过解调器和信号选择模块环节后，最终还原出高品质的有效测量信号。

在应变式称重系统中引入载波激励技术后，可以显著提高系统的有效测量信号分辨率；系统的零点不会随着环境温度变化或工作时间推延而飘移，从而保证了测量系统长期工作的稳定性；系统在市电工作条件下对工频干扰具有很好的耐受能力，确保了长期工作的可靠性。

例如，应用在“高精度应变式天平”上的精密称重部件，就是采用载波激励技术设计制造的，称重部件对于100g量程的秤台，分度值可以设置为0.001g，测量分辨率达到了1/100000；称重部件达到了温度飘移≤±5ppm/℃、时间飘移≤±50ppm/年的水平；称重部件对于市电传导的工频杂波干扰具有良好的抵抗能力，使得天平在工业现场使用时既稳定又可靠。

以上对本发明实施例所提供的一种载波激励应变式称重系统及其激励方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种载波激励应变式称重系统，包括应变计测量电桥，其特征在于：所述应变计测量电桥的输入端与一载波激励信号发生模块连接，所述应变计测量电桥的输出端与一交流放大器连接，所述交流放大器的输出端与解调器连接，所述解调器还与解调参照信号发生模块连接，所述解调器的输出端与一信号选择模块连接，所述信号选择模块的输出端为系统输出端。

2.一种载波激励应变式称重系统的激励方法，其特征在于：在测量时给变计测量电桥施加一个载波激励信号，在外部重力的作用下，应变计测量电桥输出一个具有对称包络的交流测量信号，该交流测量信号被交流信号放大器进行交流信号放大，产生一个与输入信号同频率同相位的交流放大信号，交流放大信号进入解调器在解调参照信号的控制下分离出无包络的测量信号，这个无包络的测量信号再经过信号选择后，还原成有效测量信号。

3.根据权利要求2所述的载波激励应变式称重系统的激励方法，其特征在于：载波激励信号的频率值应远离工频频率值，并且不是工频频率值的整数倍。

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