称重指示器的噪声.pdf

称重指示器的声
上海耀华称重系统有限公司徐平均
【摘要】本文论述了称重指示器噪声的定义、来源、影吻和评价方法。
关键词】称重指示器噪声
概述
“噪声”一词,按《现代电子科学技术辞典》中给出的定义为“对电路及系统中有用信号造成
十扰的无规则电性扰动。”噪声在非白动衡器中的表现,就是称重示值的跳动,使操作人员无法判
断准确地测量结果;在白动衡器中的表现,就是定量种中定量值的误差、分选秤中测量值的误差等
等。总之,在称重系统中噪声是一种有害的现象,应尽量消除或减小其影响。称重系统噪声的来源
有称重指示器内部产生的,也有指示器外部,如机械系统的振动、气流扰动、工业千扰和天电干扰
引起的电磁干扰、称重传感器和信号传输线的噪声等产生的。
本文重点是如何正确定义和评价模拟信号输入称重指示器的噪声,对如何减少称重指示器的噪
声也作了粗浅的探讨。对于数字信号输入的称重指示器,理论上其本身不会产生噪声,实际上数字
运算的过程中也会产生一定的误差,在动态条件下,也可以看作一种噪声,但如果算法合适,计算
精度足够高,其影响可以忽略,因此本文未作分析探讨。
噪声对称重系统计量性能的影响
称重系统的噪声使称重信号输出值在一定的范围内无规律地波动,在置零操作时,把当前的输
出值作为零点,会使衡器的零点产生一定的偏差。这里的输出值指称重指示器内称重信号数据处理
后的数据流。按照 OIML R76《非自动衡器》的要求,衡器置零后,零点偏差应小于0.25e。按称
重指示器零点偏差的误差分配系数Pi=0.5计算,则称重指示器输出值噪声的峰峰值应小于0.,25e。
进行衡器的鉴别力试验时,在规定的载荷下,先在承载器上.加10个0.le的小砝码,衡器示值为1
然后逐一取下小砝码,直到示值1明确地减少了一个实际分度值而变成为1-d,将一个小砝码重新放
上,再轻缓地将相当于1.4d的载荷放到承载器上,称重指示器应明确地指示出在原示值上増加一个
实际分度值的结果,即Id。很明显,在鉴别力试验中衡器示值的噪声峰峰值不能大于0.4d(这里
d=e),按误差分配系数Pi-=0.5计算,则称重指示器输出值的噪声峰峰值应小于0.2e。
可以看出,如果称重指示器的噪声太大,将会使衡器检定时超差,因此必须控制称重指示器的
噪声
噪声来源和它们的频谱特性
大家知道,应变传感器的输出信号都是毫伏级的微弱信号,特别是一些使用多个传感器的大型
衡器,最大种量时传感器的输出仅零点几mVV,每检定分度值e的信号电压在几个微伏以下,甚
至低于1微伏,因此称重指示器对电路中的噪声非常敏感。称重指示器的噪声主要由前级,特别是
第一级运算放大器、AD转换器等电路产生,?此,要降低称重指示器的噪声,关健是选择低噪声
的运算放大器和A/D转换器件
称重指示器中的噪声主要来源于电阻内电子的热运动产生的热噪声和晶体管中带电粒子的不
规则运动产生的热噪声、散粒噪声、分配噪声和1f噪声等。这些噪声源有的为白噪声,如热噪声
散粒噪声,它们的谱密度与频率无关:有的为有色噪声,如1f噪声为粉红噪声,在低频段它的频
谱密度较大:称重指示器电路中噪声总的频谱密度如下图所示
噪声电压
电路带宽的限制
率
图1电路中噪声电压的频谱密度
在器件数据于册中,噪声电压有时以均方根值形式给出,有时以峰峰值的形式给出,有时以nV/
√Hz的形式给出。可用噪声电压峰峰值≈6.6×噪声电压均方根值换算。使用这些数据时必须注意
它们与通频帯之间的关系,实际噪声应是噪声谱密度在通频帯上的积分
四、评价方法
在GB《称重显示器》中规定了对称重指示器噪声指标的要求。笔者认为,因为 OIML R76中
零点误差、鉴别力试验等要求已隐含了对噪声的限制,没有必要再另外增加对噪声的要求和试验。
从噪声的频谱分布可以看出,总的噪声与称重指示器的通频带或称軍数据输出的截止频率是密
切相关的,通频带宽则噪声增大,通频带则噪声可以压低。如一台称重指示器用于静态称重,可
以将其截止频率设置在零点儿赫兹以下,用于动态称重,如每分钟分选200件物体的高速分选秤,
则要求截止频率在数十甚至数白赫兹以上。同一台仪表,用于不同的场合,由于通频带宽度相差上
白倍,输出的噪声幅度相差可在10倍以上:。因此,对于白动衡器用称重指示器,不考虑通频带宽
度的噪声指标值是没有实际意义的。
OIMLR76没有明确规定称重指示器的通频带宽度,仅有一条要求与截止频率相关。R76要求
当承裁器上的载荷收变时,原示值的保持时间不应大于1秒。注意,这里仅规定了原示值保持的最
大时间限制,而未规定准确示值的出现时间,这就为称車指示器的通频带宽度留下了更大的选择空
?,称重指示器的设计者可以减低通频带的截止频率来压低系统的噪声。软件的设计可以使指示器
在满足R76的上:述要求的同时,使用尽量低的通频带上:限。ADI公司的A/D转换器件AD7730就给出
了这样的例子。AD730中有炳级数字滤波器:第一级为sinc低通滤波器,第二级为FIR滤波器(有
限冲激响应数字滤波器)。第一级滤波器是一直接入的,第二级滤波器则可选择三种不同的工作模
式。第一种为普通FIR滤波器模式,滤波效果好但对阶跃信号的响应较慢;第二种为快速模式,在
这种模式下,当FIR滤波器的输出与第一数滤波器的输出相差超过1%6FS时,FIR滤波器自动转入移
动平均值滤波状态,平均值计算的数据数自动从2或1逐步增加到4、8、16,到达16后滤波器又
白动转回FIR滤波器状态,这种功能加快了A/D器件的响应速度而不增加输入信号稳定时的输噪
声,图2为普通模式和快速模式响应速度的对比;第三种为跳跃(SKIP)模式,在这种模式下,第
二级滤波器被旁路掉,虽然输出响应快了,但输出的噪声大了3倍左右。国内一些衡器制造公司的
称亜指示器软件也采用了类似第二种模式的算法,有效的降低了平衡稳定时的噪声,又能使指示器
满足R76对响应速度的要求。
输出
快速式
普通式
时间
图2普通模式和怏速模式响应速度的对比
付于白动衡器,它们大多数是在动态下称重,称重指示器的噪声与响应速度(或输出数据的截
止频率)的矛盾比较突出,而且仅从仪表的指示对这炳个参数的关系不好定量的测定,而称重指示
器的这炳个参数对定量秤、分选秤等自动衡器的动态性能乂有重要影响。现有的称重指示器的标准