电子天平|电子分析天平|电子精密天平|电子秤|应变式数字传感器基本性能指标探讨

[摘要] 本文着重谈论应变式数字传感器所应该具备的一些基本性能要求，提出了“四个一百”基本指标概念，展示了个别指标的实际测试结果，同时用实际案例说明了达到这些性能指标的必要性。

约写过一篇小作《高精度数字称重传感器相关技术》刊登在当年9月份的《衡器》上，初步介绍了数字称重传感器的一些技术途径和性能指标。当时本想就此题目连续发表几期文章展开较深入的讨论，但是由于这个话题必然会涉及到比较多的技术信息，出于保护商业秘密及知识产权方面的考虑，那些文稿呈送领导后几经修改讨论，最终没有被批准刊发。

此后，应变式数字传感器在国内外市场上蓬勃发展，应用规模日渐壮大，应用领域也渐行渐宽。很多衡器制造商由当初不太清楚数字传感器的概念到如今能轻松地制造和应用数字传感器，一些衡器管理者和使用者由开始怀疑数字式衡器到现在积极要求采用数字式衡器，市场的召唤就是数字传感器强大生命力的最好体现。在这个逐渐成长成熟的过程中，我们除了“到处逢人说性能”，介绍数字传感器的概念和基本技术指标外，还为客户作好技术支持和服务工作，积累成功经验，分析失败原因，一代一代地改进产品，以期增强实用性和可靠性，对当初设计的数字传感器性能指标进行实践论证。

今天，笔者依据七年来的实践经验总结，针对数字称重传感器的基本技术性能指标谈点个人意见，也正赶上中国衡器协会的“数字称重传感器行业标准草稿”起草讨论时期，希望同行高人们都来积极参与讨论，让本文起到抛砖引玉的作用。

应变式模拟称重传感器自诞生以来，经历了大半个世纪的大规模批量生产，其技术和工艺水平成熟稳定，OIML R60所定义的性能指标已经被业界普遍采用。然而由于电阻应变计的纯电阻特性，应变计本身不能象“Z元件”那样直接逸出具有数字特征的信号，要想让传感器输出数字信号，唯一办法就是在应变电桥后面设置一个数字模块，让它完成信号翻译功能，把由应力转换过来的模拟电信号（一般为mV电压信号）翻译成数字信号。这个充当信号翻译器的数字模块将在数字传感器中扮演至关重要的脚色，成了数字传感器的核心部件，我们对它的表现也寄予了很多期待，它的性能和功能成为人们争论的焦点。

我的最朴素的理解是，一个合格的应变式模拟传感器，在串接了一个数字模块后，它的每一项指标不应该比原来差，而且能提高的应尽量提高，这样才能体现出技术进步所带来的生命力，这应该作为一条原则来坚持！

当然，数字传感器的信号传输距离长，抗干扰能力强，数字衡器可以获得每只传感器的测量数据，调试维护方便，后续信号处理过程简单，便于实现“以电脑为平台的测量”，等等，这些都是数字技术所带来的现实可见的好处。可是我们也必须充分考虑到，当选择某种技术手段来构建这样的数字模块时，这种技术会对模拟传感器的哪些性能指标带来怎么的影响，如果会恶化模拟传感器的某些性能，那么要如何去克服呢？

由于电阻应变计属于高精密电阻器件，它的阻值随时间而漂移的特性已经被反复测试过，是完全可以预期的。用这样高稳定度的应变计配以适当的生产工艺和高品质的原材料，就能制造出合格的模拟传感器，并且模拟传感器的时间漂移指标会小到完全可以忽略不计，所以R60并没有就时间漂移指标作详细定义。例如，被广泛应用在比对式测力机上的C3H3标准传感器，连续25年实际测量统计下来，它的时间漂移指标在±5ppm/年以内。

当我们用一大堆电子元器件来构建数字模块时，会惊讶地看到：模拟组件的偏置量会随着时间而产生很大的不确定性，电容器的损耗角正切值难以满足理想要求，电阻器随着时间而老化，参考基准随着时间而热漂移等等，这些因素都将导致数字模块的输出随着时间而变化，若给这样的数字模块接上高稳定度信号源，在恒温恒湿无干扰环境下测试它的时间漂移指标，会得到一个很悲观的结果，通常都会在数百ppm/年的水平。

所以，在把数字模块串接到应变计电桥之前，必须要处理它的时间漂移问题，使其达到与模拟传感器相当的水平（至少要＜±100ppm/年），这可称之为数字模块的“廉洁自律”，否则，我们作出的数字传感器就违背了传感器作为信号源的功能定义，也恶化了模拟传感器固有的低时间漂移优点。

下图是我们对自己的一款数字模块产品连续几年的时间稳定性测试结果，测试方法如下：采用UPS确保给被测试件持续不间断供电，平时放在自然环境下，每周放进恒温恒湿箱里保温4小时后记录零点和满度的读数，作为本周的测试记录，一年里统计出零点和满度的平均值，作为本年度的测试记录；信号源采用自制的高稳定度传感器信号模拟器S10H（理论上时间漂移为±1ppm/年），信号切换开关为白金触点的航空开关。

模拟传感器通过在桥臂上补铜丝的办法很容易把它的零点温度系数补偿到±100ppm/10℃以内，这方面很多企业都积累了大量经验，补偿效率非常高；通过在电桥激励端对称串接镍片及其修正电阻的方法，能够把灵敏度温度系数控制在指标允许的范围内，而且可以实现批量控制，避免了逐个测试补偿灵敏度温度系数的麻烦，这些都有很成熟的经验可供参考。

当我们用一大堆电子元器件组成数字模块后，由于电阻电容及模拟集成电路都存在较大的温度系数，使得数字模块接上高稳定度的信号源时，在不同温度环境下它的输出会有很大差别，这就形成了数字模块的温度漂移。通常情况下，对零点信号的温度漂移会达到±300ppm/10℃左右，而对满度信号的温度漂移会达到数百至数千ppm/10℃的水平。显然，若把温度稳定性这么差的数字模块串接到应变计电桥上，那么之前模拟传感器所作的补偿效果将顷刻间化为乌有。

（1）．如果能把数字模块自身的温度漂移补偿到一个理想范围内，那么把它串接到应变计电桥上后，它将不至于破坏模拟传感器原有的温度性能，这样就能实现数字模块与模拟传感器的“模块化组装”工艺，使得数字传感器的生产和维护变得简单化。

例如，一只C3精度的模拟传感器，在温度性能上，生产企业的内控指标都能作到零点温度系数和灵敏度温度系数都小于±100ppm/10℃，如果数字模块能作到把自身的零点温度系数和满度温度系数都补偿到小于±50ppm/10℃的水平，那么组装起来的数字传感器的温度性能最差也不会超过±150ppm/10℃，这样的水平仍然满足C3精度要求。

这种“模块化组装”工艺的优点在于，不需要改变模拟传感器的生产工艺；对灵敏度温度系数不需要进行逐个测试补偿，这一点对于制造大量程传感器很有价值；数字模块与模拟传感器之间没有一一对应关系，便于生产中的互换和售后维护。

（2）．考虑到模拟传感器在生产过程中也需要对零点温度系数逐个测试补偿，则可以在贴片组桥后不作任何补偿处理，直接与数字模块捆绑在一起进行综合补偿，这样的话，每只传感器都必须进行零点和灵敏度温度系数测试补偿，数字补偿量来自于大量的实践经验数据。而且补偿成功后，数字模块与模拟传感器之间形成了一对一的关系，今后维修应该是比较麻烦的。这种捆绑式工艺的优点在于，节省了一对镍片和电阻，也省下一段铜丝，并且可以把温度系数补偿到很理想的水平。

下图是我们对自己的一款数字模块产品的三只样品通过数字补偿后，所得到的温度漂移指标测试结果，我们的目标是：零点温度系数≤±50ppm/10℃，满度温度系数≤±50ppm/10℃。

模拟传感器在激励信号作用下输出的电信号（通常为mV电压信号）是连续的，在受力状态没有超越它的动态范围情况下，这样的连续输出信号真实地表达了被测物理量的实时大小。用数字模块把这样的连续信号翻译成离散的数字信号后，希望这些数字信号也尽可能是“连续的”，每个独立的数字信号点之间的间隔时间应尽可能短，这样的话，当被测物理量处于准动态变化状态时，数字传感器的输出也可以真实地再现这种变化趋势。

由此看来，要求数字模块能够迅速采样模拟传感器传送的电压信号，内部要有足够快的处理速度，产生的数字测量结果要能足够快地传送出去。我们当初设想的不低于100次/秒的测量速率，就是既考虑了准动态测量的实际需要，又兼顾了系统频率和元器件带宽限制，在这几年的实际应用中，尤其是在众多的轨道衡和动态汽车衡案例中，取得了良好效果，这也反过来说明了高测量速率的必要性。

当然，在静态衡器中被测物体是静止的，并不要求很快的测量速率，甚至1次/秒就足够了，这种情况怎么办呢？可以把数字模块设计成被动回答工作方式，用参数来控制每秒钟可以输出的最大次数，既然具有100次/秒的快速输出能力，那当然可以很容易地下降到1次/秒的慢速度测量。

以2mV/V灵敏度为参照标准，这是绝大多数模拟传感器都能达到的灵敏度指标，要把从零点到满度的模拟信号刻度成多大数码空间的数字信号，这完全取决于应变计电桥的热噪声和信号调理环节的噪声以及数字处理环节的数字噪声。我们希望这个数码空间要尽可能大，因为对于许多“大死载，小活载”类型的测量任务，如果没有足够小的分度值和足够大的分度空间，则很难实现对“小活载”的精确测量；另外，人们对数字传感器寄托的期望之一就是，希望它能提供更高的信号分辨能力，从而完成那些模拟传感器难以实现的测量任务。

面对信号传递链路上每个环节都客观存在的噪声，如果把信号分度值降到很低的水平，则有效测量信号很容易被噪声所淹没，从而导致读数不稳定；如果选用极低噪声的元器件来组成电路，会对提高分辨力有帮助，可是它的成本也许根本无法被接受；如果提高激励信号的幅度来增大模拟传感器的输出幅度，当然可以提高数字分度空间，但是，这种作法必然增加应变计的耗散功率，导致时间漂移指标恶化，同时数字模块也因为负载增加而热噪声增大。

可见，设计数字分辨力指标是很困惑的，它必须兼顾多种因素，甚至不得不动用一些非常规的技术手段来保证。充分考虑到各种因素后，我们设定2mV/V满度模拟信号所对应的数字信号空间为100万数码，实践证明这种设计是明智的，它满足了绝大多数测量任务的要求，尤其在配料秤和多只传感器的大型地衡上表现不俗。

模拟传感器只要它的电气连接是正常的，那么它的电气可靠性就是放心的，现在增加了由一大堆微电子元器件组成的数字模块后，数字传感器整体的电气可靠性还能有保证吗？正如所有IT设备一样，微电子系统和计算机系统是最容易遭受外部因素干扰的，数字模块是由计算机芯片和其他微电子元器件组成的精密测量系统，它更容易受到冲击和干扰而失去精确度；另外，数字传感器在现场使用中，那些无处不在的静电，那些难以预料的雷电气象，都足以把数字模块冲击到完全失效。虽然大多数传感器都会配装“强电导流带”，但是还会有很强的电能瞬间流串到数字模块上来，造成无法预料的后果。

这样的现实条件就要求数字传感器能够“自保自救”，要能承受一定残酷度等级的干扰和冲击。具体说来，要具有防雷击能力，要具有抵抗电磁干扰能力（通过EMC试验）。

经历过数字传感器推广应用和大规模普及的这几年时期，我们在不同行业里发掘培养出众多用户，形成了许多成功应用案例。有时也会针对不同客户在某些方面的特殊要求，而对个别性能指标作出调整，强化某个指标，也可能砍掉某种功能，以适应市场的现实要求。

案例1. 某客户用8只50吨量程的桥式数字称重传感器构建一台150吨额定量程的汽车衡，分度值设定为10公斤。几年使用下来，称量准确，工作稳定可靠，客户给予了很高评价。

案例2. 某客户用8只30吨量程的柱式数字称重传感器构建一台动静态两用轨道衡，当车辆以16公里/小时速度通过时，可以得到1%的称量准确度。而且抗现场干扰能力强，工作状态稳定，深得客户信赖。

案例3. 某客户用1只10公斤量程的铝质数字传感器制作重量选别秤，当线速度达到90包物料/分钟时，可得到±0.8克的动态称重误差，大大超出了客户的预期。

在多年实践基础上，我们反复论证总结，去伪存真，综合平衡各方面因素，提出了数字传感器的数字模块所应该具备的以上几项基本性能指标，概称为“四个一百”，

这四个方面直接体现着传感器的计量性能，应该属于基本性能指标。现在很多人都在谈论数字传感器的各种功能，例如，智能诊断，无线传输，数字动态补偿，模式自适应，连接互连网，等等，这些方面我认为都是数字传感器的附加功能，而且随着IT产业的发展，今后这种附加功能还会有无穷的发挥空间。

此后，我将陆续发文，从技术和工艺方面探讨上述这些基本性能指标的可实现性，探讨常用的技术手段和思维方法，欢迎广大同仁参与讨论，拍砖献花均可。