摘要：本文針對為了提高起重機(jī)起重量限制系統(tǒng)中的起重量信號采集精度，本文設(shè)計(jì)了一種以XTR106芯片為核心的電路解決方案。通過分析XTR106的工作原理、選擇恰當(dāng)參數(shù)值的外圍電器元件并搭建相應(yīng)的控制電路，該方案有效地解決了普通電阻橋式壓力傳感器的非線性問題，成功的實(shí)現(xiàn)了4～20mA的電流信號采集和電流電壓變送功能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該電路解決方案可以將信號增益的平均相對誤差控制在0.3%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)重量信號精確采集，為起重量限制器的設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。
0 引言
起重量限制器是專門用來保護(hù)起重機(jī)械安全的裝置，具有光報(bào)警、聲報(bào)警、顯示起吊重物重量和切斷起重機(jī)起升回路等功能。可避免起重設(shè)備因負(fù)荷超載造成的設(shè)備和人身事故。因此它對冶金、機(jī)械、礦山、鐵路、碼頭、倉庫等行業(yè)現(xiàn)代化安全生產(chǎn)，具有極其重要的意義。
信號采集的精度直接決定起重量限制器的品質(zhì)優(yōu)劣。只有精確地檢測出起重機(jī)實(shí)際吊起物體的重量，才可以做出準(zhǔn)確的判斷進(jìn)而控制機(jī)器安全操作。所以，設(shè)計(jì)一套高精度的重量信號采集和處理電路對整個起重量限制系統(tǒng)至關(guān)重要。測量重量的傳感器有很多，一般常用壓力傳感器。普通壓力傳感器的工作原理是通過電阻橋阻值變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，但是存在的問題是橋臂電阻和電壓輸出的非線性。XTR106是一款專門為橋路傳感器設(shè)計(jì)的低成本、低漂移、高精度、自帶兩路 2.5V/ 5V電橋激勵電壓的4~20mA兩線制集成單片電流變送器。具有放大、二次線性化和電流信號輸出功能。它與電阻橋式壓力傳感器互相配合，可以很好的解決電橋非線性和激勵電源供給問題，出色地完成信號采集任務(wù)。
1 橋式壓力傳感器工作原理
電阻橋式壓力傳感器工作電路如圖1所示。U是由XTR106提供的2.5V或者5V的激勵電壓；差分電壓U0由圖1可知：
當(dāng)R0+R1比R△大得多時,即傳感器電阻的相對變化量R△/(R0+R1)很小時,式(2)可以作線性化處理:
從公式（3）可知，輸出電壓U0與電阻橋式壓力傳感器的電阻變化量R△/(R0+R1)近似成線性關(guān)系，此時對測量精度影響比較小[1]。但隨著壓力傳感器的電阻變化量R△/(R0+R1)不斷增大，非線性也越來越大，最終導(dǎo)致測量精度很差，不能滿足要求。同時，由公式（3）可知，輸出電壓U0與電阻橋的供電電壓U成線性關(guān)系，所以供電電壓的穩(wěn)定性也直接影響到測量結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。
普通電阻橋式壓力傳感器各個電阻的非線性和電阻橋整體的非線性都
最后的測量帶來非線性誤差。所以，要想取得精確地測量結(jié)果，就必須想辦法解決這些非線性問題，實(shí)現(xiàn)線性化測量，最終取得精確的測量結(jié)果。
2 XTR106工作原理
XTR106自帶兩路激勵電壓源、可驅(qū)動電橋的4～20mA兩線制集成單片變送器[3]，其引腳圖見圖2。
XTR106為系統(tǒng)提供2.5V/5V的精密基準(zhǔn)激勵電壓，如果需要2.5V激勵電壓，就將引腳13接到電阻橋上；如果需要5V激勵電壓，就將引腳14接到電阻橋上（如圖3所示）。其基準(zhǔn)電壓源的精度可達(dá)0.05%最大可帶2.5mA的負(fù)載（注意：如果負(fù)載超過2.5mA，就會影響4mA的零點(diǎn)輸出電流）。引腳3與引腳4之間要外接量程控制電阻。引腳2與引腳5之間接電阻橋輸出的mV級的差分電壓，引腳5接高電壓，引腳2接低電壓。引腳7為最終的 4～20mA電流輸出端。
另外，XTR106最大的特點(diǎn)是可以對不平衡電橋的固有非線性進(jìn)行二次項(xiàng)補(bǔ)償，它可以使橋路傳感器的非線性大大改善，改善前后非線性比最大可達(dá)20:1。引腳1與引腳11直接接入線性化電阻RLIN，使橋路激勵電壓隨電阻橋差分輸出電壓的變化而變化。當(dāng)電阻橋存在正非線性時，引腳12與引腳6相連接，此時，激勵電壓VREF會隨電阻橋傳感器的差分輸出電壓VIN增加而增加，以補(bǔ)償正的非線性。當(dāng)電阻橋存在負(fù)非線性時，引腳12與引腳1相連接，此時，激勵電壓VREF會隨電阻橋傳感器的差分輸出電壓VIN增加而減少，以補(bǔ)償負(fù)的非線性。當(dāng)不需要進(jìn)行線性化補(bǔ)償?shù)臅r候，只需要把引腳12和引腳11都連接到引腳1上即可，此時，激勵電壓VREF將保持2.5V或者5V不變。
整個電路的電壓～電流傳遞函數(shù)為：
其中，I0為輸出電流，單位mA；VIN為差分電壓，單位mV；RG為量程調(diào)節(jié)電阻,單位Ω。
3 XTR106在信號采集和線性增益中的應(yīng)用
3.1 電路原理分析
由于電阻橋式壓力傳感信號十分的微弱（mV級），所以只有選擇低功耗、低漂移、低失調(diào)、增益線性良好的放大器，才能對傳感器的微弱信號進(jìn)行不失真的放大。而XTR106恰恰具有以上的特點(diǎn)。
在本系統(tǒng)中所使用的電路如圖3所示，由于壓力傳感器的電阻橋?yàn)檎蔷€性，因此引腳12與引腳6相連接，用于校正非線性。電容C1、C2和C3為去耦電容，提高抗干擾性。固定電阻R4和可變電阻RZ共同作用，用于實(shí)現(xiàn)電路調(diào)零設(shè)置，即在外部無負(fù)載的情況下，電路輸出4mA電流。固定電阻R3和可變電阻RS共同作用，用于實(shí)現(xiàn)電路調(diào)滿設(shè)置，即在施加滿負(fù)載情況下，電路輸出20mA電流。三極管Q1用來降低由于溫度變化所帶來的精度誤差。電源采用24V直流電壓，二極管1N4148起到保護(hù)作用，防止電源接反而損壞元件[4]。
負(fù)載電阻RL為250Ω的精密電阻，用于將4～20mA的電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V的電壓變化。結(jié)合公式（4）將電流值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐当硎荆傻霉剑?）：
3.2 電壓增益精度分析
按照圖3所示的電路原理圖連接電路，模擬測試，對電壓增益精度進(jìn)行分析。假定輸入的差分電壓在0～10mV范圍內(nèi)變化，此時RG=25Ω。
當(dāng)對差分輸入電壓進(jìn)行控制，每隔約1mV的電壓進(jìn)行一次采樣，并用電壓表對電路的輸出端進(jìn)行測量，記錄此時的差分輸入電壓VIN和與之相對應(yīng)的輸出電壓VO，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
其中，V實(shí)際表示用電壓表實(shí)際測量的電壓值；V理想表示用公式（5）計(jì)算的理想電壓值；△誤差表示用公式（6）計(jì)算的相對誤差百分?jǐn)?shù)值。
對比V實(shí)際與V理想，并計(jì)算出△誤差，可以清晰的看出，抽樣測量的最大相對誤差為0.409%，而最小的僅僅只有0.050%，平均相對誤差可以提高到 0.289%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通放大器電路的增益精度，例如集成電路放大器中經(jīng)常使用的AD620芯片的最大增益誤差為0.7%。
3.3 電壓增益非線性分析
對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性度分析，建立如圖（4）所示的線性化曲線圖，從圖中可以看出，粉紅顏色表示的實(shí)際曲線與藍(lán)顏色表示的理論直線基本重合，最大非線性也只有為0.4%。
4 結(jié) 論
通過搭建電路，并且對電路進(jìn)行仿真、實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：
(1)本文設(shè)計(jì)的基于XTR106的電路與以往傳統(tǒng)的分立元件構(gòu)成的電路相比，具有體積小、集成度高、電路設(shè)計(jì)簡單、低功耗、低漂移、低失調(diào)、非線性可調(diào)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。
(2)本文設(shè)計(jì)的電路具有很高的電壓增益精度，表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明測量結(jié)果的平均相對誤差可以控制在0.3%以內(nèi)。作為起重機(jī)起重量限制器的信號采集裝置完全勝任。
(3)本文設(shè)計(jì)的電路不僅適用于本系統(tǒng)，對于其他類似的應(yīng)用場合同樣值得借鑒，具有很好的移植性和擴(kuò)展性。
參考文獻(xiàn)
[1] 華陳權(quán), 任旭虎. XTR106在鉑熱電阻不平衡電橋測溫中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置, 2001,(05).
[2] 黃繼昌，等. 傳感器工作原理及實(shí)用實(shí)例[M]. 人民出版社, 1998.
[3] XTR106 Data Sheet. Burr-Brown Corporation, 1998.
[4] 夏義全，牟志平. 應(yīng)變片壓力傳感器變送電路的設(shè)計(jì)[J].科技咨詢，2007,(32).