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?？杀苊馄鹬卦O(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(gè)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(lì)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(lì)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(lì)電壓；差分電壓U₀由圖1可知：

      當(dāng)R0+R1比R_△大得多時(shí),即傳感器電阻的相對變化量R_△/(R0+R1)很小時(shí),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(shí)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(shí)，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(gè)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(lì)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(lì)電壓，如果需要2.5V激勵(lì)電壓，就將引腳13接到電阻橋上；如果需要5V激勵(lì)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R_LIN，使橋路激勵(lì)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(shí)，引腳12與引腳6相連接，此時(shí)，激勵(lì)電壓V_REF會隨電阻橋傳感器的差分輸出電壓V_IN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(shí)，引腳12與引腳1相連接，此時(shí)，激勵(lì)電壓V_REF會隨電阻橋傳感器的差分輸出電壓V_IN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(shí)候，只需要把引腳12和引腳11都連接到引腳1上即可，此時(shí)，激勵(lì)電壓V_REF將保持2.5V或者5V不變。 
      整個(gè)電路的電壓～電流傳遞函數(shù)為：

      其中，I₀為輸出電流，單位mA；V_IN為差分電壓，單位mV；R_G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R_Z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R_S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R_L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?，可得公式?）：

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(shí)R_G=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(shí)的差分輸入電壓V_IN和與之相對應(yīng)的輸出電壓V_O，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).