数字称重传感器的信号获取及处理

　　1　引言

　　石英谐振式称重传感器是利用石英谐振器的力频特性而研制的。石英谐振器的力频特性原理是指:当AT切型石英晶体受径向力F作用时,石英晶体的谐振频率将由不受力时的f0变至f0+Δf,Δf与F呈线性关系,即:

式中K_s———传感器的力灵敏系数　

　　为了得到反映力F变化的频率变化量Δf,在传感器的前置电路中有两个石英晶体分别构成的谐振电路,其中一个石英晶体作为敏感元件,外力F通过一定的机械结构加载到敏感元件上,输出信号频率f1与力F相关;另一个石英晶体作为基准元件,不受外力作用,其谐振频率f2和外力无关。然后通过数字差频电路即可得到反映力F变化的频率变化量Δ_f=f1-f_²。

　　2　石英谐振传感器信号的获取及频率测量

　　2·1　信号的获取

　　通过一定的传感器结构可将力F准确加载到谐振传感器敏感元件上,经过如图1所示的前置电路,即可得到差频信号Δf.

　　振荡电路中x1是作为敏感元件的石英谐振传感器,在不受力时它输出的方波信号重复频率为f1;x2是作为基准元件的石英谐振传感器,它不受力的作用,输出的方波信号重复频率恒为f₂,当f1、f₂二者之差满足关系Δf<1/3 min{f1,f₂}时,如图1b示由D触发器构成的数字差频电路输出的方波信号的重复频率近似为Δf=f₁-f₂。考虑到敏感元件x₁安装时的预紧力F1导致的输出方波信号重复频率的变化量Δf₁,可得在未加载时差频电路输出方波信号的重复频率近似为Δf₀=f₁+Δf₁-f₂,对于一个系统,Δf0为一可调常数;则当力F作用于敏感元件时,差频电路输出方波信号的重复频率近似为Δf:

式中Δf_F———力F作用于敏感元件x1时导致的输出方波信号重复频率的变化量

　　差频输出的方波信号重复频率的变化量(相似于初始值Δf0)反映了敏感元件的受力情况。为了便于对反映力F变化的差频信号进行处理,需要将差频信号变成数字量,这可通过MCS-51单片机对频率信号进行测量得到,测量结果是字化信号,也很容易从其中减去Δf0的值。

　　2·2　差频信号的频率测量

　　对频率信号的测量,首先要求精度高,同时为了准确反映称重时的频率变化情况和进行数据实时处理和显示,也要求采样时间短。前置电路输出的差频信号Δf在正常情况下,幅值为0~4V、占空比约为50%的方波,频率范围由几百Hz到几十kHz。在MCS-51单片机中,采用平均周期法实现对差频信号Δf的高精度测量。具体的原理说明和误差分析请参阅参考文献〔2〕。