XTR106在起重量限制器中的應(yīng)用研究摘要：本文針對(duì)為了提高起重機(jī)起重量限制系統(tǒng)中的起重量信號(hào)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(hào)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(hào)增益的平均相對(duì)誤差控制在0.3%以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)重量信號(hào)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(duì)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(hào)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(cè)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(hào)采集和處理電路對(duì)整個(gè)起重量限制系統(tǒng)至關(guān)重要。測(cè)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oXTR106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(hào)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(hào)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(duì)變化量R/(R0+R1)很小時(shí)，式⑵可以作線性化△△處理：從公式(3)可知，輸出電壓％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(duì)測(cè)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(cè)量精度很差，不能滿足要求。同時(shí)，由公式3)可知，輸出電壓U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(cè)量結(jié)0果的準(zhǔn)確性［2］。

1UR1Rp+UdRiRi圖1壓力慎感爲(wèi)電阻橋Ftg.lResistsaiceBridgeofPressureSaisor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(cè)量帶來非線性誤差。所以，要想取得精確地測(cè)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(cè)量，最終取得精確的測(cè)量結(jié)果。2XTR106工作原理LLELITEZ巨叵XTR106自帶兩路激勵(lì)電壓源、可驅(qū)動(dòng)電橋的4?20mA兩線制集成單片變送器[3],其引腳圖見圖2。LLELITEZ巨叵j-11iLinPdhiltjo]vn二]El￡■町^2XTR1細(xì)引張労盤Fie.2XTR1[36PinCotELFLEurationXTR106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(huì)影響4mA的零點(diǎn)輸出電流）。弓I腳3與引腳4之間要外接量程控制電阻。弓|腳2與引腳5之間接電阻橋輸出的mV級(jí)的差分電壓，弓I腳5接高電壓，弓|腳2接低電壓。弓|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(duì)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，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LIN時(shí)，引腳12與引腳6相連接，此時(shí)，激勵(lì)電壓V會(huì)隨電阻橋傳感器的差分輸出電壓V增加REFIN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)，弓I腳12與引腳1相連接，此時(shí)，激勵(lì)電壓V會(huì)隨電阻橋傳感器的差分輸出電壓V增加而減少，以補(bǔ)償負(fù)的非線性。當(dāng)不需REFIN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將保持2.5V或者5V不變。REF整個(gè)電路的電壓?電流傳遞函數(shù)為：

—+嘗⑷其中，I為輸出電流，單位mA；V為差分電壓，單位mV；R為量程調(diào)節(jié)電阻，單位Q。0ING3XTR106在信號(hào)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(hào)十分的微弱（mV級(jí)），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(duì)傳感器的微弱信號(hào)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C、C和C為去耦電容，提高抗干擾性。固定電阻R1234和可變電阻R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4mAZ電流。固定電阻R和可變電阻R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3S下，電路輸出20mA電流。三極管Q用來降低由于溫度變化所帶來的精度誤差。電源采用24V1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］。摩3沖丞力険電睦Fie.11~5VPr-ssursTr-snsinit&rCiraiit負(fù)載電阻R為250Q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)L合公式（4）將電流值轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐当硎荆傻霉剑?）：40魏Vt.t=250x（4+⑸3.2電壓增益精度分析按照?qǐng)D3所示的電路原理圖連接電路，模擬測(cè)試，對(duì)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=25Q。G當(dāng)對(duì)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(duì)電路的輸出端進(jìn)行測(cè)量，記錄此時(shí)的差分輸入電壓V和與之相對(duì)應(yīng)的輸出電壓V，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如INO表1所示。

孟1寶睦悲粥記示祁分忻Tab.1EEcnrdand^xiaiyEia；ofE^periEieritaLDsIb旳r侖1刃0..00L052.423:415.468^2.P639.97￡000L973^.3703.1&24.132'4.2984.988L0031.409L9743/2024.196'4.312巨磁000D.05300500.0970.3250.409\1).240其中，V表示用電壓表實(shí)際測(cè)量的電壓值；V表示用公式(5)計(jì)算的理想電壓值；△實(shí)際理想誤表示用公式(6)計(jì)算的相對(duì)誤差百分?jǐn)?shù)值。差對(duì)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(cè)量的最大相對(duì)誤差為0.409%,而最小的僅僅只有0.050%，平均相對(duì)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(duì)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%。6543210—理論曲線■-實(shí)6543210—理論曲線■-實(shí)際曲線51015篩入電.壓Vin(mV)圏q線性化曲線圖F.込.qLinearizationCurve4結(jié)論通過搭建電路，并且對(duì)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：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，