解析XTR106在起重量限制器中的应用

　　引言

　　起重量限制器是起重机械安全保护装置，专起重量限制器（14张）门用于各种型号规格的电动葫芦单梁式起重机。该装置具有声报警、立即报警、切断起重机起升电机回路和显示起吊重物重量等功能，可避免起重设备因过负荷超载造成的设备和人身事故。因此它对冶金、机械、矿山、铁路、码头、仓库等行业现代化安全生产，具有极其重要的意义。该产品在设计上采用了先进的计算机技术，有自动校核检查和零点自动跟踪能力，具有功能强，结构紧凑、操作校准方便、工作稳定、安装维修方便等优点。起重量限制器由两大部分组成，传感器和控制器。当起重机械起吊重物，重量传输到传感器使传感器产生微量电压变化，经仪表放大器放大后经高分辨率的A/D转换器变成数字信号。数字信号直接由单片计算机读取，经处理后换算成重量值。该值与额定比较如达到110%的额定值输出一对无源继电器触点信号（常闭），用来切断起升电机电源，另外重量值可根据控制器的命令送到控制器处理后显示出额定重量，起重重量预报警和报警声响。

　　信号采集的直接决定起重量限制器的品质优劣。只有地检测出起重机实际吊起物体的重量，才可以做出准确的判断进而控制机器安全操作。测量重量的传感器有很多，一般常用压力传感器。普通压力传感器的工作原理是通过电阻桥阻值变化转化为电压变化，但是存在的问题是桥臂电阻和电压输出的非线性。XTR106是一款专门为桥路传感器设计的低成本、低漂移、高、自带两路 2.5V/ 5V电桥激励电压的4~20mA两线制集成单片电流变送器。具有放大、二次线性化和电流信号输出功能。

　　1 桥式压力传感器工作原理

　　电阻桥式压力传感器工作电路如图1所示。U是由XTR106提供的2.5V或者5V的激励电压；差分电压U0由图1可知：

　　当R0+R1比R△大得多时，即传感器电阻的相对变化量R△/（R0+R1）很小时，式（2）可以作线性化处理：

 

 

　　从公式（3）可知，输出电压U0与电阻桥式压力传感器的电阻变化量R△/（R0+R1）近似成线性关系，此时对测量影响比较小。但随着压力传感器的电阻变化量R△/（R0+R1）不断增大，非线性也越来越大，终导致测量很差，不能满足要求。同时，由公式（3）可知，输出电压U0与电阻桥的供电电压U成线性关系。

　　普通电阻桥式压力传感器各个电阻的非线性和电阻桥整体的非线性都

　　的测量带来非线性误差。所以，要想取得地测量结果，就必须想办法解决这些非线性问题，实现线性化测量，终取得的测量结果。

　　2 XTR106工作原理

　　XTR106自带两路激励电压源、可驱动电桥的4～20mA两线制集成单片变送器[3]，其引脚图见图2。

　　XTR106为系统提供2.5V/5V的精密基准激励电压，如果需要2.5V激励电压，就将引脚13接到电阻桥上；如果需要5V激励电压，就将引脚14接到电阻桥上（如图3所示）。其基准电压源的可达0.05%可带2.5mA的负载。引脚3与引脚4之间要外接量程控制电阻。引脚2与引脚5之间接电阻桥输出的mV级的差分电压，引脚5接高电压，引脚2接低电压。引脚7为终的 4～20mA电流输出端。

　　另外，XTR106的特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿，它可以使桥路传感器的非线性大大改善，改善前后非线性比可达20:1。引脚1与引脚11直接接入线性化电阻RLIN，使桥路激励电压随电阻桥差分输出电压的变化而变化。当电阻桥存在正非线性时，引脚12与引脚6相连接，此时，激励电压VREF会随电阻桥传感器的差分输出电压VIN增加而增加，以补偿正的非线性。当电阻桥存在负非线性时，引脚12与引脚1相连接，当不需要进行线性化补偿的时候，只需要把引脚12和引脚11都连接到引脚1上即可，此时，激励电压VREF将保持2.5V或者5V不变。

　　整个电路的电压～电流传递函数为：

 

 

 

　　其中，I0为输出电流，单位mA；VIN为差分电压，单位mV；RG为量程调节电阻，单位Ω。

　　3 XTR106在信号采集和线性增益中的应用

　　3.1 电路原理分析

　　由于电阻桥式压力传感信号十分的微弱（mV级），所以只有选择低功耗、低漂移、低失调、增益线性良好的放大器，才能对传感器的微弱信号进行不失真的放大。而XTR106恰恰具有以上的特点。

　　在本系统中所使用的电路如图3所示，由于压力传感器的电阻桥为正非线性，因此引脚12与引脚6相连接，用于校正非线性。电容C1、C2和C3为去耦电容，提高抗干扰性。固定电阻R4和可变电阻RZ共同作用，用于实现电路调零设置，即在外部无负载的情况下，电路输出4mA电流。固定电阻R3和可变电阻RS共同作用，用于实现电路调满设置，即在施加满负载情况下，电路输出20mA电流。

　　负载电阻RL为250Ω的精密电阻，用于将4～20mA的电流变化转变为1～5V的电压变化。结合公式（4）将电流值转变为电压值表示，可得公式（5）：

 

 

　　3.2 电压增益分析

　　按照图3所示的电路原理图连接电路，模拟测试，对电压增益进行分析。假定输入的差分电压在0～10mV范围内变化，此时RG=25Ω。

　　当对差分输入电压进行控制，每隔约1mV的电压进行采样，并用电压表对电路的输出端进行测量，记录此时的差分输入电压VIN和与之相对应的输出电压VO，所得到的实验结果如表1所示。

　　其中，V实际表示用电压表实际测量的电压值；V理想表示用公式（5）计算的理想电压值；△误差表示用公式（6）计算的相对误差百分数值。

 

 

 

　　对比V实际与V理想，并计算出△误差，可以清晰的看出，抽样测量的相对误差为0.409%，而的仅仅只有0.050%，平均相对误差可以提高到 0.289%，这远远高于普通放大器电路的增益。

　　3.3 电压增益非线性分析

　　对实验数据进行线性度分析，建立如图（4）所示的线性化曲线图，从图中可以看出，粉红颜色表示的实际曲线与蓝颜色表示的理论直线基本重合，非线性也只有为0.4%。

　　4 结 论

　　通过搭建电路，并且对电路进行仿真、实验和数据分析，可以得到以下结论：

　　（1）本文设计的基于XTR106的电路与以往传统的分立元件构成的电路相比，具有体积小、集成度高、电路设计简单、低功耗、低漂移、低失调、非线性可调、抗干扰性强等特点。

　　（2）本文设计的电路具有很高的电压增益，表1中的实验数据表明测量结果的平均相对误差可以控制在0.3%以内。作为起重机起重量限制器的信号采集装置完全胜任。

　　（3）本文设计的电路不仅适用于本系统，对于其他类似的应用场合同样值得借鉴，具有很好的移植性和扩展性。