高精度重量传感和显示意味着重量测量结果准确、可靠且可重复，从而提升整个系统的性能。对于电路板级硬件工程师而言，标准测量与高精度测量之间的差距很少仅仅在于某个组件，而是整个链条误差的累积。
对于一些粗略的任务，标准重量传感器通常能提供足够精确的读数。而高精度重量传感则需要对激励稳定性、放大器噪声、ADC分辨率和布局进行更严格的控制。美国联邦公路管理局报告称，在现代动态称重系统中加入高精度传感器和先进算法，可将测量误差降低高达30%。这表明，精度很大程度上取决于精心设计，而不仅仅是称重传感器本身。
传感器到显示器的信号链、显示策略和电路板级制造因素共同决定了最终精度。
关键精华
高精度来自于整个系统，而不仅仅是某个部件。
利用比率测量来消除激励漂移。
保持敏感模拟线路的长度足够，并使其远离噪声。
为了保持其长期准确性，请经常检查校准情况。
设计时就要尽早考虑成本和精度。
利用称重传感器定义高精度重量传感
应变计桥和信号行为
称重传感器分两步将力转化为电信号。首先，力使机械部件发生弯曲，粘贴在其上的应变片也随之拉伸或挤压。其次，惠斯通电桥将电阻变化转化为电压。应变系数决定了给定应变下电阻的变化量。因此，电桥的输出通常在毫伏范围内，必须放大后才能进行数字化处理。
你应该把电桥看作一个平衡网络。当桥臂阻值相等且无负载时，输出电压为零。任何一个桥臂的微小电阻变化都会导致电桥失去平衡，从而产生差分电压。四分之一桥、半桥和全桥电路在灵敏度和温度特性之间进行权衡，而全桥电路常见于精密称重传感器。这是所有电阻式应变计称重传感器设计的基础。
重要的精度规格
精度并非一个单一的数值。分辨率、重复性、线性度和漂移分别描述了系统可能出现的不同故障方式，称重系统必须针对所有这些故障进行规划。线性度是指在整个量程范围内与理想直线之间的偏差，在精密称重传感器中通常低于±0.017% FSO。重复性是指相同载荷下测量结果的偏差，而漂移则涵盖了由温度、蠕变或噪声引起的缓慢变化。
称重传感器类型 | 非线性（% FS） | 滞后（% FS） |
|---|---|---|
传统应变计 | ±0.05 | ±0.05 |
厚膜应变计 | ±0.2 | ±0.2 |
液 | ±0.3 | ±0.2 |
标准重量传感器的精度通常为满量程的±0.1%。而制药或实验室检测等高精度应用可能需要±0.01%或更高的精度。您应该分别列出每个术语，因为即使线性度良好的重量传感器，其重复性也可能不佳。这种差异正是标准测量与高精度重量传感之间的区别。
提示：向供应商索取多个容量点的非线性和滞后数据，而不是单一的总体数值。
PCB上的重量传感器信号链
激励稳定性和比率测量
该电桥需要稳定的激励电压。常用值为 5V 和 10V 直流。称重传感器的输出与激励电压成比例，因此激励电压变化 0.01% 会导致测量输出变化 0.01%。您应该检查激励源是否能够驱动所有连接的称重传感器的总电阻，包括电缆电阻。
比例式测量可以消除大部分此类问题。模数转换器 (ADC) 直接使用激励电压作为参考电压。信号和参考电压同步变化，即使激励电压缓慢漂移，数字读数也保持不变。而绝对式系统则使用固定的内部参考电压，因此任何激励电压的波动都会直接影响读数。大多数工业称重系统都采用比例式测量方法。请务必检查您的指示器或放大器是否真正采用比例式测量，因为低成本产品通常并非如此。
称重传感器信号调理器必须提供稳定、可控的激励电压，为应变计电桥供电。激励稳定性直接影响测量精度，因为称重传感器的输出与激励电压成比例关系。
快速瞬态信号仍然可能通过。使用低噪声线性电源，并在开关电源中添加LC滤波器。将激励线和信号线远离电源线。为称重传感器使用专用激励电源，并在激励线上加装铁氧体磁珠或共模扼流圈，有助于在噪声环境下工作。接地回路会将噪声引入激励和信号电路，因此务必保持回路路径分离。
仪表放大器和Delta-Sigma模数转换器
放大器必须在不引入噪声的情况下提升毫伏信号。对于工业和医疗精密应用，直流共模抑制比应至少达到 100 dB，并检查实际信号频率下的交流抑制比，因为交流抑制比会随着频率的升高而下降。注意输入偏移和漂移：在 100 倍增益下，50 µV 的偏移会导致 5 mV 的输出误差。零漂移斩波器架构适用于偏移最小的设计。使用精度为 0.1% 或更高的增益设置电阻，并在工作增益下确认增益带宽积。
Part | 关键低噪音/高精度规格 | 适用于重量传感器链 |
|---|---|---|
INA128（TI） | 50 µV Vos，120 dB CMRR (G≥100)，增益 1–10,000，700 µA Iq | 桥式传感器、热电偶、心电图前端 |
INA118（TI） | 50 µV 输出电压，110 dB 共模抑制比 (G=1000)，70 kHz 带宽 (G=100)，±40 V 输入保护 | 低功耗便携式仪器，数据采集 |
AD8221（ADI） | 最大输出电压 60 µV，最小共模抑制比 80 dB (G=1)，低漂移 | 精密工业和医疗仪器 |
AD620（ADI） | 增益1-10,000倍，成本低，单芯片设计，结构简单 | 通用传感器放大、心电图、体重秤 |
LT1167（ADI） | 低噪声、高精度、单外部增益电阻 | 工业过程控制、汽车传感器 |
INA828（TI） | 新一代 INA128 替代产品：更低的噪声、更低的功耗、相同的引脚排列 | 适用于基于 INA128 的设计的即插即用升级 |
放大器之后是一个24位Δ-Σ模数转换器（ADC）。其内置的可编程增益放大器（PGA）提供1到128的增益范围，转换器最高可达23位有效位数（ENOB）。可编程FIR滤波器同时提供50 Hz和60 Hz的陷波滤波，用于抑制电源干扰。片上LDO稳压器和校准寄存器减少了外部元件的数量。这种架构适用于电子秤和应变计等电桥式测量应用，在这些应用中，分辨率比采样率更为重要。采用这种架构构建的数字重量传感器能够分辨非常小的力变化。无噪声计数（而非原始位深度）才能真正反映重量传感器的可用分辨率。
重量传感器电路板布局
屏蔽、守护和星体接地
来自重量传感器的微弱模拟信号需要与噪声电路隔离。将放大器和转换器级放置在信号源附近。短走线受干扰较小。使重量传感器走线远离开关稳压器、振荡器和高速数字线路。如果线路必须交叉，应以直角交叉，而不是平行走线。在紧凑的布局中，走线间距至少应为走线宽度的三倍，这有助于隔离敏感线路。
星形接地可确保精度。每条回流路径都各自连接到同一个公共点。当运算放大器的电源回流路径各自到达星形点时，共享阻抗误差就会消除。高阻抗节点周围的保护环可防止表面漏电，而保形涂层则可防止湿度缓慢影响精度。接地层屏蔽了敏感走线，并为回流路径提供了更短的路径。
技术 | 问题已解决 | 指引 |
|---|---|---|
分区 | 信号类别之间的串扰 | 将低电平模拟信号与数字信号分离 |
星形接地 | 接地环路误差电压 | 一个共同的返回点 |
护 | 高阻抗下的表面泄漏 | 棋盘两侧都有保护环 |
地平面 | 返回路径中断 | 避免在信号下出现平面分裂 |
机械安装、蠕变和偏心载荷
安装方式决定了精密称重传感器能否达到额定精度。侧向载荷和不平整的表面会产生应力点，而校准无法消除这些应力点。应将每个称重传感器安装在稳定、水平的表面上，并使施加的力与传感轴对齐。刚性安装会阻碍热膨胀，从而导致温度变化时应力分布发生改变。
蠕变是指在稳定载荷作用下发生的缓慢变形。它会导致称重传感器的输出漂移并增加非线性。尽可能快速地读取数据，并定期进行校准以检测漂移。偏心加载会产生弯矩，从而导致跨距误差，且误差会随载荷位置而变化。在称重系统中，可以使用微调电阻或数字指示器进行角校正来解决这个问题。现代优质称重传感器的长期稳定性优于每年额定容量的±0.02%。应同样谨慎地对待链条中的每个称重传感器，因为一个薄弱的安装点就会限制整个测量结果。
提示：在进行拐角测试之前，请检查所有称重传感器的安装面是否水平且共面。
高精度重量传感中的校准和准确度
温度补偿和量程校准
温度变化会影响每个桥式整流器的零点和跨距。设计系统时，应同时考虑这两种影响。匹配应变片有助于解决这个问题。应合理放置应变片，使它们受温度变化的影响相同，从而相互抵消。全桥式布局可以很好地实现这一点。此外，采用低热膨胀合金制成的称重传感器本体，即使在室温变化时也能保持形状稳定。
补偿方法有多种，每种方法都是在成本和能力之间进行权衡。
付款方式 | 它是如何运行的？ | 关键特征 |
|---|---|---|
热敏电阻激励调节 | 热敏电阻通过改变桥式整流器的激励来抵消热效应。 | 略微降低信号幅度（约10%）并减慢热响应速度，但提高稳定性 |
硬件补偿 | 额外的温度传感器和电路可实时校正输出 | 响应速度快；成本较高 |
软件补偿 | 该处理器采用温度校正模型 | 灵活且经济高效；取决于精确的校准数据 |
被动补偿 | 固定电阻器用于抵消一阶误差，在生产过程中添加。 | 适用于中等环境；无法应对复杂的热行为 |
主动补偿 | 内置传感器测量环境条件；微处理器计算实时修正值。 | 能够处理非线性误差；提高动态环境下的精度 |
零点补偿可以使零点漂移曲线趋于平缓，从而为高精度称重提供稳定的起始点。接下来是量程校准。在整个量程范围内施加已知质量的砝码，记录原始计数，并拟合斜率。在两到三个温度下重复此操作。将校正系数存储在数字称重传感器中，以确保设备在出厂后仍能保持可重复的精度。
提示：任何机械改动后，请重新进行跨距校准。新的安装螺栓造成的零点偏移可能比热漂移更大。
显示界面和刷新策略
显示屏是整个测量流程的最后一个环节，它可能会破坏电子元件所获得的精度。显示屏的分辨率必须与转换器的无噪声计数相匹配。如果显示的数字超出重量传感器的分辨率，读数就会闪烁，操作人员会因此对测量结果失去信心。将显示值四舍五入到一个稳定的数字并保持该值。
刷新策略同样重要。过快的刷新率会显示噪声；过慢的刷新率则会让人感觉迟缓。你应该取几个电源周期的平均值，然后以稳定的频率更新显示。在运动停止后添加一个短暂的稳定延迟。这样可以获得可重复的重量读数，而不是波动不定的数值。
易读性是成功的关键。使用清晰的字体、良好的对比度，并将单位放在数值旁边。为了实现高精度的质量测量，应显示稳定性指示器和零点跟踪标志。这些提示可以帮助操作员判断读数是否可靠。精心设计的界面可以将原始转换器计数转换为用户可操作的精确数字重量读数。
每个环节都至关重要。称重传感器设定物理极限，信号链保护信号，而校准和显示则确保测量精度长期稳定。将校准视为一个持续的过程，而非一次性步骤，您的称重系统才能在其使用寿命内保持高精度。
实际应用与面向制造的设计权衡
工业、医疗和实验室系统
精度目标会随作业而变化。选择称重传感器时，应根据作业需求而非数据手册上的标题来选择。
应用类别 | 典型精度要求 |
|---|---|
贸易计量学 | ±0.02% (OIML C3) |
大多数工业过程控制 | ±0.03％ |
成本敏感型应用（无严格合规要求） | ±0.05% 至 ±0.1% |
不同用途对精度的要求各不相同：用于测量药物剂量的医用秤需要比称量砾石或沙子等散装物料的工业秤更高的分辨率。因此，称重传感器有不同的精度和量程等级，以满足各种应用需求。
在药物生产和实验室环境中，称重的目标是实现极高的精度和符合规范，尤其是在活性药物成分 (API) 和质量控制方面。良好生产规范 (GMP) 要求精度达到微克级，因为即使是微小的重量变化也会改变最终药物产品的一致性和特性。高分辨率实验室分析天平依赖于低噪声、漂移控制严格的重量传感器。一项已发表的案例展示了其优势：Shumate（2018，SLAS Technology）验证了一个用于追踪高通量筛选中分发速率的 JAMS 平台。该平台测得的重量与人工称重的平均偏差仅为 1.0%，并且能够提供实时重量分析汇总和及时警报。该研究还指出，成本高昂且可扩展性差。
面向制造的设计约束
每一项成本决策都会影响误差预算。价格较低的重量传感器通常具有更宽的非线性和滞后特性，而这些误差无法在电路板级别进行校准消除。您应该将高精度元件用于决定最终精度的通道，而对于显示屏本身就会对数值进行四舍五入的通道，则可以接受精度稍高的元件。
装配方式的选择也至关重要。连接器和电缆的电阻会增加桥式电路的阻抗，因此应选用低接触电阻的元件并进行测试。放大器和转换器的焊点质量会影响偏移漂移，而IPC-A-610 2级检测可以检测出许多此类缺陷。保形涂层虽然增加了一道工序，但可以保护高阻抗节点免受潮气影响。测试时间也是一个需要考虑的因素：完整的多点校准比单点检测的单件成本更高，但它可以确保整批产品的精度。尽早权衡这些限制因素，您的精密称重解决方案就能在实际应用中保持其测量性能。
高精度重量传感和显示功能为您提供值得信赖的测量结果：准确、可靠且可重复。这种信赖感使整个系统运行得更加出色。
这些经验教训适用于整个链条。称重传感器设定了物理极限，其桥式电路的工作方式决定了电子设备的分辨率。信号链设计保护着这个微弱的信号。电路板布局可以有效抑制噪声干扰。校准规范确保了长期精度。可制造性设计（DFM）的权衡取舍决定了设计能否在批量生产中保持精度。重量传感器需要在每个环节都精益求精，任何一个环节的薄弱都会影响到其他环节。
如今，精度要求正在影响着现代测量系统的设计。硬件工程师如果能及早规划好整个流程，就能满足这些要求。
常见问题解答
为了获得稳定的显示效果，我需要多少个无噪声计数？
将显示的数字与转换器的无噪声计数相匹配。24 位 Δ-Σ ADC 可提供充足的原始位数，但可用分辨率较低。仅显示重量传感器能够稳定保持的数字。额外的数字会闪烁，降低操作员对读数的信任度。
为什么即使负载恒定，我的读数也会漂移？
蠕变、热效应和激励漂移都会缓慢地改变输出值。首先检查安装情况。翘曲的表面或侧向载荷会增加应力，而校准无法消除这些应力。然后确认激励源稳定，并且转换器确实是比例式的。任何机械维修后，请重新运行量程校准。
我应该使用比率参考还是绝对参考？
对于大多数称重系统，请选择比例式。ADC 使用激励电压作为参考，因此缓慢的激励漂移会被抵消。绝对参考则会将每一次激励波动直接传递到读数中。务必确认指示器确实是比例式的，因为低成本的设备通常并非如此。
我的应用场景需要什么样的精度目标？
用于贸易计量的产品通常需要达到 OIML C3 性能等级。大多数工业过程控制的要求则略低一些。对成本敏感且不受合规性要求约束的产品可以接受更宽的公差。选择称重传感器时，应根据具体应用场景进行选择，并注意价格较低的称重传感器存在非线性，而这种非线性无法在电路板级别进行校准。
