高精度重量感測和顯示意味著重量測量結果準確、可靠且可重複，從而提升整個系統的性能。對於電路板級硬體工程師而言，標準測量與高精度測量之間的差距很少僅僅在於某個組件，而是整個鏈條誤差的累積。
對於一些粗略的任務，標準重量感測器通常能提供足夠精確的讀數。而高精度重量感測則需要對激勵穩定性、放大器雜訊、ADC解析度和佈局進行更嚴格的控制。美國聯邦公路管理局報告稱，在現代動態稱重系統中加入高精度感測器和先進演算法，可將測量誤差降低高達30%。這表明，精度很大程度上取決於精心設計，而不僅僅是稱重感測器本身。
感測器到顯示器的訊號鏈、顯示策略和電路板級製造因素共同決定了最終精度。
關鍵要點
高精度來自於整個系統，而不僅僅是某個零件。
利用比率測量來消除激勵漂移。
保持敏感的類比線路長度足夠，並使其遠離噪音。
為了保持其長期準確性，請經常檢查校準情況。
設計時就要儘早考慮成本和精準度。
利用稱重感測器定義高精度重量感測
應變計橋和信號行為
稱重感測器分兩步驟將力轉換為電訊號。首先，力使機械部件發生彎曲，貼在其上的應變片也隨之拉伸或擠壓。其次，惠斯登電橋將電阻變化轉換為電壓。應變係數決定了給定應變下電阻的變化量。因此，電橋的輸出通常在毫伏範圍內，必須放大後才能進行數位化處理。
你應該把電橋看作一個平衡網。當橋臂阻值相等且無負載時，輸出電壓為零。任何一個橋臂的微小電阻變化都會導致電橋失去平衡，產生差分電壓。四分之一橋、半橋和全橋電路在靈敏度和溫度特性之間進行權衡，而全橋電路常見於精密稱重感測器。這是所有電阻式應變計稱重感測器設計的基礎。
重要的精度規格
精度並非一個單一的數值。解析度、重複性、線性度和漂移分別描述了系統可能出現的不同故障方式，稱重系統必須針對所有這些故障進行規劃。線性度是指在整個量程範圍內與理想直線之間的偏差，在精密稱重感測器中通常低於±0.017% FSO。重複性是指在相同負荷下測量結果的偏差，而漂移則涵蓋了由溫度、蠕變或雜訊引起的緩慢變化。
稱重感測器類型 | 非線性（% FS） | 滯後（% FS） |
|---|---|---|
傳統應變片 | ±0.05 | ±0.05 |
厚膜應變計 | ±0.2 | ±0.2 |
液 | ±0.3 | ±0.2 |
標準重量感測器的精度通常為滿量程的±0.1%。而製藥或實驗室檢測等高精度應用可能需要±0.01%或更高的精度。您應該分別列出每個術語，因為即使線性良好的重量感測器，其重複性也可能不佳。這種差異正是標準測量與高精度重量感測之間的差異。
提示：向供應商索取多個容量點的非線性和滯後數據，而不是單一的總體數值。
PCB上的重量感測器訊號鏈
激勵穩定性和比率測量
此電橋需要穩定的激勵電壓。常用值為 5V 和 10V 直流。稱重感測器的輸出與激勵電壓成比例，因此激勵電壓變化 0.01% 會導致測量輸出變化 0.01%。您應該檢查激勵源是否能夠驅動所有連接的稱重感測器的總電阻，包括電纜電阻。
比例式測量可以消除大部分此類問題。類比數位轉換器 (ADC) 直接使用激勵電壓作為參考電壓。訊號和參考電壓同步變化，即使激勵電壓緩慢漂移，數位讀數也保持不變。而絕對式系統則使用固定的內部參考電壓，因此任何激勵電壓的波動都會直接影響讀數。大多數工業稱重系統都採用比例式測量方法。請務必檢查您的指示器或擴大機是否真正採用比例式測量，因為低成本產品通常並非如此。
稱重感測器訊號調理器必須提供穩定、可控的激勵電壓，為應變計電橋供電。激勵穩定性直接影響測量精度，因為稱重感測器的輸出與激勵電壓成比例關係。
快速瞬態訊號仍然可能通過。使用低雜訊線性電源，並在開關電源中加入LC濾波器。將激勵線和訊號線遠離電源線。為稱重感測器使用專用激勵電源，並在激勵線上加裝鐵氧體磁珠或共模扼流圈，有助於在噪音環境下工作。接地迴路會將雜訊引入激勵和訊號電路，因此務必保持迴路路徑分離。
儀表放大器和Delta-Sigma類比數位轉換器
放大器必須在不引入雜訊的情況下提升毫伏訊號。對於工業和醫療精密應用，直流共模抑制比應至少達到 100 dB，並檢查實際訊號頻率的交流抑制比，因為交流抑制比會隨著頻率的增加而下降。注意輸入偏移和漂移：在 100 倍增益下，50 µV 的偏移會導致 5 mV 的輸出誤差。零漂移斬波器架構適用於偏移最小的設計。使用精度為 0.1% 或更高的增益設定電阻，並在工作增益下確認增益頻寬積。
部分 | 關鍵低噪音/高精度規格 | 適用於重量感測器鏈 |
|---|---|---|
INA128（TI） | 50 µV Vos，120 dB CMRR (G≥100)，增益 1–10,000，700 µA Iq | 橋式感測器、熱電偶、心電圖前端 |
INA118（TI） | 50 µV 輸出電壓，110 dB 共模抑制比 (G=1000)，70 kHz 頻寬 (G=100)，±40 V 輸入保護 | 低功耗便攜式儀器，數據採集 |
AD8221（ADI） | 最大輸出電壓 60 µV，最小共模抑制比 80 dB (G=1)，低漂移 | 精密工業和醫療儀器 |
AD620（ADI） | 增益1-10,000倍，成本低，單晶片設計，結構簡單 | 通用感測器放大、心電圖、體重秤 |
LT1167（ADI） | 低噪音、高精度、單一外部增益電阻 | 工業製程控制、汽車感測器 |
INA828（TI） | 新一代 INA128 替代產品：更低的雜訊、更低的功耗、相同的引腳排列 | 適用於基於 INA128 的設計的即插即用升級 |
放大器之後是一個24位元Δ-Σ類比數位轉換器（ADC）。其內建的可程式增益放大器（PGA）提供1到128的增益範圍，轉換器最高可達23位元有效位數（ENOB）。可程式FIR濾波器同時提供50 Hz和60 Hz的陷波濾波，用於抑制電源幹擾。片上LDO穩壓器和校準暫存器減少了外部元件的數量。這種架構適用於電子秤和應變計等電橋式測量應用，在這些應用中，解析度比取樣率更為重要。採用這種架構建構的數位重量感測器能夠分辨非常小的力道變化。無雜訊計數（而非原始位元深度）才能真正反映重量感測器的可用解析度。
重量感測器電路板佈局
屏蔽、守護和星體接地
來自重量感測器的微弱類比訊號需要與雜訊電路隔離。將擴大機和轉換器級放置在訊號源附近。短走線受干擾較小。將重量感知器走線遠離開關穩壓器、振盪器和高速數位線路。若線路必須交叉，應以直角交叉，而非平行走線。在緊湊的佈局中，走線間距至少應為走線寬度的三倍，這有助於隔離敏感線路。
星形接地可確保精度。每條回流路徑各自連接到同一個公共點。當運算放大器的電源回流路徑各自到達星形點時，共享阻抗誤差就會消除。高阻抗節點周圍的保護環可防止表面漏電，而保形塗層則可防止濕度緩慢影響精確度。接地層屏蔽了敏感走線，並為回流路徑提供了更短的路徑。
技術 | 問題已解決 | 指導 |
|---|---|---|
分區 | 訊號類別之間的串擾 | 將低電平類比訊號與數位訊號分離 |
星形接地 | 接地環路誤差電壓 | 一個共同的返回點 |
守衛 | 高阻抗下的表面洩漏 | 棋盤兩側都有保護環 |
接地平面 | 返迴路徑中斷 | 避免在訊號下出現平面分裂 |
機械安裝、蠕變和偏心載重
安裝方式決定了精密稱重感測器能否達到額定精度。側向負荷和不平整的表面會產生應力點，而校準無法消除這些應力點。應將每個稱重感測器安裝在穩定、水平的表面上，並使施加的力與感測軸對齊。剛性安裝會阻礙熱膨脹，導致溫度變化時應力分佈改變。
蠕變是指在穩定載重作用下發生的緩慢變形。它會導致稱重感測器的輸出漂移並增加非線性。盡可能快速地讀取數據，並定期進行校準以檢測漂移。偏心載重會產生彎矩，導致跨距誤差，且誤差會隨載重位置而變化。在稱重系統中，可以使用微調電阻或數位指示器進行角校正來解決這個問題。現代優質稱重感測器的長期穩定性優於每年額定容量的±0.02%。應同樣謹慎地對待鏈條中的每個稱重感測器，因為一個薄弱的安裝點就會限制整個測量結果。
提示：在進行角落測試之前，請檢查所有稱重感測器的安裝面是否水平且共面。
高精度重量感測中的校準和準確度
溫度補償和量程校準
溫度變化會影響每個橋式整流器的零點和跨度。設計系統時，應同時考慮這兩種影響。匹配應變片有助於解決這個問題。應合理放置應變片，使它們受溫度變化的影響相同，從而相互抵消。全橋式佈局可以很好地實現這一點。此外，採用低熱膨脹合金製成的稱重感測器本體，即使在室溫變化時也能保持形狀穩定。
補償方法有多種，每種方法都是在成本和能力之間進行權衡。
選項 | 怎麼運作的 | 主要特徵 |
|---|---|---|
熱敏電阻激勵調節 | 熱敏電阻透過改變橋式整流器的激勵來抵消熱效應。 | 略微降低訊號幅度（約10%）並減慢熱響應速度，但提高穩定性 |
硬體補償 | 額外的溫度感測器和電路可即時校正輸出 | 反應速度快；成本較高 |
軟件補償 | 此處理器採用溫度校正模型 | 靈活且經濟高效；取決於精確的校準數據 |
被動補償 | 固定電阻器用於抵消一階誤差，在生產過程中添加。 | 適用於中等環境；無法應付複雜的熱行為 |
主動補償 | 內建感測器測量環境條件；微處理器計算即時修正值。 | 能夠處理非線性誤差；提高動態環境下的精度 |
零點補償可以使零點漂移曲線趨於平緩，從而為高精度稱重提供穩定的起始點。接下來是量程校準。在整個量程範圍內施加已知質量的砝碼，記錄原始計數，並擬合斜率。在兩到三個溫度下重複此操作。將校正係數儲存在數位稱重感測器中，以確保設備在出廠後仍能保持可重複的精度。
提示：任何機械改動後，請重新進行跨距校準。新的安裝螺栓造成的零點偏移可能比熱漂移更大。
顯示介面和刷新策略
顯示器是整個測量流程的最後一個環節，它可能會破壞電子元件所獲得的精確度。顯示器的解析度必須與轉換器的無雜訊計數相符。如果顯示的數字超出重量感測器的分辨率，讀數就會閃爍，操作人員會因此對測量結果失去信心。將顯示值四捨五入到一個穩定的數字並保持該值。
刷新策略同樣重要。過快的刷新率會顯示噪音；過慢的刷新率則會讓人感覺遲緩。你應該取幾個電源週期的平均值，然後以穩定的頻率更新顯示。在運動停止後添加一個短暫的穩定延遲。這樣可以獲得可重複的重量讀數，而不是波動不定的數值。
易讀性是成功的關鍵。使用清晰的字體、良好的對比度，並將單位放在數值旁邊。為了實現高精度的品質測量，應顯示穩定性指示器和零點追蹤標誌。這些提示可以幫助操作員判斷讀數是否可靠。精心設計的介面可以將原始轉換器計數轉換為使用者可操作的精確數位重量讀數。
每個環節都至關重要。稱重感測器設定物理極限，訊號鏈保護訊號，而校準和顯示則確保測量精度長期穩定。將校準視為一個持續的過程，而不是一次性步驟，您的稱重系統才能在其使用壽命內保持高精度。
實際應用與面向製造的設計權衡
工業、醫療和實驗室系統
精度目標會隨作業而改變。選擇稱重感測器時，應根據作業需求而非數據手冊上的標題來選擇。
應用類別 | 典型精度要求 |
|---|---|
貿易計量學 | ±0.02% (OIML C3) |
大多數工業製程控制 | ±0.03％ |
成本敏感型應用（無嚴格合規要求） | ±0.05% 至 ±0.1% |
不同用途對精度的要求各不相同：用於測量藥物劑量的醫用秤需要比稱量礫石或沙子等散裝物料的工業秤更高的分辨率。因此，稱重感測器有不同的精度和量程等級，以滿足各種應用需求。
在藥物生產和實驗室環境中，稱重的目標是實現極高的精確度和符合規範，尤其是在活性藥物成分 (API) 和品質控制方面。良好生產規範 (GMP) 要求精度達到微克級，因為即使是微小的重量變化也會改變最終藥物產品的一致性和特性。高解析度實驗室分析天平依賴低雜訊、漂移控制嚴格的重量感測器。一項已發表的案例展示了其優勢：Shumate（2018，SLAS Technology）驗證了一個用於追蹤高通量篩選中分發速率的 JAMS 平台。該平台測得的重量與人工稱重的平均偏差僅為 1.0%，並且能夠提供即時重量分析匯總和及時警報。研究也指出，成本高且可擴展性差。
面向製造的設計約束
每項成本決策都會影響誤差預算。價格較低的重量感測器通常具有更寬的非線性和滯後特性，而這些誤差無法在電路板層級進行校準消除。您應該將高精度元件用於決定最終精度的通道，而對於顯示器本身就會對數值進行四捨五入的通道，則可以接受精度稍高的元件。
裝配方式的選擇也至關重要。連接器和電纜的電阻會增加橋式電路的阻抗，因此應選用低接觸電阻的元件並進行測試。放大器和轉換器的焊點品質會影響偏移漂移，而IPC-A-610 2級檢測可以檢測出許多此類缺陷。保形塗層雖然增加了一道工序，但可以保護高阻抗節點免受潮氣影響。測試時間也是一個需要考慮的因素：完整的多點校準比單點檢測的單件成本更高，但它可以確保整批產品的精確度。儘早權衡這些限制因素，您的精密稱重解決方案就能在實際應用中保持其測量性能。
高精度重量感測和顯示功能為您提供值得信賴的測量結果：準確、可靠且可重複。這種信賴感使整個系統運作得更出色。
這些經驗教訓適用於整個鏈條。稱重感測器設定了物理極限，其橋式電路的工作方式決定了電子設備的解析度。訊號鏈設計保護著這個微弱的訊號。電路板佈局可以有效抑制雜訊幹擾。校準規範確保了長期精度。可製造性設計（DFM）的權衡取捨決定了設計能否在大量生產中保持精度。重量感測器需要在每個環節都精益求精，任何一個環節的弱點都會影響到其他環節。
如今，精度要求正在影響著現代測量系統的設計。硬體工程師如果能及早規劃好整個流程，就能滿足這些需求。
常見問題
為了獲得穩定的顯示效果，我需要多少個無雜訊計數？
將顯示的數字與轉換器的無雜訊計數相符。 24 位元 Δ-Σ ADC 可提供足夠的原始位數，但可用解析度較低。僅顯示重量感測器能夠穩定保持的數字。額外的數字會閃爍，降低操作員對讀數的信任度。
為什麼即使負載恆定，我的讀數也會漂移？
蠕變、熱效應和激勵漂移都會緩慢地改變輸出值。首先檢查安裝情況。翹曲的表面或側向負荷會增加應力，而校準無法消除這些應力。然後確認激勵源穩定，且轉換器確實是比例式的。任何機械維修後，請重新運行量程校準。
我應該使用比率參考還是絕對參考？
對於大多數稱重系統，請選擇比例式。 ADC 使用激勵電壓作為參考，因此緩慢的激勵漂移會被抵消。絕對參考則會將每一次激勵波動直接傳遞到讀數中。務必確認指示器確實是比例式的，因為低成本的設備通常並非如此。
我的應用需要什麼樣的精度目標？
用於貿易計量的產品通常需要達到 OIML C3 性能等級。大多數工業製程管制的要求則略低一些。對成本敏感且不受合規性要求約束的產品可以接受更寬的公差。選擇稱重感測器時，應根據特定應用場景進行選擇，並注意價格較低的稱重感測器存在非線性，而這種非線性無法在電路板層級進行校準。
