应变片称重传感器

第一章摘要

应变片称重传感器信号调理电路设计，在分析重力传感器信号特性的基础上，通过电路设计，把重量变化引起的应变片电阻的变化，反应到电压的变化上。信号调理电路是那模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示、处或其他目的的数字信号。此称重传感器信号调理电路应用了模块化设计，并通过仿真实验得出了较理想的仿真结果。

Multisim仿真结果表明：此电路设计能实时、准确的处理信号。且工作稳定、可靠、重复性好、抗干扰能力强，可实现精密测量的目的。

第二章引言

随着科学技术的发展和自动化程度的提高，作为获取信息的传感器应用越来越广，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。传感器输出的信号往往存在非线性问题、滞后误差、蠕变、温漂等问题，因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，信号调理电路就成为数据采集系统中不可缺少的一部分，并且其电路设计的优化程度直接关系到数据采集系统的精度和稳定性。

称重传感器信号检测的精度受到诸多因素的影响，其中电桥激励电压源的精度和稳定度是影响信号精确度的重要因素之一。由称重传感器的分析可知：电桥输出与激励电压成正比，使得激励电压出现任何漂移都将导致电桥输出出现相应的漂移。并且现场工

作环境恶劣，可能存在粉尘、振动、噪声以及电磁干扰等，称重传感器输出的几百微伏至几十毫伏信号极易受到干扰。所以研究抗干扰能力强、实时性好的信号变送和传输技术对保证检测精度具有重要意义。

第三章电路设计

根据设计要求，采用电压驱动电桥，这样就确保了检测信号的精确度和线性度。利用电阻电桥测量微小电阻变化，电桥由连成四边形的四个电阻组成，其中一个对角接激励电压源，而另一个对角接电压检测器，检测器将测量两个分压电阻中点间的电压。这种电桥电路在实际中可以根据输出电压直接观测出电阻差。

3.1信号处理电路的设计

信号处理电路的模块结构如图1所示：采用应变片称重传感器提高检测精度和使加卸载曲线对称，调理电路采用5V参考电压芯片AD588，使输出为符合设计要求的电压输出，精密齐纳二极管型参考源AD588对温度变化具有极低的激励漂移和增益。调理模块采用精确度高、使用简易、噪声低的仪用放大器AD620.保证了信号调理器的精确度和稳定度。

图1 信号调理模块结构图

3.1.1传感模块

全器件变化电桥通常采用分立设计,并组装在一个模块内.当对这类电桥进行调理时,必须采用特殊的技术以确保精度.

特别需要注意的是必须确保电桥激励电压源的精度和稳定度.电桥输出与激励电压成正比,因此激励电压出现任何漂移都将导致电桥输出出现相应的漂移.其结构如图2所示。

我们设计的精密四应变片称重传感器的电桥具有六个引脚:两个与电桥输出端相连,两个与电桥激励源相连,还有两个是传感器引脚.

V

图2 传感模块

3.1.2稳压模块

由于应变片称重传感器是要根据应变片电阻变化导致的电压变化来反应称重结果，所以要保证引起电压变化的源头尽量只能是重量的变化而不受其他因素影响，所以需要一个稳压模块。稳压模块主要由比较先进的精密齐纳二极管型参考源AD588构成。

图3 AD588结构图

AD588内置基本基准电压源和三个附加放大器，可提供引脚可编程的输出范围。这些放大器经过激光调整，具有低失调和低漂移特性，以保持基准电压源的精度。通过放大器配置，则可以与负载和/或升压器实现开尔文连接，以便驱动长线路或高电流负载，进而提供应用电路所需的全部AD588精度。AD588具有较低的初始误差,对温度变化具有极低的激励漂移和增益,用于精密测量,能够为系统提供5V的稳定的参考电压.

图4 AD588引脚连线图

3.1.1电流缓冲模块

为使电路中有理想的电流，保证该电路获得最高的精度，电路在运放输出端最好增加电流缓冲器。

在这里我们使用2N2219A型的三极管作为缓冲器,与性能好精度高的运算放大器OP177构成反馈回路,并提供电桥所需的驱动电流。

OP177特点:●超低失调电压：局长= 25℃：25μV的最高

●杰出失调电压漂移0.1μV的/ ° C最大

●优秀的开环增益和增益线性12伏/μV的典型

●共模抑制比：130 dB最小

●电源抑制比：115 dB最小

●低电源电流二点〇毫安最高

●符合行业标准的精密运算放大器插座应用

3.1.4放大模块

在我们设计的信号调理电路中采用了增益范围较大, 且精度较高的AD620 芯片作

为高精度放大模块。其结构如图3所示：

Vout R

图5 AD620结构功能框图

AD620的特点及技术指标

1.易于使用

通过一个外部电阻设置增益(增益范围：1至10000)

宽电源电压范围(±2.3 V 至±18 V)具有比三运放IA 设计更高的性能 提供8引脚DIP 和SOIC 封装 低功耗,最大电源电流为1.3 mA 2.低噪声

输入电压噪声：9 nV/√Hz(1 kHz) 0.28 µV 峰峰值噪声(0.1 Hz 至10 Hz) 3.出色的直流性能(B 级) 输入失调电压：50 µV(最大值)

输入失调漂移：0.6 µV/°C(最大值) 输入偏置电流：1.0 nA(最大值) 共模抑制比：100 dB(最小值,G = 10) 4.出色的交流特性 带宽：120 kHz (G = 100) 0.01%建立时间：15 µs

该放大器的特点为： 差动输入， 单端输出。电压增益可由一个电阻 R G 来确定,且增益连续可调,并有效地解决了后级负载对地连接的问题。 Al 、A 2组成了同相高输入阻抗的差动输入，差动输出,并承担了全部的增益放大任务。由于电路结构对称， 增益改变时,输入阻抗不变。

反馈电阻R1=R2=24.7k ， 放大器A1、A2的共增益、失调、漂移等误差均得到了相互补偿．后级A3的增益为 1 ，具有较高的共模抑制比和抗干扰能力。 AD620引脚功能：

1、8：外界增益调节电阻； 2：反向输入端 3：同向输入端 4：负电源

R +IN

-VS

REF

G

图6 AD620芯片引脚图