称重传感器课程设计

燕山大学

课程设计说明书

题目：精密四应变片称重传感器信号调理电路设计

学院（系）：电气工程学院

年级专业： XX

学号： XX

学生姓名： XX

指导教师： XX

教师职称： XX

燕山大学课程设计（论文）任务书

院（系）：基层教学单位：

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

年月日

燕山大学课程设计评审意见表

第1章摘要 (1)

第2章引言 (2)

第3章基本原理 (3)

第4章参数设计及运算 (5)

结构设计 (5)

电容设计与计算 (8)

其他参数的计算…………………………………………………………………

测量电路的设计…………………………………………………………………

第5章误差分析 (14)

第6章结论 (16)

心得体会 (17)

参考文献 (18)

第1章摘要

在分析重力传感器信号特性的基础上，模块化地设计了称重传感器信号的调理电路并对其进行了仿真实验。结果表明：电路能实时、准确地处理信号，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2章引言

随着现代数据采集系统的不断发展，对高精度信号调理技术的要求也越来越高。由于传感器输出的信号往往存在温漂、信号比较小及非线性等问题，因此它的信号通常不能被控制元件直接接收，这样一来，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。

在称重传感器信号检测中，检测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。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。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3章电路结构设计

信号处理电路的要求分析

测量电阻有两种简单的方法：一种是在电阻上通过恒定电流，并测量电阻两端的电压，这需要精密电流源和精密电压表。电流的任何变化都将视为电阻的变化。此外，阻性传感器的功耗尽可能的小，以确保自身散热不造成误差。另一种是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。第一种方法要求驱动电流必须小，但是这又限制了该方法的测量精度。根据设计要求精密四应变片称重传感器应采用流行的电压驱动型电桥,既第二种方法,这样就确保了检测信号的精确度和线性度。

信号处理电路的结构设计

综合了称重传感器信号特性及仿真实验，按第二种方法设计了调理电路，其结构如图 1 所示。其中称重传感器采用传感器，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

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.

因此,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.为了充分利用传感器单元额外引脚带来的精度补偿,设计出了开尔文(或称4线)传感电路.它采用六线电压驱动型连接和精密运放,将导线电阻引起的误差降至最低,其结构如图2.所示.

图2 开尔文传感器系统

并未驱动电桥,而是先与上精密运放的输入端相连,该电路中激励电压V

该运放在电桥的(+)输入端构成反馈回路.尽管在+FORCE引脚处会受远程电缆

电阻的影响而出现明显压降,但是通过运放+SENSE引脚的反馈回路将自动校

.下精密运放驱正.该反馈网络的功能是保持远程电桥上节点电压为精确的V

动电桥的(-)输入端于此类似.同样的,-FORCE引脚处的压降将被来自-SENSE

引脚的反馈校正.

在这两种情况中,传感器引脚都与运放的高阻抗输入端相连,因此能够最

大限度的减小因偏置电流在导线电阻上引起的压降.运放能确保传感器引脚(+)和(-)始终等于V

,从而保证远程电桥所需的激励电压精确不变.

开尔文传感器电桥能有效抑制因导线电阻引起的误差.

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,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.

电流缓冲模块

在设计开尔文传感电路时,有一点非常特别.因为驱动-FORCE引脚可能要求运放输出为负电压,所以电路中的下运放必须采用双电源供电.电路中的电流相对较大(约30mA)所以该电路在运放输出端最好增加电流缓冲级.

参考源、传感器电阻以及运放的精度都将影响系统总体精度.虽然对运放的精确度要求是众所周知的,但是对运放输出电流的要求可能就被忽视了.通常要求电流大于数毫安(与标准的350Ω电桥相连).此时也需要运放缓冲.

因此为了使该电路获得最高的精度,最好使用缓冲器.由于该电桥信号是单向的,因此采用简单的一个三极管就可以实现缓冲.

在这里我们使用2N2219A型的三极管作为缓冲器,与OP177构成反馈回路,并提供电桥所需的驱动电流.该结构能确保运放的性能不受影响.

高精度放大器模块

在许多现代电子设备中, 如数据采集系统、医疗仪器、信号处理系统等需要对弱信号进行高精度处理的场合, 都较普遍地采用了仪器放大器, 常用的仪器放大器有传统的三运放仪器放大器和单片仪器放大器, 因单片仪器放大器具有高精度、低噪声及易于控制、设计简单等特点而成为设计者优选的对象。作为著名的模拟电路及数模混合电路的制造商AD 公司为设计者提供了许多性能优良的单片仪器放大器芯片, 如AD524、 AD620、 AD624 等已广泛应用到各种电路设计之中, 这些芯片的电气性能指标各不相同, 但设计方法大同小异。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:

-Vin

+Vin

Vout R1

R G

A3 Va

图3 AD620结构功能框图

AD620BN 特点

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(± 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 mA

低噪声

输入电压噪声：9 nV/√Hz(1 kHz)

μV 峰峰值噪声 Hz至10 Hz)

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：μV/°C(最大值)

输入偏置电流： nA(最大值)

共模抑制比：100 dB(最小值,G = 10)

出色的交流特性

带宽：120 kHz (G = 100)

%建立时间：15 μs

AD620BN 技术指标如表1.

表1

AD620 为一个低成本, 高精度的单片仪器放大器, 为 8 脚SO IC 塑封外形(图4)。

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= ，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。

尽管AD620 由传统的三运算放大器发展而成, 但一些主要性能却优于三运算放大器构成的仪表放大器的设计, 如电源范围宽(±～ ±18 V ) , 设计

R +IN

-VS REF

图 4 AD620芯片引脚

图

体积小, 功耗非常低(最大供电电流仅 mA ) , 因而适用于低电压、低功耗的应用场合。

AD620 的单片结构和激光晶体调整, 允许电路元件紧密匹配和跟踪, 从而保证电路固有的高性能。AD620 为三运放集成的仪表放大器结构, 为保护增益控制的高精度, 其输入端的三极管提供简单的差分双极输入, 并采用B

工艺获得更低的输入偏置电流, 通过输入级内部运放的反馈, 保持输入三极管的集电极电流恒定, 并使输入电压加到外部增益控制电阻R G 上。AD620 的两个内部增益电阻为Ω , 因而增益方程式为

49.41G K G R Ω

+ (1) 对于所需的增益, 则外部控制电阻值为

49.4

G R K G =

Ω- (2) R G 为外部增益调正,可在放大器的脚l 和脚8之间跨接此高精度电阻来满足所需要的放大倍数.采用放大器AD620,增益误差可≤％，非线性≤％。AD620由于体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，使AD620特别适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。从电路技术性能上来分析, AD620实际上是一种低功耗、高精度仪器用、宽带集成运算放大器。

第4章参数的计算

基本惠斯通电桥如图5所示:

图5 惠斯通电桥

其输出电压为:

121423O B R R V V R R R R ??=-

?++??

(3)

平衡时

如果

R R R R =

,那么0O V = 然而,对于大多数采用电桥的传感器应用来说,电桥中的一个或多个电阻的取值发生变化都意味着测量量的大小发生变化.因此输出电压的变化就反映了电阻值的变化.由于电阻变化通常较小,因此,即使采用V B =10V 的激励,输出电压也只能变化数十毫伏.

很多电桥应用中,通常变化的电阻不止一个,有可能是两个,甚至四个都变.而我们设计的是四应变片传感器,也就是说所有的元件都发生变化,其变化如图6所示:

图6 全器件变化型电桥

其输出电压为:

R O B R V V ??

???

(4)

应变片材料选用康铜,其灵敏度系数为～,取K=2;应变片电阻选用标称值为1K Ω的电阻;根据设计要求应变范围为～10000με;则由公式

K R ε?=

(5)

得

2100000.02R

K R

εμε?==?= 0.020.02120R R K ?==?Ω=Ω

所以我们选用40Ω的变阻器来模仿应变范围为～10000με的应变片.

5B V V =,由公式(4)得

2051001000O B R V V V mV R ?Ω????

==?=????Ω????

根据设计要求信号调理电路的输出电压的范围为0～,根据OUT O V GV =有仪用放大器的增益

2.525100OUT O V V

G V mV

== 根据公式(2)得

49.449.4

2.05831251

G R K K K G =

Ω=Ω=Ω-- 在我们设计的电路中选用一个固定的电阻1G R 和一个变阻器2G R 串联作为G R , 1G R 选用1%的值为2k Ω的标准电阻, 2G R 选用100Ω的变阻器。通过调节2G R 的大小，可以获得所需的增益。

第5章误差分析

AD620的误差分析

当仪表放大器工作在较高增益时，输入级的增益也提高。由于增益提高，输入级贡献的误差被放大，而输出级误差没变。因此，在高增益条件下，输入级误差起主要作用。

输入误差是由于放大器的输入级单独贡献的误差；输出误差是由于放大器的输出级引起的误差。我们常常将与输入端相关的误差分类和组合在一起，称作折合到输入端(RTI)误差，而将所有与输出端相关的误差则称之为折合到输出端(RTO)误差。

对于给定的增益，仪表放大器的输入误差和输出误差可使用以下公式计算∶

RTI 总误差= 输入误差 + 输出误差/增益 RTO 总误差= 增益×输入误差 + 输出误差

失调误差

可以利用在AD620BN 的技术指标页中列出的具体误差计算工作在增益为

25时的总失调电压误差。因为表中列出AD620(VOSI)的输入失调电压典型值为30μV ，它的输出失调电压(VOSO)为400μV ，所以RTI 总失调电压等于∶

RTI 总误差= VOSI ＋(VOSO/G) = 30μV ＋(400μV/25) = 30μV ＋16μV =46μV

RTO 总失调电压等于∶ RTO 总误差=G ×VOSI ＋VOSO = 25×30μV ＋400μV = 1150μV

应当注意RTO 误差值比RTI 误差值大25倍。从逻辑上讲，这应当是对的。因为当增益为25时，该仪表放大器的输出误差应当是其输入误差的25倍。

噪声误差

RTI 和 RTO 噪声误差的计算方法与失调误差的计算方法相同，即：输入噪声 = eni ，输出噪声 = eno

RTI 总噪声

RTO 总噪声AD620BN 的噪声典型值规定为 eni ＝9 nV/√Hz 和 eno ＝72 nV/√Hz 。因此，AD620BN 工作在增益为25条件下的 RTI 总噪声和RTO 总噪声计算如下：

RTI 总噪声 = 9.45=

RTO 总噪声=

236.24=

=当增益为25时，该仪表放大器的RTO 总噪声应当是其RTI 总噪声的25

倍。

电桥电阻的线性误差

单元件变化时

电桥终点线性度误差%2≈÷电阻变化量20100%21%1K Ω

?÷=Ω

我们设计的电桥为四应变片电桥,且对角的两个元件向相同方向变化,变化量相同,一个对角上增大,另一个对角等值减小。电阻产生的线性误差相互抵消，所以电桥总的线性误差为0。

OP177误差分析

最大25OS V V μ= 最大 1.5OS I n =A

6510min VOL A =?

VOL A 非线性0.07ppm = ～10Hz 噪声200nV =

第6章结论

对设计出来的电路进行仿真后电路图如图7 所示:

图7 multisim仿真图

并得出实验数据如表2:

根据表2中的数据以及设计要求,当应变在～10000με变化时,输出电压范围为～,实验结果在允许误差范围之内,满足线性要求.

心得体会

测控电路作为我们的主要专业课之一，在这次课程设计中我发现自己在一点一滴的努力中对电路设计的兴趣也在逐渐增加。

这次测控电路课程设计我们历时两个星期,对我来说学到的不仅是那些知识，更多的是团队和合作。现在想来，也许学校安排的课程设计有着它更深层的意义吧，它不仅仅让我们综合那些理论知识来运用到设计和创新，还让我们知道了一个团队凝聚在一起时所能发挥出的巨大潜能!

在两个星期后的今天我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结，虽然我们这次花去的时间比别人多，但我相信我们得到的也会更多!

作为一名检测专业的大三学生，我觉得做测控电路课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了。为了让自己的设计更加完善，查阅这方面的设计资料是十分必要的，同时也是必不可少的。

其次，在这次课程设计中，我们运用到了以前所学的专业课知识，如：multisim仿真软件、Microsoft Visio绘图、模拟和数字电路知识等。虽然过去从未独立应用过它们，但在学习的过程中带着问题去学我发现效率很高，这是我做这次课程设计的又一收获。

我觉得课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，但是更远一点可以联系到以后毕业之后从学校转到踏上社会的一个过程。小组人员的配合﹑相处，以及自身的动脑和努力，都是以后工作中需要的。

参考文献

1 强锡富. 传感器. 机械工业出版社，2001年

2 李科杰. 新编传感器技术手册. 国防工业出版社，2002年

3 贾伯年. 传感器技术. 东南大学出版社，1992年

4 杨宝清.孙宝元. 传感器及其应用手册. 2004年

5 单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用. 国防工业出版社. 1999年