稱重傳感器課程設計--- 精密四應變片稱重傳感器信號調理電路設計

1、<p>　　課 程 設 計 說 明 書</p><p>　　題目： 精密四應變片稱重傳感器信號調理電路設計 </p><p>　　學院（系）： 電氣工程學院 </p><p>　　年級專業(yè)： XX </p><p>　　學 號： XX

2、 </p><p>　　學生姓名： XX </p><p>　　指導教師： XX </p><p>　　教師職稱： XX </p><p>　　課程設計（論文）任務書</p><p>　　院（系）： 基層教學

3、單位： </p><p>　　說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。</p><p><b>　　年 月 日 </b></p><p><b>　　課程設計評審意見表</b></p><p><b>　　目 錄</b>

4、;</p><p>　　第1章 摘要…………………………………………………………………………………1</p><p>　　第2章 引言…………………………………………………………………………………2 </p><p>　　第3章 基本原理……………………………………………………………………………3</p><p>　　第4章 參數設計

5、及運算……………………………………………………………………5</p><p>　　4.1 結構設計……………………………………………………………………………5</p><p>　　4.2 電容設計與計算……………………………………………………………………8</p><p>　　4.3 其他參數的計算 …………………………………………………………………10<

6、;/p><p>　　4.4 測量電路的設計 …………………………………………………………………12</p><p>　　第5章 誤差分析 …………………………………………………………………………14</p><p>　　第6章 結論 ………………………………………………………………………………16</p><p>　　心得體會 ………………

7、……………………………………………………………………17</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………………………18</p><p><b>　　第1章 摘要</b></p><p>　　在分析重力傳感器信號特性的基礎上，模塊化地設計了稱重傳感器信號的調理電路并對其進行了仿真實驗。結果表明：電路能實時、

8、準確地處理信號，且工作穩(wěn)定，可靠，重復性好，抗干擾能力強，可實現精密測量的目的。</p><p><b>　　第2章 引言</b></p><p>　　隨著現代數據采集系統的不斷發(fā)展，對高精度信號調理技術的要求也越來越高。由于傳感器輸出的信號往往存在溫漂、信號比較小及非線性等問題，</p><p>　　因此它的信號通常不能被控制元件直接接收，

9、這樣一來，信號調理電路就成為數據采集系統中不可缺少的一部分，并且其電路設計的優(yōu)化程度直接關系</p><p>　　到數據采集系統的精度和穩(wěn)定性。</p><p>　　在稱重傳感器信號檢測中，檢測精度受到諸多因素的影響，其中電橋激勵電壓源的精度和穩(wěn)定度是影響信號精確度的重要因素之一。電橋輸出與激勵電壓成正比，因此，激勵電壓出現任何漂移都將導致電橋輸出出現相應的漂移。并且現場工作環(huán)境惡劣，可能

10、存在粉塵、振動、噪聲以及電磁干擾等，稱重傳感器輸出的幾百微伏至幾十毫伏信號極易受到干擾。所以研究抗干擾能力強、實時性好的信號變送和傳輸技術對保證檢測精度具有重要意義。</p><p><b>　　電路結構設計</b></p><p>　　3.1 信號處理電路的要求分析</p><p>　　測量電阻有兩種簡單的方法：一種是在電阻上通過恒定電流，

11、并測量電阻兩端的電壓，這需要精密電流源和精密電壓表。電流的任何變化都將視為電阻的變化。此外，阻性傳感器的功耗盡可能的小，以確保自身散熱不造成誤差。另一種是利用電阻電橋測量微小電阻變化，電橋由連成四邊形的四個電阻組成，其中一個對角接激勵電壓源，而另一個對角接電壓檢測器，檢測器將測量兩個分壓電阻中點間的電壓。這種電橋電路在實際中可以根據輸出電壓直接觀測出電阻差。第一種方法要求驅動電流必須小，但是這又限制了該方法的測量精度。根據設計要求精密四

12、應變片稱重傳感器應采用流行的電壓驅動型電橋,既第二種方法,這樣就確保了檢測信號的精確度和線性度。</p><p>　　3.2信號處理電路的結構設計</p><p>　　綜合了稱重傳感器信號特性及仿真實驗，按第二種方法設計了調理電路，其結構如圖 1 所示。其中稱重傳感器采用傳感器，提高檢測精度和使加卸載曲線對稱；調理電路采用5V參考電壓芯片AD588，使輸出為符合設計要求的電壓輸出，精密齊納

13、二極管型參考源AD588對溫度變化具有極低的激勵漂移和增益。調理模塊采用精確度高、使用簡易、噪聲低的儀用放大器AD620.保證了信號調理器的精確度和穩(wěn)定度。</p><p>　　圖1 信號調理模塊結構圖</p><p><b>　　3.2.1傳感模塊</b></p><p>　　全器件變化電橋通常采用分立設計,并組裝在一個模塊內.當對這類電橋進

14、行調理時,必須采用特殊的技術以確保精度.</p><p>　　特別需要注意的是必須確保電橋激勵電壓源的精度和穩(wěn)定度.電橋輸出與激勵電壓成正比,因此激勵電壓出現任何漂移都將導致電橋輸出出現相應的漂移.</p><p>　　因此,我們設計的精密四應變片稱重傳感器的電橋具有六個引腳:兩個與電橋輸出端相連,兩個與電橋激勵源相連,還有兩個是傳感器引腳.為了充分利用傳感器單元額外引腳帶來的精度補償,設

15、計出了開爾文(或稱4線)傳感電路.它采用六線電壓驅動型連接和精密運放,將導線電阻引起的誤差降至最低,其結構如圖2.所示.</p><p>　　圖2 開爾文傳感器系統</p><p>　　該電路中激勵電壓VB并未驅動電橋,而是先與上精密運放的輸入端相連,該運放在電橋的(+)輸入端構成反饋回路.盡管在+FORCE引腳處會受遠程電纜電阻的影響而出現明顯壓降,但是通過運放+SENSE引腳的反饋回路

16、將自動校正.該反饋網絡的功能是保持遠程電橋上節(jié)點電壓為精確的VB.下精密運放驅動電橋的(-)輸入端于此類似.同樣的,-FORCE引腳處的壓降將被來自-SENSE引腳的反饋校正.</p><p>　　在這兩種情況中,傳感器引腳都與運放的高阻抗輸入端相連,因此能夠最大限度的減小因偏置電流在導線電阻上引起的壓降.運放能確保傳感器引腳(+)和(-)始終等于VB,從而保證遠程電橋所需的激勵電壓精確不變.</p>

17、<p>　　開爾文傳感器電橋能有效抑制因導線電阻引起的誤差.</p><p><b>　　3.2.2穩(wěn)壓模塊</b></p><p>　　穩(wěn)壓模塊主要由比較先進的精密齊納二極管型參考源AD588構成,AD588具有較低的初始誤差,對溫度變化具有極低的激勵漂移和增益,用于精密測量,能夠為系統提供5V的穩(wěn)定的參考電壓.</p><p>

18、;　　3.2.3電流緩沖模塊</p><p>　　在設計開爾文傳感電路時,有一點非常特別.因為驅動-FORCE引腳可能要求運放輸出為負電壓,所以電路中的下運放必須采用雙電源供電.電路中的電流相對較大(約30mA)所以該電路在運放輸出端最好增加電流緩沖級.</p><p>　　參考源、傳感器電阻以及運放的精度都將影響系統總體精度.雖然對運放的精確度要求是眾所周知的,但是對運放輸出電流的要求可

19、能就被忽視了.通常要求電流大于數毫安(與標準的350Ω電橋相連).此時也需要運放緩沖.</p><p>　　因此為了使該電路獲得最高的精度,最好使用緩沖器.由于該電橋信號是單向的,因此采用簡單的一個三極管就可以實現緩沖.</p><p>　　在這里我們使用2N2219A型的三極管作為緩沖器,與OP177構成反饋回路,并提供電橋所需的驅動電流.該結構能確保運放的性能不受影響.</p&g

20、t;<p>　　3.2.4高精度放大器模塊</p><p>　　在許多現代電子設備中, 如數據采集系統、 醫(yī)療儀器、 信號處理系統等需要對弱信號進行高精度處理的場合, 都較普遍地采用了儀器放大器, 常用的儀器放大器有傳統的三運放儀器放大器和單片儀器放大器, 因單片儀器放大器具有高精度、 低噪聲及易于控制、 設計簡單等特點而成為設計者優(yōu)選的對象。作為著名的模擬電路及數?；旌想娐返闹圃焐藺D 公司為設計

21、者提供了許多性能優(yōu)良的單片儀器放大器芯片, 如AD524、 AD620、 AD624 等已廣泛應用到各種電路設計之中, 這些芯片的電氣性能指標各不相同, 但設計方法大同小異。在我們設計的信號調理電路中采用了增益范圍較大, 且精度較高的AD620 芯片作為高精度放大模塊。</p><p><b>　　其結構如圖3所示:</b></p><p>　　圖3 AD620結構

22、功能框圖</p><p>　　AD620BN 特點</p><p>　　易于使用通過一個外部電阻設置增益(增益范圍：1至10000)寬電源電壓范圍(±2.3 V至±18 V)具有比三運放IA設計更高的性能提供8引腳DIP和SOIC封裝低功耗,最大電源電流為1.3 mA </p><p>　　低噪聲輸入電壓噪聲：9 nV/√Hz(1

23、kHz)0.28 µV 峰峰值噪聲(0.1 Hz至10 Hz) </p><p>　　出色的直流性能(B級)輸入失調電壓：50 µV(最大值)輸入失調漂移：0.6 µV/°C(最大值)輸入偏置電流：1.0 nA(最大值)共模抑制比：100 dB(最小值,G = 10) </p><p>　　出色的交流特性帶寬：120 kHz (G = 1

24、00)0.01%建立時間：15 µs </p><p>　　AD620BN 技術指標如表1.</p><p><b>　　表1</b></p><p>　　AD620 為一個低成本, 高精度的單片儀器放大器, 為 8 腳SO IC 塑封外形(圖4)。</p><p>　　該放大器的特點為， 差動輸入， 單端輸

25、出。電壓增益可由一個電阻 RG來確定,且增益連續(xù)可調,并有效地解決了后級負載對地連接的問題。 Al 、A 2組成了同相高輸入阻抗的差動輸入，差動輸出,并承擔了全部的增益放大任務。由于電路結構對稱， 增益改變時,輸入阻抗不變。</p><p>　　反饋電阻R1=R2=24.7k ， 放大器A1、A2的共增益、失調、漂移等誤差均得到了相互補償．后級A3的增益為 1 ，具有較高的共模抑制比和抗干擾能力。 &l

26、t;/p><p>　　盡管AD620 由傳統的三運算放大器發(fā)展而成, 但一些主要性能卻優(yōu)于三運算放大器構成的儀表放大器的設計, 如電源范圍寬(±2.3～ ±18 V ) , 設計體積小, 功耗非常低(最大供電電流僅1.3 mA ) , 因而適用于低電壓、 低功耗的應用場合。</p><p>　　AD620 的單片結構和激光晶體調整, 允許電路元件緊密匹配和跟蹤, 從而保證電

27、路固有的高性能。AD620 為三運放集成的儀表放大器結構, 為保護增益控制的高精度, 其輸入端的三極管提供簡單的差分雙極輸入, 并采用B</p><p>　　工藝獲得更低的輸入偏置電流, 通過輸入級內部運放的反饋, 保持輸入三極管的集電極電流恒定, 并使輸入電壓加到外部增益控制電阻R G 上。AD620 的兩個內部增益電阻為24.7KΩ , 因而增益方程式為</p><p><b&g

28、t;　　(1)</b></p><p>　　對于所需的增益, 則外部控制電阻值為</p><p><b>　　(2)</b></p><p>　　RG為外部增益調正,可在放大器的腳l和腳8之間跨接此高精度電阻來滿足所需要的放大倍數.采用放大器AD620,增益誤差可≤0.01％，非線性≤0.002％。AD620由于體積小、功耗低、噪聲

29、小及供電電源范圍廣等特點，使AD620特別適宜應用到諸如傳感器接口、心電圖監(jiān)測儀、 精密電壓電流轉換等應用場合。從電路技術性能上來分析, AD620實際上是一種低功耗、高精度儀器用、寬帶集成運算放大器。 </p><p><b>　　參數的計算</b></p><p>　　基本惠斯通電橋如圖5所示:</p><p><b>　　圖5

30、 惠斯通電橋</b></p><p><b>　　其輸出電壓為:</b></p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　平衡時</b></p><p><b>　　如果,那么</b></p><p&

31、gt;　　然而,對于大多數采用電橋的傳感器應用來說,電橋中的一個或多個電阻的取值發(fā)生變化都意味著測量量的大小發(fā)生變化.因此輸出電壓的變化就反映了電阻值的變化.由于電阻變化通常較小,因此,即使采用VB=10V的激勵,輸出電壓也只能變化數十毫伏.</p><p>　　很多電橋應用中,通常變化的電阻不止一個,有可能是兩個,甚至四個都變.而我們設計的是四應變片傳感器,也就是說所有的元件都發(fā)生變化,其變化如圖6所示:<

32、;/p><p>　　圖6 全器件變化型電橋</p><p><b>　　其輸出電壓為:</b></p><p><b>　　(4)</b></p><p>　　應變片材料選用康銅,其靈敏度系數為1.9～2.1,取K=2;應變片電阻選用標稱值為的電阻;根據設計要求應變范圍為0.1～10000;則由公式&l

33、t;/p><p><b>　　(5)</b></p><p><b>　　得</b></p><p>　　所以我們選用的變阻器來模仿應變范圍為0.1～10000的應變片.</p><p><b>　　,由公式(4)得</b></p><p>　　根據設計要求

34、信號調理電路的輸出電壓的范圍為0～2.5V,根據有儀用放大器的增益</p><p><b>　　根據公式(2)得</b></p><p>　　在我們設計的電路中選用一個固定的電阻和一個變阻器串聯作為, 選用1%的值為的標準電阻, 選用的變阻器。通過調節(jié)的大小，可以獲得所需的增益。</p><p><b>　　第5章 誤差分析<

35、/b></p><p>　　5.1 AD620的 誤差分析</p><p>　　當儀表放大器工作在較高增益時，輸入級的增益也提高。由于增益提高，輸入級貢獻的誤差被放大，而輸出級誤差沒變。因此，在高增益條件下，輸入級誤差起主要作用。</p><p>　　輸入誤差是由于放大器的輸入級單獨貢獻的誤差；輸出誤差是由于放大器的輸出級引起的誤差。我們常常將與輸入端相關的誤

36、差分類和組合在一起，稱作折合到輸入端(RTI)誤差，而將所有與輸出端相關的誤差則稱之為折合到輸出端(RTO)誤差。</p><p>　　對于給定的增益，儀表放大器的輸入誤差和輸出誤差可使用以下公式計算∶ </p><p>　　RTI總誤差= 輸入誤差 + 輸出誤差/增益</p><p>　　RTO總誤差= 增益×輸入誤差 + 輸出誤差</p>

37、<p>　　5.1.1失調誤差 </p><p>　　可以利用在AD620BN的技術指標頁中列出的具體誤差計算工作在增益為25時的總失調電壓誤差。因為表中列出AD620(VOSI)的輸入失調電壓典型值為30μV，它的輸出失調電壓(VOSO)為400μV，所以RTI總失調電壓等于∶ </p><p>　　RTI總誤差= VOSI＋(VOSO/G) </p><

38、p>　　= 30μV＋(400μV/25) </p><p>　　= 30μV＋16μV </p><p><b>　　=46μV </b></p><p>　　RTO總失調電壓等于∶ </p><p>　　RTO總誤差=G×VOSI＋VOSO </p><p>　　= 25

39、15;30μV＋400μV </p><p><b>　　= 1150μV </b></p><p>　　應當注意RTO誤差值比RTI誤差值大25倍。從邏輯上講，這應當是對的。因為當增益為25時，該儀表放大器的輸出誤差應當是其輸入誤差的25倍。</p><p>　　5.1.2噪聲誤差 </p><p>　　RTI 和 R

40、TO 噪聲誤差的計算方法與失調誤差的計算方法相同，即： </p><p>　　輸入噪聲 = eni，輸出噪聲 = eno </p><p>　　RTI 總噪聲 = </p><p><b>　　RTO 總噪聲= </b></p><p>　　AD620BN的噪聲典型值規(guī)定為 eni＝9 nV/√Hz 和 eno ＝7

41、2 nV/√Hz。因此，AD620BN工作在增益為25條件下的 RTI 總噪聲和RTO 總噪聲計算如下： </p><p>　　RTI 總噪聲 = </p><p>　　RTO 總噪聲= </p><p>　　當增益為25時，該儀表放大器的RTO總噪聲應當是其RTI總噪聲的25倍。</p><p>　　5.2電橋電阻的線性誤差</p&

42、gt;<p><b>　　單元件變化時</b></p><p><b>　　電橋終點線性度誤差</b></p><p>　　我們設計的電橋為四應變片電橋,且對角的兩個元件向相同方向變化,變化量相同,一個對角上增大,另一個對角等值減小。電阻產生的線性誤差相互抵消，所以電橋總的線性誤差為0。</p><p>　　

43、5.3 OP177誤差分析</p><p><b>　　最大</b></p><p><b>　　最大</b></p><p><b>　　非線性</b></p><p>　　0.1～10Hz噪聲</p><p><b>　　第6章 結論&l

44、t;/b></p><p>　　對設計出來的電路進行仿真后電路圖如圖7 所示:</p><p>　　圖7 multisim仿真圖</p><p>　　并得出實驗數據如表2:</p><p>　　根據表2中的數據以及設計要求,當應變在0.1～10000με變化時,輸出電壓范圍為0.00000～2.50010V,實驗結果在允許誤差范圍之內,

45、滿足線性要求.</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　測控電路作為我們的主要專業(yè)課之一，在這次課程設計中我發(fā)現自己在一點一滴的努力中對電路設計的興趣也在逐漸增加。 </p><p>　　這次測控電路課程設計我們歷時兩個星期,對我來說學到的不僅是那些知識，更多的是團隊和合作。現在想來，也許學校安排的課程設計有著它更

46、深層的意義吧，它不僅僅讓我們綜合那些理論知識來運用到設計和創(chuàng)新，還讓我們知道了一個團隊凝聚在一起時所能發(fā)揮出的巨大潛能! </p><p>　　在兩個星期后的今天我已明白課程設計對我來說的意義，它不僅僅是讓我們把所學的理論知識與實踐相結合起來，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，更重要的是同學間的團結，雖然我們這次花去的時間比別人多，但我相信我們得到的也會更多!</p><p>　

47、　作為一名檢測專業(yè)的大三學生，我覺得做測控電路課程設計是十分有意義的，而且是十分必要的。在已度過的大學時間里，我們大多數接觸的是專業(yè)課。我們在課堂上掌握的僅僅是專業(yè)課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所學的專業(yè)基礎課理論知識運用到實踐中去呢？我想做類似的課程設計就為我們提供了良好的實踐平臺。 </p><p>　　在做本次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設計資料了。為了讓自己的設計

48、更加完善，查閱這方面的設計資料是十分必要的，同時也是必不可少的。</p><p>　　其次，在這次課程設計中，我們運用到了以前所學的專業(yè)課知識，如：multisim仿真軟件、Microsoft Visio繪圖、模擬和數字電路知識等。雖然過去從未獨立應用過它們，但在學習的過程中帶著問題去學我發(fā)現效率很高，這是我做這次課程設計的又一收獲。</p><p>　　我覺得課程設計反映的是一個從理論到

49、實際應用的過程，但是更遠一點可以聯系到以后畢業(yè)之后從學校轉到踏上社會的一個過程。小組人員的配合﹑相處，以及自身的動腦和努力，都是以后工作中需要的。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1 強錫富. 傳感器. 機械工業(yè)出版社，2001年</p><p>　　2 李科杰. 新編傳感器技術手冊. 國防工業(yè)出版社，200