本發(fā)明涉及檢測(cè)技術(shù)及自動(dòng)化裝置領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種微弱應(yīng)變電橋信號(hào)變換用變送器儀表。

背景技術(shù)：

電阻應(yīng)變式傳感器被廣泛應(yīng)用于力、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)的測(cè)量，其基本原理是彈性體(彈性元件、敏感梁等)在外力作用下產(chǎn)生彈性形變，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生形變，電阻應(yīng)變片形變后，其阻值將發(fā)生變化(增大或減小)，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路(惠更斯電橋)把阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，從而完成了將與力相關(guān)的參數(shù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程，其典型應(yīng)用就是電子稱(chēng)重設(shè)備。

但是，多數(shù)電阻式應(yīng)變電橋輸出電壓信號(hào)靈敏度較低，電壓變化量較小，且零點(diǎn)偏移量較大，甚至和電壓變化量相當(dāng)，后繼信號(hào)調(diào)理及變換難度較大，以市面購(gòu)買(mǎi)的某型號(hào)懸臂梁應(yīng)變橋式1kg量程稱(chēng)重傳感器為例，當(dāng)采用參考電流I_ref＝1.6mA的電流橋時(shí)，經(jīng)測(cè)試，稱(chēng)重量在0～800g變化時(shí)，其零點(diǎn)漂移達(dá)到了1.3mV，最大輸出變化量?jī)H為1.0mV。

工業(yè)上最廣泛采用的是4～20mA電流來(lái)傳輸模擬量，因電流信號(hào)不容易受干擾，而且電流源的內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不會(huì)對(duì)精度造成影響，從而可以實(shí)現(xiàn)數(shù)百米的傳輸。因此，工業(yè)上通常需要將微弱應(yīng)變電橋信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA電流進(jìn)行傳輸，而上述傳感器輸出電壓變化微小，零點(diǎn)偏移量較大，無(wú)疑為信號(hào)的調(diào)理和變換增加了難度，通常需要采用高精度ADC進(jìn)行采樣和微處理器進(jìn)行處理，或者配備廠家提供的三線制處理電路模塊來(lái)進(jìn)行變換，其電路復(fù)雜、成本高、接線較兩線制儀表復(fù)雜。

搜索電流型變送器相關(guān)專(zhuān)利文獻(xiàn)，伍正輝、龍霞等人發(fā)明的高溫熔體自動(dòng)調(diào)零壓力變送器采用了微處理器及軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度自動(dòng)調(diào)整及4～20mA電流輸出；王可崇發(fā)明的應(yīng)變式位移檢測(cè)元件的力平衡式變送器，其整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，信號(hào)調(diào)理及變換電路本身無(wú)法自動(dòng)將電阻應(yīng)變橋零點(diǎn)偏移掉，且該發(fā)明要求電橋輸出電壓上下限滿(mǎn)足1∶5的數(shù)量關(guān)系(即零點(diǎn)偏移量和電壓變化量滿(mǎn)足1∶4數(shù)量關(guān)系)，需要通過(guò)一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)平衡裝置來(lái)完成轉(zhuǎn)換并保證測(cè)量精度和線性度。而本發(fā)明則通過(guò)簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)理、放大、調(diào)整及V/I變換電路實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的高倍數(shù)放大及零點(diǎn)偏移，無(wú)需高精度AD采集加數(shù)字處理或復(fù)雜反饋平衡裝置即可獲得較高的轉(zhuǎn)換精度和線性度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種兩線制電流型變送器，其可以對(duì)電壓變化量小到若干毫伏且零點(diǎn)偏移電壓與變化量相當(dāng)(甚至電壓變化量小于零點(diǎn)偏移量)的應(yīng)變電橋測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理、變換和輸出。

為了解決所述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種兩線制微弱應(yīng)變電橋信號(hào)變送器，其特征是采用純模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和變換，其包括微弱應(yīng)變電橋、差動(dòng)放大電路、零點(diǎn)偏移電路、V/I轉(zhuǎn)換模塊、電源及輸出回路等組成。傳感器電橋輸出的微弱且具有零點(diǎn)偏移的電壓信號(hào)輸入到第一差動(dòng)放大器進(jìn)行一級(jí)放大，其輸出電壓再和零點(diǎn)偏移調(diào)整電路輸出的電壓進(jìn)行第二級(jí)差動(dòng)放大，其輸出電壓再輸入到V/I轉(zhuǎn)換模塊，在輸出電流調(diào)整量的控制下轉(zhuǎn)換為4～20mA電流輸出，通過(guò)電位器可以方便地調(diào)整零點(diǎn)偏移量及輸出放大倍數(shù)，且可消除運(yùn)算放大器失調(diào)電壓、失調(diào)電流對(duì)微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度的影響。

優(yōu)選的是，所述變送器的應(yīng)變電橋、差動(dòng)放大電路、零點(diǎn)偏移調(diào)整等處理電路所需要的電源及參考均由V/I轉(zhuǎn)換模塊提供，無(wú)需另外提供電源，系統(tǒng)還帶有應(yīng)變電橋輸出非線性自動(dòng)補(bǔ)償功能，通過(guò)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，前述處理電路耗電小于4mA，可實(shí)現(xiàn)以4mA為零點(diǎn)的兩線制供電及輸出。

優(yōu)選的是，所述變送器還包括供電及輸出回路，在輸出回路只要接入24V直流電源，便可輸出電流信號(hào)，且輸出回路具有反接保護(hù)，電源可按任意方向接入回路。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

(1)對(duì)電壓變化量小到若干毫伏且零點(diǎn)偏移電壓與變化量相當(dāng)(甚至電壓變化量小于零點(diǎn)偏移量)的應(yīng)變電橋測(cè)量信號(hào)，本發(fā)明可以有效且精密地變換為4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行輸出。

(2)采用純模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和變換，無(wú)需高精度AD采集加數(shù)字處理或復(fù)雜反饋平衡裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。

(3)零點(diǎn)偏移和輸出放大倍數(shù)調(diào)整方便，放大器失調(diào)電壓、失調(diào)電流對(duì)微弱信號(hào)的轉(zhuǎn)換精度無(wú)影響，帶有非線性自動(dòng)補(bǔ)償，測(cè)量精度和線性度高。

(4)兩線制供電和輸出，變送器無(wú)正負(fù)極區(qū)分，接線方便、簡(jiǎn)單，方便遠(yuǎn)程傳輸。

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過(guò)下面的說(shuō)明體現(xiàn)，部分還將通過(guò)對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述的兩線制微弱應(yīng)變電橋信號(hào)變送器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的兩線制微弱應(yīng)變電橋信號(hào)變送器的電路圖。

圖3(a)和(b)分別為設(shè)計(jì)實(shí)例在無(wú)補(bǔ)償電阻R_LIN和補(bǔ)償電阻R_LIN＝9.33kΩ時(shí)，被測(cè)量和輸出電流之間的變化關(guān)系曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說(shuō)明書(shū)文字能夠據(jù)以實(shí)施。

應(yīng)當(dāng)理解，本文所使用的諸如“具有”、“包含”以及“包括”術(shù)語(yǔ)并不排除一個(gè)或多個(gè)其它元件或其組合的存在或添加。

本發(fā)明提供一種兩線制微弱應(yīng)變電橋信號(hào)變送器，采用純模擬電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和變換，其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括微弱應(yīng)變電橋1、第一差動(dòng)放大器2、零點(diǎn)偏移調(diào)整電路3、第二差動(dòng)放大器4、輸出電流調(diào)整電路5、V/I轉(zhuǎn)換模塊6、電源及輸出回路7等組成。

變送器工作原理為：微弱應(yīng)變電橋1輸出的微弱且具有零點(diǎn)偏移的電壓信號(hào)輸入到第一差動(dòng)放大器2進(jìn)行一級(jí)放大，其輸出電壓再和零點(diǎn)偏移調(diào)整電路3輸出的電壓一起輸入第二差動(dòng)放大器4進(jìn)行第二級(jí)差動(dòng)放大，其輸出電壓再輸入到V/I轉(zhuǎn)換模塊6，在輸出電流調(diào)整電路5的控制作用下轉(zhuǎn)換為4～20mA電流通過(guò)輸出回路7輸出，其中，通過(guò)電位器可以方便地調(diào)整零點(diǎn)偏移量及輸出放大倍數(shù)。

如圖2所示為一種兩線制微弱應(yīng)變電橋信號(hào)變送器的實(shí)例，即具體實(shí)施電路。該實(shí)例電路是一個(gè)對(duì)某型號(hào)懸臂梁應(yīng)變橋式稱(chēng)重傳感器進(jìn)行4～20mA電流變換的二線制變送器。

實(shí)例采用的懸臂梁應(yīng)變橋式稱(chēng)重傳感器最大量程為1kg，當(dāng)采用參考電流I_ref＝1.6mA的電流橋時(shí)在懸臂梁上施加0～800g重物，輸出電壓變化范圍為1.3～2.3mV，符合零點(diǎn)偏移大，測(cè)量電壓變化小于零點(diǎn)偏移量的特點(diǎn)。

所述第一差動(dòng)放大器2及第二差動(dòng)放大器4均采用低成本、高精度、低功耗儀表放大器AD627，其增益范圍為1～1000，且僅需要一個(gè)外部電阻來(lái)設(shè)置增益，其中，第一差動(dòng)放大器AD627對(duì)電橋輸出的1.3～2.3mV差動(dòng)電壓進(jìn)行初級(jí)放大，R_c為其增益調(diào)整電阻，采用3296封裝的1kΩ電位器，調(diào)整電位器R_c的阻值，將增益調(diào)整為約500，使其輸出對(duì)地電壓范圍約為0.65～1.15V。

所述V/I轉(zhuǎn)換模塊6采用單芯集成的4～20mA電流源芯片XTR105，其具有很低的調(diào)整性誤差，具有兩個(gè)0.8mA高精度的鏡像電流源和一個(gè)5.1V、1mA輸出容量的基準(zhǔn)電壓源，設(shè)計(jì)將兩個(gè)電流源并聯(lián)后向微變電橋提供1.6mA電流基準(zhǔn)從而構(gòu)成電流型電橋，可輸出1.3～2.3mV測(cè)量信號(hào)，而通過(guò)5.1V、1mA容量的基準(zhǔn)電壓源向兩個(gè)AD627儀表放大器及調(diào)整電路供電。

所述零點(diǎn)偏移調(diào)整電路3由一個(gè)5MΩ固定電阻及一個(gè)1MΩ電位器串聯(lián)并接在5.1V基準(zhǔn)電壓源上，電位器中心抽頭輸出調(diào)整電壓，其調(diào)整電壓可在0～0.85V范圍內(nèi)變化，該電壓可以較高的精度抵消0.65V零點(diǎn)偏移電壓，且該回路的電流僅為0.85μA，功耗極低。

所述第二差動(dòng)放大器4(AD627)將第一差動(dòng)放大器輸出的電壓和零點(diǎn)偏移調(diào)整電壓進(jìn)行差分放大，不連接增益設(shè)置電阻，放大倍數(shù)為1。圖2中，1kΩ電位器R_CM及與其并聯(lián)的0.01μF電容接在電橋參考地端和XTR105的6腳之間，形成電橋電源回路，同時(shí)，電橋參考地端(即R_CM的左端)接至第二差動(dòng)放大器4的5端(輸出參考端)和V/I轉(zhuǎn)換模塊XTR105的2端(輸入電壓參考端)，第二差動(dòng)放大器4的6端輸出約1.25～1.75V的對(duì)地電壓，即通過(guò)電橋的1.6mA電流在R_CM上形成的壓降提高了輸出電壓起點(diǎn)但同時(shí)巧妙地為XTR105芯片提供了其所要求的最低1.25V的輸入共模電壓。

所述經(jīng)第二差動(dòng)放大器4放大后的電壓以差動(dòng)電壓的形式輸入到XTR105的13端(+V_IN)和2端(-V_IN)之間，XTR105自動(dòng)將共模1.25V、差模0～0.5V范圍變化的電壓變換為4mA為起始的電流信號(hào)，其輸入輸出關(guān)系為

I_o＝4+40·V_IN/R_G (1)

式中，I_o為輸出電流，單位為mA；V_IN為輸入差模電壓，單位為V；R_G為所述輸出電流調(diào)整電路5，也即XTR105的增益調(diào)整電阻值，單位為Ω，其可以在0～2000Ω內(nèi)調(diào)整，將輸出電流調(diào)整電阻R_G調(diào)整到約1250Ω可使得其輸出電流變化范圍設(shè)置在4～20mA內(nèi)。

所述電源及輸出回路7連接了NPN型三極管Q₁(BU406)，以提高其輸出能力，減少XTR105芯片發(fā)熱，其B極和XTR105的9端相連，C極和XTR105的10端相連，E極和XTR105的8端相連。24V直流電源通過(guò)電流環(huán)路為芯片供電，同時(shí)電路中設(shè)置的D1～D4采用IN4148二極管構(gòu)成整流橋，可防止電源反接，使得該變送器電源接線方向可任意交換，并且連接D5(采用36V齊納二極管1N4753)，可吸收浪涌電流，起到過(guò)壓保護(hù)作用，輸出回路連接的0.1μF電容起到穩(wěn)壓作用，最終在電源、整流橋、XTR105和BU406、負(fù)載R_L上組成的回路中流過(guò)4～20mA電流。

更進(jìn)一步地，XTR105的12端(V_LIN)和應(yīng)變電橋輸出正壓端之間通過(guò)20kΩ的電位器R_LIN連接在一起，將XTR105提供的非線性補(bǔ)償電流經(jīng)補(bǔ)償電阻R_LIN輸入到應(yīng)變電橋的左下橋臂，用以對(duì)應(yīng)變電橋的輸出變化量進(jìn)行非線性自動(dòng)補(bǔ)償，將R_LIN阻值調(diào)整到合適的值可顯著提高輸出線性度和輸出精度，圖3(a)和(b)分別為設(shè)計(jì)實(shí)例(即800g量程懸臂梁應(yīng)變橋式稱(chēng)重變送器)在無(wú)補(bǔ)償電阻R_LIN和調(diào)整補(bǔ)償電阻R_LIN＝9.33kΩ時(shí)，被測(cè)量和輸出電流之間的變化關(guān)系曲線。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開(kāi)如上，但其并不僅僅限于說(shuō)明書(shū)和實(shí)施方式中所列運(yùn)用。它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域。對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改。因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。