CN102252700B

CN102252700B - 微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪

Info

Publication number: CN102252700B
Application number: CN2011101109489A
Authority: CN
Inventors: 文丰; 常旭青; 闫树斌; 李圣昆; 鲍爱达; 周振; 王二伟; 莫润泉
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-04-29
Filing date: 2011-04-29
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2031-04-29
Also published as: CN102252700A

Abstract

本发明涉及生化传感器检测技术领域，具体为一种微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪。本发明解决了传统微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪因机械电位器接触不良或磨耗导致无法自动调零或调零精度低且内部电桥两输出端的增益值无法调整的问题。微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪，包括微悬臂梁压阻电桥式传感器、第一差分放大器、滤波器、电压跟随器、单片机、计算机、以及LCD显示器；数模转换器的高速同步串行口输入端与单片机的高速同步串行口输出端相连，数模转换器的微调信号输出端与地之间连接有由第三电阻和第四电阻串联而成的分压电路。本发明结构合理、设计巧妙，体积小、功耗低、通用性强，可广泛适用于生化检测、汽车、气象及许多工业设备中。

Description

微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪

技术领域

本发明涉及生化传感器检测技术领域，具体为一种微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪。

背景技术

微悬臂梁压阻电桥式传感器主要应用在汽车、气象及许多工业设备中，在生化领域，它可以采用自组装技术在微悬臂梁上修饰不同特殊成份对DNA、各种抗原、病毒、有机物及各种生化物质进行浓度检测。微悬臂梁压阻电桥式传感器的工作原理是在悬臂梁上采用MEMS工艺得到压敏电阻形成内部电桥，通过检测内部电桥输出的差分信号的方法得到悬臂梁的变化量,再通过一定的计算从而得到被测物质的浓度。由于工艺的原因很难保证内部电桥中电阻的绝对一致性，所以内部电桥不能完全平衡，即在没有被测物质时传感器输出零位差分信号不为零；同时传感器的悬臂梁微弯曲导致压敏电阻的变化很微弱，要获得被测信号通常必须进行较大的增益差分放大，如果电桥的输出零位不进行补偿调零而直接放大，则在大增益时差动运放输出会饱和从而不能进行有效测试，所以一种针对该问题的微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪显得尤为必要。

如图2所示，传统微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪包括微悬臂梁压阻电桥式传感器1、第一差分放大器2、滤波器4、电压跟随器5、单片机6、串口转USB芯片10、方形USB接口11、计算机12、以及LCD显示器13；微悬臂梁压阻电桥式传感器的内部电桥两输出端与第一差分放大器的同相输入端和反相输入端相连，第一差分放大器的输出端与滤波器的输入端相连；滤波器的输出端与电压跟随器的输入端相连；电压跟随器的输出端与单片机的模数信号采集端相连，单片机的串行口端通过串口转USB芯片和方形USB接口与计算机相连，单片机的显示接口端与LCD显示器相连；微悬臂梁压阻电桥式传感器的内部电桥中有两个桥臂的一端与地相连，该两个桥臂的另一端作为微悬臂梁压阻电桥式传感器的输出端，另两个桥臂的另一端与电源相连；微悬臂梁压阻电桥式传感器的内部电桥中一端与地连接的任一个桥臂的接地一端串联有滑动变阻器，通过调节滑动变阻器的阻值使得内部电桥两输出端的电压达到平衡。但是由于传统的机械可调电位器受制造材料和制造工艺的限制，其滑桥臂存在接触不良或磨耗问题，而接触不良是电路产生噪声和干扰的来源之一。严重的接触不良可能使大功率的后续电路和执行机构受到过大的电冲击，从而导致电路瞬态振荡或设备损坏；并且使用机械电位器不能由控制器自动精确控制电位器输出阻值，而达不到电桥自动高精度调零的目的，这就要求针对每一个传感器都必须手动调节调节，这样得到的信号精度往往都不是很高，很难实现真正的调零，而且受温度、湿度等影响使得压阻桥式传感器的微弱信号精确检测有很大难度。在内部电桥调平以后，需要对内部电桥两输出端的电压进行增益差分放大后进行浓度检测，传统的方法是对第一差分差分放大器外接放大电阻，而这样使得电压的放大倍数为固定值，从而无法根据内部电桥电压信号的大小自动调节放大倍数，限制了检测仪的动态范围和检测精度。

发明内容

本发明为了解决传统微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪因机械电位器接触不良或磨耗导致无法自动调零或调零精度低且内部电桥两输出端的增益值无法根据被测对象动态调整的问题，提供了一种闭环高精度自动调零和闭环自动增益调整的微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪，特别适合生化传感器微弱信号的高精度检测，也可以推广到其它领域的微悬臂梁压阻电桥式传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪包括微悬臂梁压阻电桥式传感器、第一差分放大器、滤波器、电压跟随器、单片机、计算机、以及LCD显示器；微悬臂梁压阻电桥式传感器的内部电桥两输出端分别与第一差分放大器的同相输入端和反相输入端相连，第一差分放大器的输出端与滤波器的输入端相连；滤波器的输出端与电压跟随器的输入端相连；电压跟随器的输出端与单片机的模数信号采集端相连，单片机的串行口端与计算机相连，单片机的显示接口端与LCD显示器相连；还包括数模转换器、第三差分放大器、以及稳压电源；数模转换器的高速同步串行口输入端与单片机的高速同步串行口输出端相连，数模转换器的微调信号输出端与地之间连接有由第三电阻和第四电阻串联而成的分压电路；第三电阻和第四电阻之间的节点与第三差分放大器的反相输入端相连，第三差分放大器的参考电源端与数模转换器的粗调信号输出端相连，第三差分放大器的同相输入端与稳压电源相连，信号输出端与微悬臂梁压阻电桥式传感器内部电桥的一端接地的任一个桥臂的接地端相连；微悬臂梁压阻电桥式传感器内部电桥一端接地的任一个桥臂的接地端与地之间分别串联有第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1或第二电阻R2与与其相连的桥臂之间的连接节点与第三差分放大器8的信号输出端相连。

本发明在微悬臂梁压阻电桥式传感器内部电桥一端接地的任一个桥臂的接地端与地之间分别串联有第一电阻R1和第二电阻R2，起到了限制电流的作用，避免传感器在电流过大的时候因温度升高而影响采集精度；并且通过第一电阻R1或第二电阻R2与与其相连的桥臂之间的连接节点与第三差分放大器8的信号输出端相连使第三放大器给其中一个桥臂提供一个电压，这样为把内部电桥的电阻不平转换为用电压调节提供了参考点。本发明采用高分辨率的数模转换器代替传统的电位器，提高了电桥调平精度。单片机内部集成模数转换器采集内部电桥两输出端的电压经第一差分放大器、滤波器、以及电压跟随器后的信号进行分析对比，进行多次采样比较，然后控制数模转换器对内部电桥的两输出端电压进行粗调和微调两级调平：粗调是使用数模转换器产生一个基准电压提供给第三差分放大器的参考电源端；微调是使用数模转换器产生电压后采用比例电阻R3、R4（100:1）细分的方法达到6mV的分辨率（通过分压后的电压来调节第三差分放大器的反向输入端从而实现第三差分放大器的输出端电压的精密调节）。因第三差分放大器的放大倍数是1倍（所有差分放大器不外接放大电阻时放大倍数均为1），则第三差分差分放大器的输出电压由以下公式给出：

；

当电桥两输出端的电压差大于单片机中的设定值时进行粗调，单片机通过数模转换器提供给一个定值，同时单片机通过数模转换器调节

的值；当电桥两输出端的电压差小于给定值时再进行细调，单片机通过数模转换器使得

保持不变，同时单片机通过数模转换器经由第三电阻和第四电阻组成的分压电路调节

的值；当通过将第三差分放大器的输出电压加到内部电桥的一端接地的任一个桥臂的接地端电压而使得内部电桥的两输出端电压差为零时，微悬臂梁压阻电桥式传感器内部电桥达到平衡。

进一步地，在第一差分放大器与滤波器之间增设有第二差分放大器，第一差分放大器的输出端与第二差分放大器的同相输入端相连，第一差分放大器的参考电源端同时与第二差分放大器的反相输入端及第二差分放大器的参考电源端相连，第二差分放大器的输出端与滤波器相连；第一差分放大器的放大电阻端与数字电位器的第一放大电阻端相连；数字电位器的第二放大电阻端与第二差分放大器的放大电阻端相连，数字电位器的信号输入端与单片机的信号输出端相连。在内部电桥调平以后，进行被测物浓度检测时，单片机通过数字电位器给第一差分放大器和第二差分放大器预设放大倍数。由于第一差分放大器和第二差分放大器的电压放大倍数由所接放大电阻决定，所以可通过数字电位器来灵活的调节第二差分放大器和第三差分放大器的放大倍数。当内部电桥两输出端电压幅值很大时，降低放大倍数；当内部电桥两输出端电压幅值较小时，通过增大放大倍数来使得到的电压值总是在一个合适的范围内进行显示；而且计算机还可通过专用软件控制电压信号的放大倍数，使其灵活地调节，从而实现了根据内部电桥电压信号的大小自动调节放大倍数。

本发明中单片机通过对微悬臂梁压阻电桥式传感器内部电桥两输出端的电压经第一差分放大器、第二差分放大器、滤波器、以及电压跟随器后的信号进行采集、分析对比，如果内部电桥不平衡，可以通过单片机控制数模转换器进行内部电桥调平，形成了一个闭环自动高精度电桥零位***；当内部电桥调平以后，内部电桥两输出端的电压经第一差分放大器、第二差分放大器、滤波器、以及电压跟随器后被单片机内部集成模数转换器采集，单片机对采集到的数据进行软件滤波和数值判断逐次给出增益控制参数，从而控制数字电位器改变其内部放大电阻阻值来调节内部电桥电压的放大倍数，直到模拟信号的后端输出始终在单片机内部集成模数转换器的合适的输入范围之内,这是一个闭环增益自动调节的过程；接着单片机根据增益控制参数与采集到的电压值大小，运用一定的比例关系计算出被测物质的浓度参数，然后把数据发送到LCD显示器进行显示或传送到计算机通过专用软件进行图形显示、数据处理。

本发明还可以与其它同类传感器相连调平其电桥并进行浓度或其它物理量的高精度检测。

本发明结构合理、设计巧妙，解决了传统微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪因机械电位器接触不良或磨耗导致无法自动调零或调零精度低且内部电桥两输出端的增益值无法自动调整的问题，体积小、功耗低、通用性强、实现了自动检测并且调零精度高，可广泛适用于生化检测、汽车、气象及许多工业设备中。

附图说明

图1是本发明的连接示意图。

图2是传统微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪的连接示意图。

图中：1-微悬臂梁压阻电桥式传感器；2-第一差分差分放大器；3-第二差分差分放大器；4-滤波器；5-电压跟随器；6-单片机；7-数模转换器；8-第三差分差分放大器；9-数字电位器；10-串口转USB芯片；11-方形USB接口；12-计算机；13-LCD显示器；14-稳压电源。

具体实施方式

微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪，包括微悬臂梁压阻电桥式传感器1、第一差分放大器2、滤波器4、电压跟随器5、单片机6、计算机12、以及LCD显示器13；微悬臂梁压阻电桥式传感器1的内部电桥两输出端分别与第一差分放大器2的同相输入端和反相输入端相连，第一差分放大器2的输出端与滤波器4的输入端相连；滤波器4的输出端与电压跟随器5的输入端相连；电压跟随器5的输出端与单片机6的模数信号采集端相连，单片机6的串行口端与计算机12相连，单片机6的显示接口端与LCD显示器13相连；还包括数模转换器7、第三差分放大器8、以及稳压电源14；数模转换器7的高速同步串行口输入端与单片机6的高速同步串行口输出端相连；数模转换器7的微调信号输出端与地之间连接有由第三电阻R3和第四电阻R4串联而成的分压电路，第三电阻R3和第四电阻R4之间的节点与第三差分放大器8的反相输入端相连；第三差分放大器8的参考电源端与数模转换器7的粗调信号输出端相连；第三差分放大器8的同相输入端与稳压电源相连；微悬臂梁压阻电桥式传感器1内部电桥一端接地的任一个桥臂的接地端与地之间分别串联有第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1或第二电阻R2与与其相连的桥臂之间的连接节点与第三差分放大器8的信号输出端相连。在第一差分放大器2与滤波器4之间增设有第二差分放大器3，第一差分放大器2的输出端连接有第二差分放大器3的同相输入端，第一差分放大器2的参考电源端同时与第二差分放大器3的反相输入端及第二差分放大器3的参考电源端相连，第二差分放大器2的输出端与滤波器4相连；所述第一差分放大器2的放大电阻端与数字电位器9的第一放大电阻端相连；数字电位器9的第二放大电阻端与第二差分放大器3的放大电阻端相连，数字电位器9的信号输入端与单片机6的信号输出端相连。

具体实施时，如图1所示，单片机6的串行口端通过串口转USB芯片10和方形USB接口11与计算机12相连。单片机选用MSP430F149 芯片，为集成模数转换器的超低功耗单片机，单片机内部的模数转换器为12位，并且可以转换负电压，基准电压产生电路所产生的电压为1.25V；数模转换器选用12位的TLV5614芯片，其满量程输出电压为2.5V，所以其粗调精度可达到0.6mV（2.5/4096）的分辨率，同时由于微调电压是采用比例电阻（100:1）细分的方法得到的，其精度可达到6mV的分辨率；电压跟随器选用OPA4340型号；数字电位器采用8位四通道输出的数字可调电位器，电阻输出范围为0Ω～100KΩ，输出分辨率为390Ω，具有掉电设置电阻值不丢失的特点；差分放大器选用AD623型号，其放大倍数可由以下公式计算：

G=(100kΩ/Rg)+1；

其中G为放大倍数，Rg为数字电位器内部放大电阻的阻值。因为AD623型差分放大器的放大倍数可在1-256范围内可调，所以内部电桥的电压通过两级AD623型差分放大器放大后，其电压可调范围为1-65536。

Claims

1.微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪，包括微悬臂梁压阻电桥式传感器（1）、第一差分放大器（2）、滤波器（4）、电压跟随器（5）、单片机（6）、计算机（12）、以及LCD显示器（13）；微悬臂梁压阻电桥式传感器的内部电桥中有两个桥臂的一端与地相连，微悬臂梁压阻电桥式传感器（1）的内部电桥两输出端分别与第一差分放大器（2）的同相输入端和反相输入端相连，第一差分放大器（2）的输出端与滤波器（4）的输入端相连；滤波器（4）的输出端与电压跟随器（5）的输入端相连；电压跟随器（5）的输出端与单片机（6）的模数信号采集端相连，单片机（6）的串行口端与计算机（12）相连，单片机（6）的显示接口端与LCD显示器（13）相连；其特征在于：微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪还包括数模转换器（7）、第三差分放大器（8）、以及稳压电源（14）；数模转换器（7）的高速同步串行口输入端与单片机（6）的高速同步串行口输出端相连，数模转换器（7）的微调信号输出端与地之间连接有由第三电阻（R3）和第四电阻（R4）串联而成的电阻细分电路；第三电阻（R3）和第四电阻（R4）之间的节点与第三差分放大器（8）的反相输入端相连；第三差分放大器（8）的参考电源端与数模转换器（7）的粗调信号输出端相连，第三差分放大器（8）的同相输入端与稳压电源（14）相连；微悬臂梁压阻电桥式传感器（1）内部电桥一端接地的两个桥臂的接地端与地之间分别串联有第一电阻（R1）和第二电阻（R2），第一电阻（R1）或第二电阻（R2）与与其相连的桥臂之间的连接节点与第三差分放大器（8）的信号输出端相连。

2.根据权利要求1所述的微悬臂梁压阻电桥式传感器检测仪，其特征在于：在第一差分放大器（2）与滤波器（4）之间增设有第二差分放大器（3），第一差分放大器（2）的输出端与第二差分放大器（3）的同相输入端相连，第一差分放大器（2）的参考电源端同时与第二差分放大器（3）的反相输入端及第二差分放大器（3）的参考电源端相连，第二差分放大器（3）的输出端与滤波器（4）的输入端相连；第一差分放大器（2）的放大电阻端与数字电位器（9）的第一放大电阻端相连；数字电位器（9）的第二放大电阻端与第二差分放大器（3）的放大电阻端相连，数字电位器（9）的信号输入端与单片机（6）的信号输出端相连。