CN106289464A - 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 - Google Patents
一种两线制微弱应变电桥信号变送器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106289464A CN106289464A CN201610877392.9A CN201610877392A CN106289464A CN 106289464 A CN106289464 A CN 106289464A CN 201610877392 A CN201610877392 A CN 201610877392A CN 106289464 A CN106289464 A CN 106289464A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- voltage
- output
- strain bridge
- signal
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims abstract description 20
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims abstract description 20
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 17
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01G—WEIGHING
- G01G3/00—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances
- G01G3/12—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing
- G01G3/14—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of electrical resistance
- G01G3/142—Circuits specially adapted therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本发明公开一种适用于输出电压变化极为微小(若干毫伏)、零点偏移较大(与输出变化量相当，甚至大于输出电压变化量)的电阻式应变电桥信号的两线制电流型变送器。该变送器包括微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移电路、V/I转换模块、电源及输出回路等组成。传感器电桥输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电压进行第二级差动放大，其输出电压再输入到V/I转换模块，在输出电流调整量的控制下转换为4～20mA电流输出，同时V/I模块向应变电桥及放大电路提供电源及参考。本发明电路简单、线性度好、性价比高、接线方便。
Description
技术领域
本发明涉及检测技术及自动化装置领域，更具体地说，本发明涉及一种微弱应变电桥信号变换用变送器仪表。
背景技术
电阻应变式传感器被广泛应用于力、压力、加速度、质量等参数的测量，其基本原理是弹性体(弹性元件、敏感梁等)在外力作用下产生弹性形变，使粘贴在它表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生形变，电阻应变片形变后，其阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路(惠更斯电桥)把阻值的变化转换为电压信号，从而完成了将与力相关的参数转换为电信号的过程，其典型应用就是电子称重设备。
但是，多数电阻式应变电桥输出电压信号灵敏度较低，电压变化量较小，且零点偏移量较大，甚至和电压变化量相当，后继信号调理及变换难度较大，以市面购买的某型号悬臂梁应变桥式1kg量程称重传感器为例，当采用参考电流Iref＝1.6mA的电流桥时，经测试，称重量在0～800g变化时，其零点漂移达到了1.3mV，最大输出变化量仅为1.0mV。
工业上最广泛采用的是4～20mA电流来传输模拟量，因电流信号不容易受干扰，而且电流源的内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不会对精度造成影响，从而可以实现数百米的传输。因此，工业上通常需要将微弱应变电桥信号转换为4～20mA电流进行传输，而上述传感器输出电压变化微小，零点偏移量较大，无疑为信号的调理和变换增加了难度，通常需要采用高精度ADC进行采样和微处理器进行处理，或者配备厂家提供的三线制处理电路模块来进行变换，其电路复杂、成本高、接线较两线制仪表复杂。
搜索电流型变送器相关专利文献，伍正辉、龙霞等人发明的高温熔体自动调零压力变送器采用了微处理器及软件编程来实现零点和满刻度自动调整及4～20mA电流输出；王可崇发明的应变式位移检测元件的力平衡式变送器，其整体结构较为复杂，信号调理及变换电路本身无法自动将电阻应变桥零点偏移掉，且该发明要求电桥输出电压上下限满足1∶5的数量关系(即零点偏移量和电压变化量满足1∶4数量关系)，需要通过一个负反馈闭环平衡装置来完成转换并保证测量精度和线性度。而本发明则通过简单的信号调理、放大、调整及V/I变换电路实现微弱信号的高倍数放大及零点偏移，无需高精度AD采集加数字处理或复杂反馈平衡装置即可获得较高的转换精度和线性度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种两线制电流型变送器，其可以对电压变化量小到若干毫伏且零点偏移电压与变化量相当(甚至电压变化量小于零点偏移量)的应变电桥测量信号进行处理、变换和输出。
为了解决所述技术问题，本发明提供了一种两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是采用纯模拟电路对信号进行处理和变换，其包括微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移电路、V/I转换模块、电源及输出回路等组成。传感器电桥输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电路输出的电压进行第二级差动放大，其输出电压再输入到V/I转换模块，在输出电流调整量的控制下转换为4～20mA电流输出，通过电位器可以方便地调整零点偏移量及输出放大倍数，且可消除运算放大器失调电压、失调电流对微弱信号的转换精度的影响。
优选的是，所述变送器的应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整等处理电路所需要的电源及参考均由V/I转换模块提供，无需另外提供电源，***还带有应变电桥输出非线性自动补偿功能，通过方案优化设计，前述处理电路耗电小于4mA，可实现以4mA为零点的两线制供电及输出。
优选的是，所述变送器还包括供电及输出回路，在输出回路只要接入24V直流电源，便可输出电流信号，且输出回路具有反接保护，电源可按任意方向接入回路。
本发明至少包括以下有益效果：
(1)对电压变化量小到若干毫伏且零点偏移电压与变化量相当(甚至电压变化量小于零点偏移量)的应变电桥测量信号，本发明可以有效且精密地变换为4～20mA电流信号进行输出。
(2)采用纯模拟电路对信号进行处理和变换，无需高精度AD采集加数字处理或复杂反馈平衡装置，结构简单，成本低廉。
(3)零点偏移和输出放大倍数调整方便，放大器失调电压、失调电流对微弱信号的转换精度无影响，带有非线性自动补偿，测量精度和线性度高。
(4)两线制供电和输出，变送器无正负极区分，接线方便、简单，方便远程传输。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的两线制微弱应变电桥信号变送器的结构示意图。
图2为本发明所述的两线制微弱应变电桥信号变送器的电路图。
图3(a)和(b)分别为设计实例在无补偿电阻RLIN和补偿电阻RLIN＝9.33kΩ时，被测量和输出电流之间的变化关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供一种两线制微弱应变电桥信号变送器，采用纯模拟电路对信号进行处理和变换，其组成结构如图1所示，包括微弱应变电桥1、第一差动放大器2、零点偏移调整电路3、第二差动放大器4、输出电流调整电路5、V/I转换模块6、电源及输出回路7等组成。
变送器工作原理为：微弱应变电桥1输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器2进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电路3输出的电压一起输入第二差动放大器4进行第二级差动放大，其输出电压再输入到V/I转换模块6，在输出电流调整电路5的控制作用下转换为4～20mA电流通过输出回路7输出，其中，通过电位器可以方便地调整零点偏移量及输出放大倍数。
如图2所示为一种两线制微弱应变电桥信号变送器的实例，即具体实施电路。该实例电路是一个对某型号悬臂梁应变桥式称重传感器进行4～20mA电流变换的二线制变送器。
实例采用的悬臂梁应变桥式称重传感器最大量程为1kg，当采用参考电流Iref＝1.6mA的电流桥时在悬臂梁上施加0～800g重物，输出电压变化范围为1.3～2.3mV，符合零点偏移大，测量电压变化小于零点偏移量的特点。
所述第一差动放大器2及第二差动放大器4均采用低成本、高精度、低功耗仪表放大器AD627，其增益范围为1～1000，且仅需要一个外部电阻来设置增益，其中，第一差动放大器AD627对电桥输出的1.3～2.3mV差动电压进行初级放大，Rc为其增益调整电阻，采用3296封装的1kΩ电位器，调整电位器Rc的阻值，将增益调整为约500，使其输出对地电压范围约为0.65～1.15V。
所述V/I转换模块6采用单芯集成的4～20mA电流源芯片XTR105，其具有很低的调整性误差，具有两个0.8mA高精度的镜像电流源和一个5.1V、1mA输出容量的基准电压源，设计将两个电流源并联后向微变电桥提供1.6mA电流基准从而构成电流型电桥，可输出1.3～2.3mV测量信号，而通过5.1V、1mA容量的基准电压源向两个AD627仪表放大器及调整电路供电。
所述零点偏移调整电路3由一个5MΩ固定电阻及一个1MΩ电位器串联并接在5.1V基准电压源上，电位器中心抽头输出调整电压，其调整电压可在0～0.85V范围内变化，该电压可以较高的精度抵消0.65V零点偏移电压，且该回路的电流仅为0.85μA，功耗极低。
所述第二差动放大器4(AD627)将第一差动放大器输出的电压和零点偏移调整电压进行差分放大，不连接增益设置电阻，放大倍数为1。图2中，1kΩ电位器RCM及与其并联的0.01μF电容接在电桥参考地端和XTR105的6脚之间，形成电桥电源回路，同时，电桥参考地端(即RCM的左端)接至第二差动放大器4的5端(输出参考端)和V/I转换模块XTR105的2端(输入电压参考端)，第二差动放大器4的6端输出约1.25～1.75V的对地电压，即通过电桥的1.6mA电流在RCM上形成的压降提高了输出电压起点但同时巧妙地为XTR105芯片提供了其所要求的最低1.25V的输入共模电压。
所述经第二差动放大器4放大后的电压以差动电压的形式输入到XTR105的13端(+VIN)和2端(-VIN)之间，XTR105自动将共模1.25V、差模0～0.5V范围变化的电压变换为4mA为起始的电流信号，其输入输出关系为
Io＝4+40·VIN/RG (1)
式中，Io为输出电流，单位为mA；VIN为输入差模电压，单位为V；RG为所述输出电流调整电路5，也即XTR105的增益调整电阻值，单位为Ω，其可以在0～2000Ω内调整，将输出电流调整电阻RG调整到约1250Ω可使得其输出电流变化范围设置在4～20mA内。
所述电源及输出回路7连接了NPN型三极管Q1(BU406)，以提高其输出能力，减少XTR105芯片发热，其B极和XTR105的9端相连，C极和XTR105的10端相连，E极和XTR105的8端相连。24V直流电源通过电流环路为芯片供电，同时电路中设置的D1～D4采用IN4148二极管构成整流桥，可防止电源反接，使得该变送器电源接线方向可任意交换，并且连接D5(采用36V齐纳二极管1N4753)，可吸收浪涌电流，起到过压保护作用，输出回路连接的0.1μF电容起到稳压作用，最终在电源、整流桥、XTR105和BU406、负载RL上组成的回路中流过4～20mA电流。
更进一步地，XTR105的12端(VLIN)和应变电桥输出正压端之间通过20kΩ的电位器RLIN连接在一起，将XTR105提供的非线性补偿电流经补偿电阻RLIN输入到应变电桥的左下桥臂，用以对应变电桥的输出变化量进行非线性自动补偿，将RLIN阻值调整到合适的值可显著提高输出线性度和输出精度，图3(a)和(b)分别为设计实例(即800g量程悬臂梁应变桥式称重变送器)在无补偿电阻RLIN和调整补偿电阻RLIN＝9.33kΩ时，被测量和输出电流之间的变化关系曲线。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
1.一种两线制微弱应变电桥信号电流型变送器，该变送器包括微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移电路、V/I转换模块、电源及输出回路等组成。传感器电桥输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电压进行第二级差动放大，其输出电压再输入到V/I转换模块，在输出电流调整量的控制下转换为4～20mA电流输出。
2.根据权利要求1所述的两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：该变送器输入电压变化量可以小到若干毫伏，输入电压零点偏移量可与电压变化量相当(甚至零点偏移量大于电压变化最)，对于这种处理较为困难的电压信号可以有效且精密地变换为4～20mA电流信号进行输出。
3.根据权利要求1所述的两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：该变送器采用纯模拟电路对信号进行处理，其先对输入电压进行一级差分放大再减去零点偏移电压，使得电压调整分辨率及精密度显著提高，经过第二级差分放大再加上一定的共模电压后输入V/I转换模块，通过电位器可以方便地调整零点偏移量及输出放大倍数，且可消除运算放大器失调电压、失调电流对微弱信号的转换精度的影响。
4.根据权利要求1所述的两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整等电路所需要的电源及参考均由V/I转换模块提供，无需另外提供电源，可实现纯两线制供电及输出，并且通过将V/I转换模块提供的非线性补偿电流经补偿电阻输入到应变电桥的一个桥臂实现***非线性自动补偿，提高输出线性度和转换精度。
5.根据权利要求4所述的两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整等电路的功耗极低，其总电流小于4mA，从而可实现以4mA为零点的电流信号输出。
6.根据权利要求1所述的两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：在输出回路中只要接入24V直流电源，便可输出电流信号，且输出回路具有反接保护，电源可按任意方向接入回路。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610877392.9A CN106289464A (zh) | 2016-09-30 | 2016-09-30 | 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610877392.9A CN106289464A (zh) | 2016-09-30 | 2016-09-30 | 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106289464A true CN106289464A (zh) | 2017-01-04 |
Family
ID=57716795
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610877392.9A Pending CN106289464A (zh) | 2016-09-30 | 2016-09-30 | 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106289464A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113138162A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-07-20 | 南京高华科技股份有限公司 | 一种钢丝绳状态监控装置及监控方法 |
| CN114777894A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-22 | 深圳市凌阳电子有限公司 | 一种基于两线制的人体秤 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62162927A (ja) * | 1986-01-13 | 1987-07-18 | Tanita:Kk | ロ−ドセル秤におけるスパン、零点、調整装置 |
| WO1988006719A1 (en) * | 1987-03-05 | 1988-09-07 | The Secretary Of State For Defence In Her Britanni | Transducer signal conditioner |
| CN2580406Y (zh) * | 2002-11-13 | 2003-10-15 | 北京安控科技发展有限公司 | 自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路 |
| CN201417184Y (zh) * | 2009-04-23 | 2010-03-03 | 广东美的电器股份有限公司 | 两线制温度变送器 |
| CN207163548U (zh) * | 2016-09-30 | 2018-03-30 | 南京林业大学 | 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 |
-
2016
- 2016-09-30 CN CN201610877392.9A patent/CN106289464A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62162927A (ja) * | 1986-01-13 | 1987-07-18 | Tanita:Kk | ロ−ドセル秤におけるスパン、零点、調整装置 |
| WO1988006719A1 (en) * | 1987-03-05 | 1988-09-07 | The Secretary Of State For Defence In Her Britanni | Transducer signal conditioner |
| CN2580406Y (zh) * | 2002-11-13 | 2003-10-15 | 北京安控科技发展有限公司 | 自动化控制终端的热电阻、角位移、载荷组合信号调理电路 |
| CN201417184Y (zh) * | 2009-04-23 | 2010-03-03 | 广东美的电器股份有限公司 | 两线制温度变送器 |
| CN207163548U (zh) * | 2016-09-30 | 2018-03-30 | 南京林业大学 | 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 惠力, 于锋, 綦声波, 朱洪海: "基于XTR105的气温传感器", 自动化与仪表, no. 06, 5 December 2002 (2002-12-05), pages 13 - 15 * |
| 颜重光: "两线制变送器电路", 电子技术应用, no. 03, 7 March 1995 (1995-03-07), pages 41 - 45 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113138162A (zh) * | 2021-06-22 | 2021-07-20 | 南京高华科技股份有限公司 | 一种钢丝绳状态监控装置及监控方法 |
| CN114777894A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-07-22 | 深圳市凌阳电子有限公司 | 一种基于两线制的人体秤 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN202083740U (zh) | 隔离式电压传感器 | |
| CN102032974B (zh) | 一种压力传感器温度补偿方法 | |
| CN101446494A (zh) | 一种用于星载光纤陀螺的温度检测电路 | |
| CN207163548U (zh) | 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 | |
| CN107677200A (zh) | 高精度应变测量*** | |
| CN201444169U (zh) | 差分式霍尔组件 | |
| CN106289464A (zh) | 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 | |
| CN106679861A (zh) | 一种智能压力变送器 | |
| CN202522348U (zh) | 一种智能压力变送器 | |
| CN106443159A (zh) | 电流检测芯片 | |
| CN102288215B (zh) | 一种高精度应变传感器模拟器 | |
| CN102035546A (zh) | 电压电流转换器 | |
| CN203719620U (zh) | 便携式低功耗静态电阻应变仪 | |
| CN102478422A (zh) | 一种零漂模拟校准方法及装置 | |
| CN208505446U (zh) | 一种爬楼机载重重量的测量装置 | |
| CN202255672U (zh) | 一种温度测量*** | |
| CN104034938A (zh) | 电子式电压互感器中的电流检测电路 | |
| CN212364401U (zh) | 一种测量微弱信号的电阻传感器测量电路 | |
| CN210719389U (zh) | 自动定量秤中称重传感器用高精度低纹波电源电路 | |
| CN207649766U (zh) | 微弱光电流检测电路 | |
| CN206627793U (zh) | 一种通用可配置传感器采集装置 | |
| CN207688813U (zh) | 一种调理放大电路及使用其的弹簧长度检测控制*** | |
| CN111342785A (zh) | 一种信号调理电路 | |
| CN207991999U (zh) | 高精度二线制工业粉尘检测装置 | |
| CN102095756B (zh) | 具有温度补偿的湿度感测电路 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |