CN115342961A - 丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及丝线张力传感器技术领域，尤其涉及丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路。包括全桥电路，所述全桥电路包括四个各自具有基本一样性质的应变电阻R1‑R4，全桥电路的每个桥臂中放置一个应变电阻，全桥电路上设置有第一输入点A、第二输入点B、第一输出点C和第二输出点D，还包括电源，电源的正负极分别连接第一输入点A、第二输入点B，还包括定值电阻R7、热敏电阻R8和比例电阻R9，所述定值电阻R7的一端连接第一输入点A、另一端同时连接热敏电阻R8和比例电阻R9，所述热敏电阻R8的另一端连接第二输入点B，所述比例电阻R9的另一端连接第二输出点D或者第一输出点C中的一个。本发明能够有效抑制桥式传感器的温漂。

Description

丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路

技术领域

本发明涉及丝线张力传感器技术领域，尤其涉及丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路。

背景技术

在丝线加工过程中，丝线张力是一个十分重要的参数，张力的大小和稳定直接关系到产品的质量、生产效率以及后续加工能否顺利进行。丝线张力检测***是用来测量丝线张力的设备，其由丝线张力仪、放大电路、数据采集电路和***软件组成，张力传感器安装在丝线的丝道上，通过换能元件把丝线的张力转换为电信号，此时输出的电信号非常微弱，需要由专门的放大电路对这些微弱信号进行放大并进行初步滤波，以减少噪声干扰，为了能够使用微处理器或计算机对丝线张力信号进行分析与处理， 从放大电路输出的电压信号需要进行模数转换，把模拟量转换为数字量，由于一般纺织机械中的丝道较多，锭位通常在几百个左右，因此数据采集电路还要完成对丝线张力信号采集时的协调工作，数据采集电路完成对模拟量的数字化与信号的进一步处理后将数字信号上传给上位机，这时上位机上的***软件将完成丝线张力信号的实时显示、分析与存储等工作。

在假捻设备中，丝线张力仪为电阻应变式张力仪，其结构原理如图1-2所示，在悬臂梁的上下表面贴上四个应变电阻R1-R4，组成全桥电路，利用三根罗拉将丝线张力转换成堆中间罗拉2的压力F，传力块再将这一力传递到悬臂梁上，悬臂梁相应的产生与张力成比例的应变，该应变转换为电阻的变化，然后通过电桥电路将电阻的变化转换成电量的变化，经标定后输给后续的信号处理装置，通过对信号进行分析就可以获取丝线张力及其变化信息。全桥电路如图3所示，由于多种原因，当输入的被测量为零时，其输出不为零，即存在零点漂移。原因在于传感器各桥臂应变电阻存在一定偏差，使电桥不平衡，即R1*R4 ≠ R2*R3，便有零点U0输出，全桥电路要添加调零电路来解决上述问题，桥式传感器电路如图4所示，通过调节R5在Rw的位置，使得B、D两个位置的电压差为零。由于所有导体都存在温度系数，所以它的电阻值会随着温度的上升而升高，譬如常用的金属膜电阻的温度系数在300ppm左右，也就是每升高1℃，它的电阻值就增加万分之三，这个数值变化对普通应用场景几乎没有影响，但会对全桥电路造成巨大的误差。由于制造工艺的问题，全桥电路上的应变电阻的温度系数也会有微小的差别，造成温度变化时，四个应变电阻变化率不完全一致，造成零点漂移，举例来说，在张力都为零的情况下，当为20℃时，U0等于零，当温度升到30℃后，由于温度的影响，U0不等于零，这种现象称为温度漂移，使得U0的数值并不能完全反应张力的变化情况，导致后续计算出的张力值与实际值不符。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供了丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路，能够抑制桥式传感器的温漂。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路，包括全桥电路，所述全桥电路包括四个各自具有基本一样性质的应变电阻R1-R4，全桥电路的每个桥臂中放置一个应变电阻，全桥电路上设置有第一输入点A、第二输入点B、第一输出点C和第二输出点D，还包括电源，电源的正负极分别连接第一输入点A、第二输入点B，还包括定值电阻R7、热敏电阻R8和比例电阻R9，所述定值电阻R7的一端连接第一输入点A、另一端同时连接热敏电阻R8和比例电阻R9，所述热敏电阻R8的另一端连接第二输入点B，所述比例电阻R9的另一端连接第二输出点D或者第一输出点C中的一个。

进一步优化本技术方案，本电路还包括电位器Rw和调节电阻R5，所述电位器Rw的两个固定端分别连接第一输入点A和第二输入点B，所述电阻R5的一端连接第二输出点D、另一端连接电位器Rw的滑动触点引出端。

一种丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S1、用数字电位器替换比例电阻R9来接入丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中，并将数字电位器与第二输出点D的连接断开，在常温下通过调节电位器Rw的阻值将第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值调为零；

S2、对整个电路进行加热（不包括电源），查看第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值还是负值。

S3、在所述热敏电阻R8为负温度系数热敏电阻的情况下，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值时，数字电位器的另一端连接第二输出点D，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是负值时，数字电位器的另一端连接第一输出点C；在所述热敏电阻R8为正温度系数热敏电阻情况下，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是负值时，数字电位器的另一端连接第二输出点D，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值时，数字电位器的另一端连接第一输出点C。

S4、使整个电路为20℃，使数字电位器按等差数列分别输出多种电阻，并分别测量出每种电阻对应的输出电压并记录；

S5、使整个电路为50℃，使数字电位器按与步骤S4相同的差数列分别输出多种电阻，并分别测量出每种电阻对应的输出电压并记录；

S6、计算出在20℃和50℃温度下每种电阻对应的输出电压的差值，并找出最小的两个差值对应的相邻的两个电阻值；

S7、将步骤S6中所得到的相邻的两个电阻值之间的数值按等差数列分成多个阻值的电阻，之后重复步骤S4-S6，注意使数字电位器输出本步骤中得到的多个阻值的电阻；

S8、不断重复步骤S7直到温度漂移的值满足要求。

S9、拆下数字电位器，将阻值为步骤S8所得数值的比例电阻R9替代数字电位器接入电路中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、热敏电阻的阻值随温度而变化，从而使得其电压分压发生变化，合适阻值的比例电阻能够使得热敏电阻带来的影响与全桥电路温漂的影响大小接近而正负相反，从而使得将桥式传感器的温漂控制在可接受范围内成为可能；2、能够根据实际情况确定某个桥式传感器中比例电阻的数值，从而可以使得电路中的比例电阻的数值更合适。

附图说明

图1为悬臂梁上应变电阻的分布情况示意图。

图2为悬臂梁的受力变形原理示意图。

图3为现有技术中全桥电路原理图。

图4为现有技术中桥式传感器电路原理图。

图5为本发明的桥式传感器电路原理图。

图6为本发明确定比例电阻R9阻值时的电路原理图。

图7为无温漂抑制电路时温度漂移数据曲线示意图。

图8为温漂抑制电路的抑制作用数据曲线示意图。

图9为温漂效应和温漂抑制电路共同作用效果的原理示意图。

图10为抑制温漂效果与实际数值偏差的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路，包括全桥电路，所述全桥电路包括四个各自具有基本一样性质的应变电阻R1-R4（即技术指标是相同的，但是由于制造工艺的问题，它们之间会有微小的差别），全桥电路的每个桥臂中放置一个应变电阻，全桥电路上设置有第一输入点A、第二输入点B、第一输出点C和第二输出点D，还包括电源，电源的正负极分别连接第一输入点A、第二输入点B，还包括定值电阻R7、热敏电阻R8和比例电阻R9，所述定值电阻R7的一端连接第一输入点A、另一端同时连接热敏电阻R8和比例电阻R9，所述热敏电阻R8的另一端连接第二输入点B，所述比例电阻R9的另一端连接第二输出点D或者第一输出点C中的一个。当比例电阻R9的阻值适当时，温度漂移可以小到可接受的范围，比如20mV左右。就丝线张力仪桥式传感器的实际情况而言，R1-R4的阻值都为650Ω左右，优选定值电阻R7的阻值为10kΩ，热敏电阻R8为25℃时阻值10kΩ的型号，比如NCP18XH103F03RB,B值为3380（在25℃-50℃范围内），20℃时阻值12.081kΩ，25℃时阻值10kΩ，30℃时阻值8.315kΩ，35℃时阻值6.948kΩ，40℃时阻值5.834kΩ，45℃时阻值4.917kΩ，50℃时阻值4.161kΩ。

本电路抑制温度漂移的原理如下：假设R4的温漂系数是4ppm，电阻在 20℃时是468Ω，升高到50℃时是468.0019，经过放大电路放大输出后，温度漂移可以达到+333mV，而温度补偿的办法，就是温度从20℃升高到50℃时，温漂抑制电路让R4同时产生接近于-333mV的漂移，从而使得温漂的总数值小到可以接受的范围。如图7所示，当无温漂抑制电路时，温度漂移的数据曲线是线性的，如图8所示，温漂抑制电路的抑制作用数据曲线是接近线性的，通过调节比例电阻R9的阻值，能调整该曲线的斜率，如图9所示，当该直线与该曲线的斜率非常接近时，使得在任一温度下（20℃-50℃范围内）两者的和接近零，图9中“0”V以上为正值，“0”V以下为负值。即只要比例电阻R9的阻值合适，就能使两者在各个温度点的数值的绝对值非常接近而正负相反，从而整体温漂接近零或者大幅减小。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例的电路还包括电位器Rw和调节电阻R5，所述电位器Rw的两个固定端分别连接第一输入点A和第二输入点B，所述调节电阻R5的一端连接第二输出点D、另一端连接电位器Rw的滑动触点引出端。通过调整电位器Rw的阻值，能够调整电路的零点。就丝线张力仪桥式传感器的实际情况而言，优选电位器Rw采用最大值为50kΩ的电位器，调节电阻R5的阻值为3.01MΩ。

实施例3

上述丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S1、用数字电位器替换R9来接入丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中，并将数字电位器与第二输出点D的连接断开，在常温下（20℃-50℃内任意温度）通过调节电位器Rw的阻值将第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值调为零；

S2、对整个电路进行加热，查看第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值还是负值。

S3、在所述热敏电阻R8为负温度系数热敏电阻的情况下，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值时，数字电位器的另一端连接第二输出点D，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是负值时，数字电位器的另一端连接第一输出点C；在所述热敏电阻R8为正温度系数热敏电阻情况下，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是负值时，数字电位器的另一端连接第二输出点D，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值时，数字电位器的另一端连接第一输出点C。

S4、使整个电路为20℃，控制数字电位器，使数字电位器输出1MΩ、2MΩ、3MΩ、4MΩ、5MΩ、6MΩ、7MΩ、8MΩ、9MΩ、10MΩ共10种电阻，并分别测量出对应的输出电压（第一输出点C和第二输出点D之间的电位差，下同）并记录；

S5、使整个电路为50℃，控制数字电位器，使数字电位器输出1MΩ、2MΩ、3MΩ、4MΩ、5MΩ、6MΩ、7MΩ、8MΩ、9MΩ、10MΩ共10种电阻，并分别测量出每种电阻对应的输出电压并记录；

S6、计算出在20℃和50℃温度下每种电阻对应的输出电压的差值，并找出最小的两个差值对应的相邻的两个电阻值，举例来说，在确定某一丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值时，测得的数据如下表所示（经放大电路放大后加了1V的偏置电压）：

	1MΩ	2MΩ	3MΩ	4MΩ	5MΩ	6MΩ	7MΩ	8MΩ	9MΩ	10MΩ
											20℃时输出电压（V）	1.32	1.25	1.18	1.09	1.05	1.03	1.01	0.97	0.89	0.87
50℃时输出电压（V）	1.22	1.17	1.10	1.04	1.03	1.02	1.02	0.99	0.91	0.90
											电压差值（V）	+0.1	+0.08	+0.08	+0.05	+0.02	+0.01	-0.01	-0.02	-0.02	-0.03

可以发现，最小的两个差值对应的相邻的两个电阻值为6MΩ和7MΩ；

S7、将步骤S6中所得到的相邻的两个电阻值之间的数值按等差数列分成多个阻值的电阻，之后重复步骤S4-S6，注意使数字电位器输出本步骤中得到的多个阻值的电阻；继续以步骤S6中的例子来说明，比如可以使数字电位器输出6.1MΩ、6.2MΩ、6.3MΩ、6.4MΩ、6.5MΩ、6.6MΩ、6.7MΩ、6.8MΩ、6.9MΩ共9种电阻，并分别测量出对应的输出电压并记录；之后使整个电路为50℃，控制数字电位器，使数字电位器输出6.1MΩ、6.2MΩ、6.3MΩ、6.4MΩ、6.5MΩ、6.6MΩ、6.7MΩ、6.8MΩ、6.9MΩ共9种电阻，并分别测量出每种电阻对应的输出电压并记录；测得的数据如下表所示（经放大电路放大后加了1V的偏置电压）：

	6.1MΩ	6.2MΩ	6.3MΩ	6.4MΩ	6.5MΩ	6.6MΩ	6.7MΩ	6.8MΩ	6.9MΩ
										20℃时输出电压（V）	1.037	1.033	1.031	1.028	1.026	1.024	1.021	1.019	1.015
50℃时输出电压（V）	1.028	1.027	1.026	1.025	1.024	1.023	1.022	1.021	1.018
										电压差值（V）	+0.009	+0.006	+0.005	+0.003	+0.002	+0.001	-0.001	-0.002	-0.003

可以发现，最小的两个差值对应的相邻的两个电阻值为6.6MΩ和6.7MΩ，并且同时可以看到，在6.6MΩ以及之前的阻值（小于6.6MΩ）20℃的输出电压大于50℃的输出电压，在6.7MΩ以及之后的阻值（大于6.7MΩ）20℃的输出电压小于50℃的输出电压。将每个阻值各温度下的数据看成一条近似直线的话（阻值为纵坐标，温度为横坐标），6.6MΩ和6.7MΩ之间为该近似直线斜率的正负的分水岭，这说明最佳的阻值为6.6MΩ和6.7MΩ之间。包括上一个表6MΩ和7MΩ对应的数据也是如此。

S8、一般来说，上述阻值已经可以满足要求，如果为了追求更高的精度，还可以将步骤S7中所得到的相邻的两个电阻值之间的数值按等差数列分成多个阻值的电阻，之后重复步骤S4-S6，注意使数字电位器输出本步骤中得到的多个阻值的电阻,依次类推，直到得到的温度漂移的值满足要求。

S9、拆下数字电位器，将阻值为步骤S8所得数值（两个数值中的任意一个，或者两个数值范围内的任意一个）的比例电阻R9替代数字电位器接入电路中，得到实施例1或者实施例2中的电路。

图10为步骤S9得到的电路在各个温度下输入为零时输出电压的曲线示意图（输出电压经放大电路放大后加了1V的偏置电压），通过图10可以看出，因为输入为零，所以输出电压的真实值应该都是1V，而实际的输出电压值呈一定的曲线（这个曲线的弯曲程度是热敏电阻的非线性特性导致的，对抑制温度漂移有一定的影响，所以热敏电阻的性质很重要，一般来说B值越小越好），且该曲线的两端和中间分别位于1V的上下两侧，使得实际输出电压值尽量接近真实输出电压。此时该曲线与1V的直线相差最大的数值，远小于无温漂抑制电路时的温漂值。

目前，高精度应变电阻被美国VMM公司、美国VISHAY公司和德国HBM所垄断，国产应变电阻一致性比较低，一般不能使用在丝线张力仪上。用本申请的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路以及比例电阻R9阻值的确定方法，就算用了国产应变电阻（电阻式应变片）也能在大部分情况下让张力传感器的精度和性能达到进口的标准。

Claims (10)

1.丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路，包括全桥电路，所述全桥电路包括四个各自具有基本一样性质的应变电阻R1-R4，全桥电路的每个桥臂中放置一个应变电阻，全桥电路上设置有第一输入点A、第二输入点B、第一输出点C和第二输出点D，第一输入点A、第二输入点B分别用来连接直流电源的正负极，其特征在于：还包括定值电阻R7、热敏电阻R8和比例电阻R9，所述定值电阻R7的一端连接第一输入点A、另一端同时连接热敏电阻R8和比例电阻R9，所述热敏电阻R8的另一端连接第二输入点B，所述比例电阻R9的另一端连接第二输出点D或者第一输出点C中的一个。

2.根据权利要求1所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路，其特征在于：还包括电位器Rw和调节电阻R5，所述电位器Rw的两个固定端分别连接第一输入点A和第二输入点B，所述调节电阻R5的一端连接第二输出点D、另一端连接电位器Rw的滑动触点引出端。

3.权利要求2所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S1、用数字电位器替换比例电阻R9来接入丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中，并将数字电位器与第二输出点D的连接断开，在常温下通过调节电位器Rw的阻值将第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值调为零；

S2、对整个电路进行加热，查看第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值还是负值。

4.根据权利要求3所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于：所述热敏电阻R8为负温度系数热敏电阻。

5.根据权利要求4所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S3、当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值时，数字电位器的另一端连接第二输出点D，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是负值时，数字电位器的另一端连接第一输出点C。

6.根据权利要求3所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于：所述热敏电阻R8为正温度系数热敏电阻。

7.根据权利要求6所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S3、当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是负值时，数字电位器的另一端连接第二输出点D，当第一输出点C和第二输出点D之间的电位差值是正值时，数字电位器的另一端连接第一输出点C。

8.根据权利要求5和7任意一项所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S4、使整个电路为20℃，使数字电位器按等差数列分别输出多种电阻，并分别测量出每种电阻对应的输出电压并记录；

S5、使整个电路为50℃，使数字电位器按与步骤S4相同的差数列分别输出多种电阻，并分别测量出每种电阻对应的输出电压并记录；

S6、计算出在20℃和50℃温度下每种电阻对应的输出电压的差值，并找出最小的两个差值对应的相邻的两个电阻值；

S7、将步骤S6中所得到的相邻的两个电阻值之间的数值按等差数列分成多个阻值的电阻，之后重复步骤S4-S6，注意使数字电位器输出本步骤中得到的多个阻值的电阻。

9.根据权利要求8所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S8、将步骤S7中所得到的相邻的两个电阻值之间的数值按等差数列分成多个阻值的电阻，之后重复步骤S4-S6，注意使数字电位器输出本步骤中得到的多个阻值的电阻,依次类推，直到得到的温度漂移的值满足要求。

10.根据权利要求9所述的丝线张力仪桥式传感器温漂抑制电路中比例电阻R9阻值的确定方法，其特征在于包括步骤：

S9、拆下数字电位器，将阻值为步骤S8所得数值的比例电阻R9替代数字电位器接入电路中。

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