兩線制電阻式應變變送器的設計

李希壘

摘要：電流變送器在電阻式應變測量儀表中得到廣泛應用，這種變送器將應變測量的電壓信號轉變為標準的電流信號。本文講述了4～20m兩線制變送器芯片XTR115的工作原理及在應變測量過程中的設計應用。

關鍵詞：兩線制 電阻式應變傳感器 電壓/電流轉換

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0163-02

電阻式應變測量技術是用電阻式應變計測定機械構件的表面應變，再根據應力、應變的關系式，確定構件表面應力狀態的一種實驗應力分析方法[1]。在應變測量過程中，往往需要將應變傳感器的微弱信號進行長距離傳輸才能應用，而弱信號的傳輸更容易受到傳輸線路的影響，為了防止強電磁電氣設備對傳輸電壓信號的影響，往往將電壓信號轉變為電流信號進行傳輸，如工業中經常使用的4～20mA電流變送器。本文主要設計了一款基于XTR115的兩線制電阻式應變變送器。

1 兩線制變送器芯片XTR115的工作原理[2]-[3]

XTR115是美國德州儀器公司（TI）的產品，能夠實現電壓/電流的轉換，適合于對熱電偶、電橋、壓力傳感器等。XTR115是可以實現二線制電流變送的芯片，內置2.5V基準電壓源可作為傳感器的激勵源；芯片具有+5V精密穩壓源，可以給外部電路提供單獨供電，從而簡化了外部電路的設計；精度高，非線性誤差小；設計了功率管接口，配合NPN型晶體管，驅動負載電路的工作，同時降低了芯片的功耗（如圖1所示）。

第一部分是電路環電路的核心部分，它是由內部的運算放大器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外部晶體管Q0組成。第二部分是電源調理部分。它給電阻式應變傳感器提供工作電源和參考電壓。第三部分Rlim和晶體管Q0、Q1組成限流保護電路，防止輸出電流過大造成后續處理電路損壞。現選取電流環轉換電路主要工作部分進行分析，如圖2所示。

信號電壓加在VIN+和VIN-之間，VIN-相當于傳感器工作的電壓基準點。根據運算放大器工作時，具有“虛短”、“虛斷”的原理，放大器的兩個輸入端電壓相等，流入運算放大器輸入端電流為零，可知：

所以：I-R2=I+R1I-=I+R1/R2

故：Io=I++I-=I+*（R1/R2+1）=100*I+=100VIN/RIN

此時變送器輸出電流IO只是信號變化的部分電流，它的變化范圍是0～16mA，對應I+是0～0.16mA，可以根據這一電流和輸入信號的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實現4～20mA的電流環，還必須加入4mA的偏置電流IB（這個偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流IP），方法是在運算放大器的同相輸入端通過一個補償電阻Roffset接在參考電壓上，再引入一路固定的電流Ioffset。這路電流的最大值是Ioffset_max=40uA。通過調節RS，使的偏置電流IB=100*Ioffset+I+=4mA。

2 基于XTR115的電阻式應變變送器設計

電阻式應變變送器的設計電路，主要有全橋應變電壓激勵電路、應變信號放大電路和電壓/電流轉換電路組成[4]-[5]。具體電路圖如圖3所示。

應變橋電壓激勵電路主要有U1B、Q1，應變橋激勵電壓為2.5V，由U2提供，經放大器U1B、場效應管Q1驅動應變橋工作，保證應變橋負載的變化，不會引起激勵電壓的變化。

應變橋信號的放大電路選用了美國模擬器件公司的儀表放大器AD8231[6]，AD8231是一款低漂移、軌到軌儀表放大器，具有軟件可編程增益1、2、4、8、16、32、64、128，可通過數字邏輯或引腳搭接進行增益編程。經AD8231放大后電壓信號的幅值范圍控制在為0.5V～4.5V。AD8231的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低射頻干擾引起的失調電壓變化的影響。

電壓/電流轉換電路的核心芯片是XTR115電流環芯片，外圍配合R5、R3、Q2、C8將應變輸出的電壓信號轉變為電流信號。R3、R5與芯片U2構成輸入電路，Q2提供足夠的驅動能力，驅動負載取樣電阻工作；芯片自帶的+5V電源為外部芯片和傳感器工作提供電源。

XTR115的輸入電流

IIN=Vu1_out/（R4+R5）

Iu2out_min=100*IIN=100*0.5V/（R4+R5）=2mA

此時整個電路的工作電流小于4mA，必須加偏置電壓進行補償。

Ioffset=4mA-Iu2out_min=2mA

所以，電路中R3取了125K的電阻。

實際測量中應變值與輸出電流的關系表如表1所示。

3 結語

本研究選用XTR115集成電壓電流轉換芯片，設計了一款結構簡單，性能穩定的遠距離傳輸電阻式應變變送器。此變送器僅需要兩根傳輸線就能工作，具有功耗小、使用可靠、抗干擾能力強，具有很好的推廣價值。

參考文獻

[1]鄭秀瑗，謝大吉.應力應變電測技術[M].北京：國防工業出版社，1985.

[2]德州儀器.4～20mA電流變送器的工業控制應用[J].世界電子元器件，2006（1）：93～96

[3]Texas Instruments.Texas Instruments Incorporated XTR115 Datasheet[M].US： Texas Instruments，2009.

[4]昝勇，羅永紅，王沛瑩. XTR115電流環電路原理 及應用.電子設計工程，2011，19（8）：190～192.

[5]張華棟，孫麗麗.用TMS320LF2407和XTR115設計電流環通訊口.電子產品世界，2005，21：90～91.

[6]Analog Devices.Analog Devices Incorporated AD8231 Datasheet[M].US： Analog Devices，2007.endprint

摘要：電流變送器在電阻式應變測量儀表中得到廣泛應用，這種變送器將應變測量的電壓信號轉變為標準的電流信號。本文講述了4～20m兩線制變送器芯片XTR115的工作原理及在應變測量過程中的設計應用。

關鍵詞：兩線制 電阻式應變傳感器 電壓/電流轉換

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0163-02

電阻式應變測量技術是用電阻式應變計測定機械構件的表面應變，再根據應力、應變的關系式，確定構件表面應力狀態的一種實驗應力分析方法[1]。在應變測量過程中，往往需要將應變傳感器的微弱信號進行長距離傳輸才能應用，而弱信號的傳輸更容易受到傳輸線路的影響，為了防止強電磁電氣設備對傳輸電壓信號的影響，往往將電壓信號轉變為電流信號進行傳輸，如工業中經常使用的4～20mA電流變送器。本文主要設計了一款基于XTR115的兩線制電阻式應變變送器。

1 兩線制變送器芯片XTR115的工作原理[2]-[3]

XTR115是美國德州儀器公司（TI）的產品，能夠實現電壓/電流的轉換，適合于對熱電偶、電橋、壓力傳感器等。XTR115是可以實現二線制電流變送的芯片，內置2.5V基準電壓源可作為傳感器的激勵源；芯片具有+5V精密穩壓源，可以給外部電路提供單獨供電，從而簡化了外部電路的設計；精度高，非線性誤差小；設計了功率管接口，配合NPN型晶體管，驅動負載電路的工作，同時降低了芯片的功耗（如圖1所示）。

第一部分是電路環電路的核心部分，它是由內部的運算放大器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外部晶體管Q0組成。第二部分是電源調理部分。它給電阻式應變傳感器提供工作電源和參考電壓。第三部分Rlim和晶體管Q0、Q1組成限流保護電路，防止輸出電流過大造成后續處理電路損壞。現選取電流環轉換電路主要工作部分進行分析，如圖2所示。

信號電壓加在VIN+和VIN-之間，VIN-相當于傳感器工作的電壓基準點。根據運算放大器工作時，具有“虛短”、“虛斷”的原理，放大器的兩個輸入端電壓相等，流入運算放大器輸入端電流為零，可知：

所以：I-R2=I+R1I-=I+R1/R2

故：Io=I++I-=I+*（R1/R2+1）=100*I+=100VIN/RIN

此時變送器輸出電流IO只是信號變化的部分電流，它的變化范圍是0～16mA，對應I+是0～0.16mA，可以根據這一電流和輸入信號的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實現4～20mA的電流環，還必須加入4mA的偏置電流IB（這個偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流IP），方法是在運算放大器的同相輸入端通過一個補償電阻Roffset接在參考電壓上，再引入一路固定的電流Ioffset。這路電流的最大值是Ioffset_max=40uA。通過調節RS，使的偏置電流IB=100*Ioffset+I+=4mA。

2 基于XTR115的電阻式應變變送器設計

電阻式應變變送器的設計電路，主要有全橋應變電壓激勵電路、應變信號放大電路和電壓/電流轉換電路組成[4]-[5]。具體電路圖如圖3所示。

應變橋電壓激勵電路主要有U1B、Q1，應變橋激勵電壓為2.5V，由U2提供，經放大器U1B、場效應管Q1驅動應變橋工作，保證應變橋負載的變化，不會引起激勵電壓的變化。

應變橋信號的放大電路選用了美國模擬器件公司的儀表放大器AD8231[6]，AD8231是一款低漂移、軌到軌儀表放大器，具有軟件可編程增益1、2、4、8、16、32、64、128，可通過數字邏輯或引腳搭接進行增益編程。經AD8231放大后電壓信號的幅值范圍控制在為0.5V～4.5V。AD8231的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低射頻干擾引起的失調電壓變化的影響。

電壓/電流轉換電路的核心芯片是XTR115電流環芯片，外圍配合R5、R3、Q2、C8將應變輸出的電壓信號轉變為電流信號。R3、R5與芯片U2構成輸入電路，Q2提供足夠的驅動能力，驅動負載取樣電阻工作；芯片自帶的+5V電源為外部芯片和傳感器工作提供電源。

XTR115的輸入電流

IIN=Vu1_out/（R4+R5）

Iu2out_min=100*IIN=100*0.5V/（R4+R5）=2mA

此時整個電路的工作電流小于4mA，必須加偏置電壓進行補償。

Ioffset=4mA-Iu2out_min=2mA

所以，電路中R3取了125K的電阻。

實際測量中應變值與輸出電流的關系表如表1所示。

3 結語

本研究選用XTR115集成電壓電流轉換芯片，設計了一款結構簡單，性能穩定的遠距離傳輸電阻式應變變送器。此變送器僅需要兩根傳輸線就能工作，具有功耗小、使用可靠、抗干擾能力強，具有很好的推廣價值。

參考文獻

[1]鄭秀瑗，謝大吉.應力應變電測技術[M].北京：國防工業出版社，1985.

[2]德州儀器.4～20mA電流變送器的工業控制應用[J].世界電子元器件，2006（1）：93～96

[3]Texas Instruments.Texas Instruments Incorporated XTR115 Datasheet[M].US： Texas Instruments，2009.

[4]昝勇，羅永紅，王沛瑩. XTR115電流環電路原理 及應用.電子設計工程，2011，19（8）：190～192.

[5]張華棟，孫麗麗.用TMS320LF2407和XTR115設計電流環通訊口.電子產品世界，2005，21：90～91.

[6]Analog Devices.Analog Devices Incorporated AD8231 Datasheet[M].US： Analog Devices，2007.endprint

摘要：電流變送器在電阻式應變測量儀表中得到廣泛應用，這種變送器將應變測量的電壓信號轉變為標準的電流信號。本文講述了4～20m兩線制變送器芯片XTR115的工作原理及在應變測量過程中的設計應用。

關鍵詞：兩線制 電阻式應變傳感器 電壓/電流轉換

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0163-02

電阻式應變測量技術是用電阻式應變計測定機械構件的表面應變，再根據應力、應變的關系式，確定構件表面應力狀態的一種實驗應力分析方法[1]。在應變測量過程中，往往需要將應變傳感器的微弱信號進行長距離傳輸才能應用，而弱信號的傳輸更容易受到傳輸線路的影響，為了防止強電磁電氣設備對傳輸電壓信號的影響，往往將電壓信號轉變為電流信號進行傳輸，如工業中經常使用的4～20mA電流變送器。本文主要設計了一款基于XTR115的兩線制電阻式應變變送器。

1 兩線制變送器芯片XTR115的工作原理[2]-[3]

XTR115是美國德州儀器公司（TI）的產品，能夠實現電壓/電流的轉換，適合于對熱電偶、電橋、壓力傳感器等。XTR115是可以實現二線制電流變送的芯片，內置2.5V基準電壓源可作為傳感器的激勵源；芯片具有+5V精密穩壓源，可以給外部電路提供單獨供電，從而簡化了外部電路的設計；精度高，非線性誤差小；設計了功率管接口，配合NPN型晶體管，驅動負載電路的工作，同時降低了芯片的功耗（如圖1所示）。

第一部分是電路環電路的核心部分，它是由內部的運算放大器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外部晶體管Q0組成。第二部分是電源調理部分。它給電阻式應變傳感器提供工作電源和參考電壓。第三部分Rlim和晶體管Q0、Q1組成限流保護電路，防止輸出電流過大造成后續處理電路損壞。現選取電流環轉換電路主要工作部分進行分析，如圖2所示。

信號電壓加在VIN+和VIN-之間，VIN-相當于傳感器工作的電壓基準點。根據運算放大器工作時，具有“虛短”、“虛斷”的原理，放大器的兩個輸入端電壓相等，流入運算放大器輸入端電流為零，可知：

所以：I-R2=I+R1I-=I+R1/R2

故：Io=I++I-=I+*（R1/R2+1）=100*I+=100VIN/RIN

此時變送器輸出電流IO只是信號變化的部分電流，它的變化范圍是0～16mA，對應I+是0～0.16mA，可以根據這一電流和輸入信號的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實現4～20mA的電流環，還必須加入4mA的偏置電流IB（這個偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流IP），方法是在運算放大器的同相輸入端通過一個補償電阻Roffset接在參考電壓上，再引入一路固定的電流Ioffset。這路電流的最大值是Ioffset_max=40uA。通過調節RS，使的偏置電流IB=100*Ioffset+I+=4mA。

2 基于XTR115的電阻式應變變送器設計

電阻式應變變送器的設計電路，主要有全橋應變電壓激勵電路、應變信號放大電路和電壓/電流轉換電路組成[4]-[5]。具體電路圖如圖3所示。

應變橋電壓激勵電路主要有U1B、Q1，應變橋激勵電壓為2.5V，由U2提供，經放大器U1B、場效應管Q1驅動應變橋工作，保證應變橋負載的變化，不會引起激勵電壓的變化。

應變橋信號的放大電路選用了美國模擬器件公司的儀表放大器AD8231[6]，AD8231是一款低漂移、軌到軌儀表放大器，具有軟件可編程增益1、2、4、8、16、32、64、128，可通過數字邏輯或引腳搭接進行增益編程。經AD8231放大后電壓信號的幅值范圍控制在為0.5V～4.5V。AD8231的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低射頻干擾引起的失調電壓變化的影響。

電壓/電流轉換電路的核心芯片是XTR115電流環芯片，外圍配合R5、R3、Q2、C8將應變輸出的電壓信號轉變為電流信號。R3、R5與芯片U2構成輸入電路，Q2提供足夠的驅動能力，驅動負載取樣電阻工作；芯片自帶的+5V電源為外部芯片和傳感器工作提供電源。

XTR115的輸入電流

IIN=Vu1_out/（R4+R5）

Iu2out_min=100*IIN=100*0.5V/（R4+R5）=2mA

此時整個電路的工作電流小于4mA，必須加偏置電壓進行補償。

Ioffset=4mA-Iu2out_min=2mA

所以，電路中R3取了125K的電阻。

實際測量中應變值與輸出電流的關系表如表1所示。

3 結語

本研究選用XTR115集成電壓電流轉換芯片，設計了一款結構簡單，性能穩定的遠距離傳輸電阻式應變變送器。此變送器僅需要兩根傳輸線就能工作，具有功耗小、使用可靠、抗干擾能力強，具有很好的推廣價值。

參考文獻

[1]鄭秀瑗，謝大吉.應力應變電測技術[M].北京：國防工業出版社，1985.

[2]德州儀器.4～20mA電流變送器的工業控制應用[J].世界電子元器件，2006（1）：93～96

[3]Texas Instruments.Texas Instruments Incorporated XTR115 Datasheet[M].US： Texas Instruments，2009.

[4]昝勇，羅永紅，王沛瑩. XTR115電流環電路原理 及應用.電子設計工程，2011，19（8）：190～192.

[5]張華棟，孫麗麗.用TMS320LF2407和XTR115設計電流環通訊口.電子產品世界，2005，21：90～91.

[6]Analog Devices.Analog Devices Incorporated AD8231 Datasheet[M].US： Analog Devices，2007.endprint