一種簡單應變式傳感器的調理電路的設計

胡旭

摘要??? 本文詳細介紹了電阻應變計的工作原理、調理電路組成。具體給出了每部分電路的設計原理、性能指標、器件選型。

【關鍵詞】電阻應變計 調理電路 強度試驗

在飛機強度試驗中電測技術的應用已經不可取代，對于各種電測系統來說傳感器的重要作用不言而喻。測量過程中，對傳感器輸出信號進行濾波、放大、A/D轉換是保證測量精度的至關重要的環節。在飛機強度試驗中使用最多的是電阻應變式傳感器，如載荷傳感器，所以調理電路設計的合理性對飛機強度試驗來說意義重大。

1 應變式傳感器的工作原理

電阻應變式傳感器的工作原理是以電阻應變計作為轉換元件將被測的非電量轉換為應變計的電阻值變化（ΔR）。金屬導線的電阻值（R）與其長度（L）和截面積（S）的關系如1式所示，其中ρ是金屬電阻率。

通過1式可以看出，金屬絲電阻與長度成正比，與截面積成反比。在外部應力的作用下金屬絲的長度和截面積發生改變，金屬絲的電阻發生改變隨之變化，從而使電路中金屬絲兩端的電壓發生改變，通過對電壓值變化的測量便可計算出我們所關心的物理量。

電阻式傳感器優點是精度高，測量范圍廣、壽命長、結構簡單、頻響特性好，能在惡劣環境下工作，易于實現小型化、整體化和品種多樣化等。缺點是對于大應變有較大的非線性、輸出信號較弱，但可以采取一定的補償措施。

2 影響調理電路的因素

調理電路就是將前端測量到的信號轉換成為可供分析的標準信號。其中的調理過程包括信號放大、濾波、A/D轉換等，下面我們就根據調理電路的功能分析影響調理電路的因素：

2.1 阻抗的匹配

信號傳輸過程中負載阻抗和信號源內阻抗之間的特定配合關系，匹配關系是否合理直接影響著系統的整體性能。

2.2 信號放大

信號放大是調理電路的一項重要功能，放大電路也是應用最廣的電子電路之一。放大電路要將原有的微弱信號借助能量源增加信號的功率和幅度，并保證不改變信號的原有形態。

2.3 濾波

濾波電路就是對信號中不要的頻率進行最大程度的衰減，以去除脈動的直流電壓中的交流干擾信號，是直流電壓的紋波降至最小，保留其原有形態。

2.4 A/D轉換

A/D就是將電流、電壓等電信號模擬量轉換為數字信號，轉換類型可分為積分型、比較型、調制型等。其性能又可用分辨率、線性度、轉換率等指標來反映。

3 調理電路設計

綜前所述，調理電路就是對來自傳感器的小信號進行濾波、放大、抑制干擾、A/D轉換。為了實現以上功能，調理電路由前置放大器、緩沖放大器、差分濾波放大器等器件組成，如圖1所示。

3.1 前置放大器

前置放大器是決定系統準確度的關鍵器件之一，它必須具有非線性小、共模抑制比高、輸入和輸出溫漂小，輸入阻抗高以及頻率響應高等綜合性能。根據以往的設計經驗和市場考察本設計中采用美國BB公司生產的儀表放大器INA141U。

儀表放大器INA141U采用差分輸入，放大倍數為100，最大增益誤差為0.075%，且無需外加元件，使用方便。如圖1所示，在輸入級中兩只電感、兩只開關二極管以及一只電容起抗干擾和過載保護作用。

3.2 緩沖放大器

緩沖放大器起緩沖和放大作用，放大倍數依據使用需求由程序確定其具體數值。對整個調理電路而言阻抗匹配的作用是由緩沖放大器來完成的，并減少信號的失真、抗干擾。本設計中的程控放大器選用美國AD公司生產的AD8251，其以緩沖放大為內核，兼具程控放大功能。AD8251具有很好的綜合性能，無需外加元件，使用方便。AD8251的程控放大倍數為可通過程序設置為1倍、2倍、3倍和4倍。前置放大倍數為100，所以調理電路總的放大倍數為100倍、200倍、300倍和400倍。

3.3低通濾波器

如圖1所示，本設計中的低通濾波器為有源濾波器，增益為1。其電路由高性能運算放大器和電阻、電容組成。其中運算放大器選用了美國AD公司生產的AD8610，它的最大輸出電壓為±10V，具有精度高、噪音低、頻帶寬頻率響應高、增益穩定的優點，可用做高性能濾波電路。低通濾波器對放大信號中的噪音電壓起抑制作用，從而增加了信噪比，確保測量準確度，它的低通頻帶約為0～5kHz。

3.4AD轉換

AD轉換采用美國BB公司的AD7807U，AD7807U是一款高性能的AD轉換器，其具有16位轉換分辨率（由于分辨率越高對前置電路的穩定性要求就越高，而且考慮到實際的測量精度，所以16位的轉換分辨率完全滿足本設計的要求），轉換速度40k/s，通訊接口采用8位并行接口，電源方面采用5V單電源供電，電壓輸入范圍為±10V。

4 小結

本文介紹了一種用于電阻式傳感器這樣的小信號處理的調理電路的設計，其特點是易于實現、穩定、高效、低成本，在實際的應用中本設計的以上特點也均得到體現。

參考文獻

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