CN104344928A - 一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路 - Google Patents

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本发明涉及天平式微力矩校准仪技术领域，具体公开了一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路。该放大电路中，高隔离度电路输入端与天平微力矩校准仪的位移信号和力信号相连，并输出位移跟随信号和力跟随信号，实现天平微力矩校准仪产生的位移信号和力信号与天平微力矩校准仪机械结构的高度隔离；高闭环回路增益电路对天平微力矩校准仪的横梁偏转进行闭环控制，使其快速进入稳定装置，并稳定在角度较小的偏转位置。该放大电路中高隔离度电路能够有效提高测量电路的驱动能力和抗干扰能力，降低位移信号和力信号的损失，同时通过高闭环回路增益电路可确保横梁在偏转过程中一直处于理想的偏转角度内，有效提高天平微力矩校准仪测量的线性度。

Description

一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路
技术领域
本发明属于天平式微力矩校准仪技术领域，具体涉及一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路。
背景技术
天平微力矩校准仪采用刀子刀承支承等臂杠杆，在杠杆两端设置力矩器，由力矩器的输出（力）与等臂杠杆臂长（矩）的乘积给出校准力矩值。
根据杠杆式天平的基本原理，力矩器的输出（力）与力矩器磁钢的磁感应强度、力矩器线圈长度以及通过线圈的电流相关。平衡状态下，力矩器的输出保持不变，线圈长度保持不变，通过线圈的电流与力矩器磁钢的磁感应强度相关。
工作时，力矩器的输出（力）用通过力矩器线圈的电流值来表征，实验中发现，外加激励的力与通过力矩器线圈的电流值存在较大的非线性关系。分析后认为：在不同的外加激励情况下，杠杆发生偏转，导致力矩器在力矩器磁钢中的位置发生改变，其所处位置的磁感应强度相应发生改变，引起外加激励的力与通过力矩器线圈的电流值之间的非线性。
为使外加激励的力与通过力矩器线圈的电流值保持线性关系，可行的方法有两条：一是提高磁钢中的磁感应强度的均匀性；二是降低杠杆受力后的旋转角度。提高磁钢中磁感应强度的均匀性难度较大，本发明拟通过降低杠杆受力后的旋转角度来提高天平微力矩校准仪测量线性度。
发明内容
本发明的目的在于本发明的目的在于提供一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，可以通过降低杠杆受力后的旋转角度来提高天平微力矩校准仪在整个测量范围内的线性度。
本发明的技术方案如下：一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，该放大电路包括高隔离度电路和高闭环回路增益电路，其中，高隔离度电路输入端与天平微力矩校准仪的位移信号和力信号相连，并输出位移跟随信号和力跟随信号，实现天平微力矩校准仪产生的位移信号和力信号与天平微力矩校准仪机械结构的高度隔离；高闭环回路增益电路对天平微力矩校准仪的横梁偏转进行闭环控制，使其快速进入稳定装置，并稳定在角度较小的偏转位置。
所述的高隔离度电路包括运算放大器A和运算放大器A，其中，运算放大器A的同相输入端通过电阻R1接收输入的位移信号，运算放大器A的反相输入端直接通过导线与运算放大器A的输出端连接，并在输出端输出位移跟随信号；运算放大器B的同相输入端通过电阻R2接收输入的力信号，运算放大器B的反相输入端直接通过导线与运算放大器B的输出端连接，并在输出端输出力跟随信号。
所述的高闭环回路增益电路包括运算放大器C和运算放大器D，其中，运算放大器C的同相输入端通过电阻R7与地相连，反相输入端通过并联的电容C19和电阻R8与运算放大器C的输出端相连，且运算放大器C的输出端通过电阻R9与运算放大器D的同相输入端相连，并在电阻R9与运算放大器D的同相输入端之间的线路上通过电容C24与地相连；运算放大器D的反相输出端通过导线直接与运算放大器D的输出端相连。
所述的高隔离度电路中运算放大器A正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器A的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C1、C2和电容C3、C4；运算放大器B正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器B的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C5、C6和电容C7、C8。
所述的电容C1和电容C3为电解电容，电容值相等为10μF；电容C2和电容C4的电容值相等为0.1μF；与运算放大器A输入端相连的电阻R1的电阻值为1KΩ；所述的电容C5和电容C7为电解电容，电容值相等为10μF；电容C6和电容C8的电容值相等为0.1μF；与运算放大器A输入端相连的电阻R2的电阻值为1KΩ。
所述的运算放大器C正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器C的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C20、C21和电容C22、C23；所述的运算放大器D正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器D的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C25、C26和电容C27、C28。
所述的电容C20和电容C22为电解电容，电容值相等为10μF；电容C21和电容C23的电容值相等为0.1μF；所述的电容C25和电容C27为电解电容，电容值相等为10μF；电容C26和电容C28的电容值相等为0.1μF。
所述的运算放大器C输入端相连的电阻R7的电阻值为3.3KΩ；运算放大器C反相输入端与输出端之间的电容C19为0.1μF，电阻R8为可调阻值的电阻，其电阻值典型值为1MΩ；运算放大器C输出端与运算放大器D之间的电阻R9的阻值为10KΩ，电容C24的电容值为0.47μF。
所述的高隔离度电路中的运算放大器A和运算放大器B为具有高阻抗的运放AD602。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路中高隔离度电路能够有效提高测量电路的驱动能力和抗干扰能力，降低位移信号和力信号的损失，同时通过高闭环回路增益电路可确保横梁在偏转过程中一直处于理想的偏转角度内，有效提高天平微力矩校准仪测量的线性度。
附图说明
图1为本发明所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路中高隔离度电路示意图；
图2为本发明所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路中高闭环回路增益电路示意图；
图中：1、运算放大器A；2、运算放大器B；3、运算放大器C；4、运算放大器D。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，包括高隔离度电路和高闭环回路增益电路，其中，高隔离度电路输入端与天平微力矩校准仪的位移信号和力信号相连，并输出位移跟随信号和力跟随信号，实现天平微力矩校准仪产生的位移信号和力信号与天平微力矩校准仪机械结构的高度隔离；高闭环回路增益电路对天平微力矩校准仪的横梁偏转进行闭环控制，使其快速进入稳定装置，并稳定在角度较小的偏转位置；如图1所示，高隔离度电路包括运算放大器A1和运算放大器A2，其中，运算放大器A1的同相输入端通过电阻R1接收输入的位移信号，运算放大器A1的反相输入端直接通过导线与运算放大器A1的输出端连接，并在输出端输出位移跟随信号；运算放大器A1正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器A1的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C1、C2和电容C3、C4；其中，电容C1和电容C3为电解电容，电容值相等为10μF；电容C2和电容C4的电容值相等为0.1μF；与运算放大器A1输入端相连的电阻R1的电阻值为1KΩ；高隔离度电路中的运算放大器B2的同相输入端通过电阻R2接收输入的力信号，运算放大器B2的反相输入端直接通过导线与运算放大器B2的输出端连接，并在输出端输出力跟随信号；运算放大器B2正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器B2的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C5、C6和电容C7、C8，其中，电容C5和电容C7为电解电容，电容值相等为10μF；电容C6和电容C8的电容值相等为0.1μF；与运算放大器A1输入端相连的电阻R2的电阻值为1KΩ；高隔离度电路中的运算放大器A1和运算放大器B2为具有高阻抗的运放AD602。
如图2所示，高闭环回路增益电路包括运算放大器C3和运算放大器D4，其中，运算放大器C3的同相输入端通过电阻R7与地相连，反相输入端通过并联的电容C19和电阻R8与运算放大器C3的输出端相连，且运算放大器C3的输出端通过电阻R9与运算放大器D4的同相输入端相连，并在电阻R9与运算放大器D4的同相输入端之间的线路上通过电容C24与地相连；运算放大器C3正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器C3的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C20、C21和电容C22、C23，其中，电容C20和电容C22为电解电容，电容值相等为10μF；电容C21和电容C23的电容值相等为0.1μF；与运算放大器C3输入端相连的电阻R7的电阻值为3.3KΩ；运算放大器C3反相输入端与输出端之间的电容C19为0.1μF，电阻R8为可调阻值的电阻，其电阻值典型值为1MΩ；运算放大器C3输出端与运算放大器D4之间的电阻R9的阻值为10KΩ，电容C24的电容值为0.47μF；运算放大器D4的反相输出端通过导线直接与运算放大器D4的输出端相连，运算放大器D4正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器D4的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C25、C26和电容C27、C28，其中，电容C25和电容C27为电解电容，电容值相等为10μF；电容C26和电容C28的电容值相等为0.1μF。高闭环回路增益电路中，通过调节R8的阻值，可以调节天平微力矩校准仪横梁的最大偏转角度，确保横梁在偏转过程中一直处于理想的偏转角度内，能够有效提高天平微力矩校准测量的线性度。

Claims (9)

1.一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：该放大电路包括高隔离度电路和高闭环回路增益电路，其中，高隔离度电路输入端与天平微力矩校准仪的位移信号和力信号相连，并输出位移跟随信号和力跟随信号，实现天平微力矩校准仪产生的位移信号和力信号与天平微力矩校准仪机械结构的高度隔离；高闭环回路增益电路对天平微力矩校准仪的横梁偏转进行闭环控制，使其快速进入稳定装置，并稳定在角度较小的偏转位置。
2.根据权利要求1所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的高隔离度电路包括运算放大器A（1）和运算放大器A（2），其中，运算放大器A（1）的同相输入端通过电阻R1接收输入的位移信号，运算放大器A（1）的反相输入端直接通过导线与运算放大器A（1）的输出端连接，并在输出端输出位移跟随信号；运算放大器B（2）的同相输入端通过电阻R2接收输入的力信号，运算放大器B（2）的反相输入端直接通过导线与运算放大器B（2）的输出端连接，并在输出端输出力跟随信号。
3.根据权利要求1所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的高闭环回路增益电路包括运算放大器C（3）和运算放大器D（4），其中，运算放大器C（3）的同相输入端通过电阻R7与地相连，反相输入端通过并联的电容C19和电阻R8与运算放大器C（3）的输出端相连，且运算放大器C（3）的输出端通过电阻R9与运算放大器D（4）的同相输入端相连，并在电阻R9与运算放大器D（4）的同相输入端之间的线路上通过电容C24与地相连；运算放大器D（4）的反相输出端通过导线直接与运算放大器D（4）的输出端相连。
4.根据权利要求2所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的高隔离度电路中运算放大器A（1）正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器A（1）的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C1、C2和电容C3、C4；运算放大器B（2）正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器B（2）的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C5、C6和电容C7、C8。
5.根据权利要求4所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的电容C1和电容C3为电解电容，电容值相等为10μF；电容C2和电容C4的电容值相等为0.1μF；与运算放大器A（1）输入端相连的电阻R1的电阻值为1KΩ；所述的电容C5和电容C7为电解电容，电容值相等为10μF；电容C6和电容C8的电容值相等为0.1μF；与运算放大器A（1）输入端相连的电阻R2的电阻值为1KΩ。
6.根据权利要求3所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的运算放大器C（3）正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器C（3）的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C20、C21和电容C22、C23；所述的运算放大器D（4）正电源端口接有+15V电压，负电源端口接有-15V电压，并在分别在运算放大器D（4）的正电源端口与地之间，以及负电源端口与地之间，分别并联有电容C25、C26和电容C27、C28。
7.根据权利要求6所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的电容C20和电容C22为电解电容，电容值相等为10μF；电容C21和电容C23的电容值相等为0.1μF；所述的电容C25和电容C27为电解电容，电容值相等为10μF；电容C26和电容C28的电容值相等为0.1μF。
8.根据权利要求6所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的运算放大器C（3）输入端相连的电阻R7的电阻值为3.3KΩ；运算放大器C（3）反相输入端与输出端之间的电容C19为0.1μF，电阻R8为可调阻值的电阻，其电阻值典型值为1MΩ；运算放大器C（3）输出端与运算放大器D（4）之间的电阻R9的阻值为10KΩ，电容C24的电容值为0.47μF。
9.根据权利要求2或4或5所述的一种提高天平微力矩校准仪测量线性度的放大电路，其特征在于：所述的高隔离度电路中的运算放大器A（1）和运算放大器B（2）为具有高阻抗的运放AD602。
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