CN105547341B - 一种测量五线制差动电阻式传感器的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，包括模数转换器、恒压源、基准电阻和模拟开关，模数转换器分别连接恒压源和模拟开关，恒压源连接五线制差动电阻式传感器，模拟开关分别连接五线制差动电阻式传感器和基准电阻；本发明还提供了测量五线制差动电阻式传感器的方法，用测量五线制差动电阻式传感器的装置分别测量五线制差动电阻式传感器电阻比和电阻和。本发明消除了现有测量方法中因两次测量而引起的误差，使得电阻比的测量精度只与模数转换器的精度有关，电阻和的精度只与模数转换器和基准电阻的精度有关，从而提高了使用五线制差动电阻式传感器进行测量的准确性和可靠性。

Description

一种测量五线制差动电阻式传感器的装置和方法

技术领域

本发明涉及传感器的测试领域，尤其是一种测量五线制差动电阻式传感器的装置和方法。

背景技术

在安全监测技术领域中，通常采用五线制差动电阻式传感器来监测工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断工程的健康安全状况。

五线制差动电阻式传感器是由两根相同材质(其电阻率为ρ)、相同截面积(为s)的钢丝配对组成，两根钢丝初始长度(为l)相等。两根钢丝的初始电阻为在感知外界作用力F的时候，其中一根钢丝会产生Δl的拉伸变形，而另一根钢丝则会产生Δl的压缩变形，在弹性范围内其中k为已知恒常数。两根钢丝的电阻值分别通过公式变换可得到F是R₁/R₂(称作电阻比)的函数：通过测量R₁/R₂就能实现对F的测量。若设ΔR＝R₁-R₂，则F是的单一函数，通过测量也同样能实现对F的测量，五线制差动电阻式传感器等效电路如图2所示，包括第一芯线51、第二芯线52、第三芯线53、第四芯线54、第五芯线55、电阻R₁和电阻R₂。

现有技术中对五线制差动电阻式传感器测量的等效原理图如图3和图4所示，其测量方法主要是采用恒流源I激励传感器和R_ref，其中R_ref为低温漂高精度电阻，恒流源I在流经的电阻R₁、R₂和R_ref上分别产生压降V₁、V₂和V_ref。在测量电阻比时如图3，用模数转换器内部的基准源作为基准分别测量V₁和V₂，得到量化转换结果分别为N₁和N₂，可得电阻比R₁/R₂＝V₁/V₂＝N₁/N₂。在测量电阻和时如图4，将V_ref作为基准分别测量V₁和V₂，得到量化转换结果N₃和N₄，可得电阻和R₁+R₂＝(N₃+N₄)*R_ref。图3、图4所示的测量方法电阻比和电阻和的测量精度理论上只与模数转换器的精度和R_ref的精度有关，若模数转换器只有一个模拟输入通道，则需要通过电子开关或继电器将V₁和V₂分别切入模拟通道进行测量，如图3所示。若模数转换有2个模拟通道，则将V₁和V₂分别接入2个模拟通道进行测量，如图4所示，模数转换器在测量时还是通过内部的模拟开关切换输入进行测量。用图3和图4所示的方法在测量电阻比和电阻和时都需要模数转换器进行两次转换，若在两次转换之间的切换输入过程中带入噪声或在模数转换器两次转换过程中激励源或基准源有微小的波动，会使得两次转换的结果不是基于同一基准源，从而影响测量的精度和稳定性，但安全监测自动化实施的现场条件往往是非常恶劣的，外部干扰多、供电质量差、温度变化大等都会影响到激励源和基准源的准确性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种结构简单、测量精度高的测量五线制差动电阻式传感器的装置和方法。

实现本发明目的的技术方案是：一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，包括模数转换器、恒压源、基准电阻和模拟开关，模数转换器分别连接恒压源和模拟开关，恒压源连接五线制差动电阻式传感器，模拟开关分别连接五线制差动电阻式传感器和基准电阻。

作为本发明的优化方案，模数转换器有效精度至少16位。

作为本发明的优化方案，模数转换器的模拟输入通道输入电压范围大于等于2倍模数转换器的基准电压。

作为本发明的优化方案，模数转换器至少包含两组模拟输入通道。

作为本发明的优化方案，恒压源为高精度恒压源。

作为本发明的优化方案，基准电阻的精度≥±0.005％。

作为本发明的优化方案，模拟开关为低导通电阻的模拟开关。

一种测量五线制差动电阻式传感器的电路，其中模数转换器的模拟输入通道为引脚AIN1P、引脚AIN2P、引脚AIN1N、引脚AIN2N，模数转换器的基准电压输入端为引脚VREFP和引脚VREFN，模拟开关包括模拟开关S₁、模拟开关S₂和模拟开关S₃；恒压源的输出端与五线制差动电阻式传感器的第一芯线连接；五线制差动电阻式传感器的第二芯线与模数转换器的引脚AIN1P和引脚AIN2P相连；五线制差动电阻式传感器的第三芯线与模数转换器的引脚AIN1N和模拟开关S₁的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第四芯线与模数转换器的引脚AIN2N和模拟开关S₁的第二引脚相连，模拟开关S₁的第二引脚和模拟开关S₂的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第五芯线与模拟开关S₃的公共端连接，模拟开关S₃的源端第一引脚接地，模拟开关S₃的源端第二引脚与基准电阻的一端相连，基准电阻的另一端接地；模拟开关S₂的第二引脚接地；模拟开关S₁的公共端与模数转换器的引脚VREFP相连，模拟开关S₂的公共端与模数转换器的引脚VREFN相连接。

一种测量五线制差动电阻式传感器的方法，包括：

a、恒压源激励五线制差动电阻式传感器，将五线制差动电阻式传感器中一个电阻两端的电压作为模数转换器的基准电压，测量五线制差动电阻式传感器中另一个电阻两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻比；

b、基准电阻两端的电压作为模数转换器的基准电压，通过模拟开关的切换测量五线制差动电阻式传感器两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻和。

本发明具有积极的效果：消除了现有测量方法中因两次测量而引起的误差，使得电阻比的测量精度只与模数转换器的精度有关，电阻和的精度只与模数转换器和基准电阻的精度有关。在使用精度高的模数转换器后可以获取更高的测量精度，从而提高了使用五线制差动电阻式传感器进行测量的准确性和可靠性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明一种测量五线制差动电阻式传感器的装置的原理图；

图2为五线制差动电阻式传感器等效电路图；

图3为现有技术中对五线制差动电阻式传感器电阻比测量的原理图；

图4为现有技术中对五线制差动电阻式传感器电阻和测量的原理图；

图5为本发明测量五线制差动电阻式传感器电阻比的等效电路图；

图6为本发明测量五线制差动电阻式传感器电阻和的等效电路图；

图7为本发明测量五线制差动电阻式传感器的实施例电路图。

其中：1、模数转换器，2、恒压源，3、基准电阻，4、模拟开关，51、第一芯线，52、第二芯线，53、第三芯线，54、第四芯线，55、第五芯线。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，包括模数转换器1、恒压源2、基准电阻3和模拟开关4，模数转换器1分别连接恒压源2和模拟开关4，恒压源2连接五线制差动电阻式传感器，模拟开关4分别连接五线制差动电阻式传感器和基准电阻3。

一种利用前述测量五线制差动电阻式传感器的装置的测量方法，包括：

a、恒压源2激励五线制差动电阻式传感器，将五线制差动电阻式传感器中一个电阻两端的电压作为模数转换器1的基准电压，测量五线制差动电阻式传感器中另一个电阻两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻比；

b、基准电阻3两端的电压作为模数转换器1的基准电压，通过模拟开关4的切换测量五线制差动电阻式传感器两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻和；

a和b的顺序可以更换。

其中，模数转换器1有效精度至少16位，根据《DLT 1134-2009大坝安全监测数据自动采集装置》中对差动电阻式传感器测量技术要求，电阻比测量分辨率需达到±0.00001，精度达到±0.00002。设定模数转换器的有效转换精度为N，则需要满足2^N≥20000，则有模数转换器1有效精度至少16位。

模数转换器1的模拟输入通道输入电压范围大于等于2倍基准电压，根据《DLT1134-2009大坝安全监测数据自动采集装置》中对差动电阻式传感器测量技术要求，电阻比的测量范围为：0.8～1.2，模数转换器1的模拟输入通道最大输入电压能够达到基准电压的1.2倍，由于模数转换器1的基准电压为模拟通道最大输入电压的整数倍，则模数转换器1的模拟输入通道输入电压范围大于等于2倍基准电压。

模数转换器1至少包含两组模拟输入通道，为了降低电路复杂度，在测量电阻比和电阻和时采用了不同的模拟输入通道，故模数转换器1至少包含两组模拟输入通道。

恒压源2为高精度恒压源，因模数转换器1在实际测量时，是经过多次采样，然后将多次采样的结果进行数据处理后输出的。为减少因恒压源的变化引起在模数转换器1的一次测量过程中引起的测量误差。恒压源2为线性精度为0.02％的高精度恒压源，且为防止误操作将传感器两端用导线短接，恒压源2应具有短路保护功能。

基准电阻3的精度≥±0.005％，温度系数为≤±1ppm。根据《DLT 1134-2009大坝安全监测数据自动采集装置》中对差动电阻式传感器测量技术要求，电阻和的测量范围为：0.02Ω～120.02Ω，测量精度为±0.01Ω，则对基准电阻3的误差要求须≤0.01Ω。设基准电阻3的阻值选择130Ω，设其的精度为γ，则130*γ≤0.01，即有：γ≤±0.0077％。按照电阻精度标注方法则有基准电阻3的精度≤±0.005％，温度系数为≤±1ppm。

模拟开关4为低导通电阻的模拟开关，为降低模拟开关4对外接测量仪表的影响，应选择导通电阻为欧姆级别的模拟开关。在测量电阻比和电阻和的过程中需要切换不同的基准源输入到模数转换器1的外部基准源的输入端。采用低导通电阻的模拟开关4实现基准源的切换。在测量时，没有电流流经五线制差动电阻式传感器的对应芯线，模拟开关4的导通电阻不会影响到电压作为模数转换器1的基准源的准确性。

如图5所示是测量五线制差动电阻式传感器电阻比的等效电路图，使用恒压源2激励五线制差动电阻式传感器，将五线制差动电阻式传感器的第一芯线51与恒压源2的输出端相连；将第二芯线52与模数转换器1的模拟输入通道0的正端AIN0+相连；传感器的第三芯线53与模数转换器1模拟输入通道0的负端AIN0-相连，传感器的第三芯线53和模数转换器外置基准源输入正端Vref0+相连，传感器的第四芯线54与模数转换器1的外置基准源输入负端Vref0-相连，传感器的第五芯线55接地。测量电阻比时，将R₂两端的电压V₂作为模数转换器1的基准源，测量R₁两端的电压V₁，即可通过N计算出电阻比。

如图6所示是测量五线制差动电阻式传感器电阻和的等效电路图，采用恒压源2激励五线制差动电阻式传感器和基准电阻3，即R_ref。将传感器的第一芯线51与恒压源2的输出端相连；将传感器的第二芯线52与模数转换器1模拟输入通道1的正端AIN1+相连；将传感器的第四芯线54与模数转换器1模拟输入通道的负端AIN1-相连，传感器的第四芯线54和模数转换器1的外置基准源输入正端Vref0+相连，将传感器的第五芯线55与基准电阻3的一端相连；将基准电阻3的另一端接地；将模数转换器1的外置基准源输入负端Vref0-接地。在此设定高精度模数转换器1的分辨率为M位，模数转换器1的转换结果为N。测量电阻和时，将R_ref两端的电压V_ref作为模数转换器1的基准源，测量R₁和R₂两端的电压V(R₁+R₂)，即可通过N计算出电阻和。

如图7所示是测量五线制差动电阻式传感器的实施电路图，结合了图5和图6，模数转换器1的模拟输入通道为引脚AIN1P、引脚AIN2P、引脚AIN1N、引脚AIN2N，模数转换器1的基准电压输入端为引脚VREFP和引脚VREFN，模拟开关4包括模拟开关S₁、模拟开关S₂和模拟开关S₃；恒压源2的输出端与五线制差动电阻式传感器的第一芯线51连接；五线制差动电阻式传感器的第二芯线52与模数转换器1的引脚AIN1P和引脚AIN2P相连；五线制差动电阻式传感器的第三芯线53与模数转换器1的引脚AIN1N和模拟开关S₁的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第四芯线54与模数转换器1的引脚AIN2N和模拟开关S₁的第二引脚相连，模拟开关S₁的第二引脚和模拟开关S₂的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第五芯线55与模拟开关S₃的公共端连接，模拟开关S₃的源端第一引脚接地，模拟开关S₃的源端第二引脚与基准电阻3的一端相连，基准电阻3的另一端接地；模拟开关S₂的第二引脚接地；模拟开关S₁的公共端与模数转换器1的引脚VREFP相连，模拟开关S₂的公共端与模数转换器1的引脚VREFN相连接。

实施例：

测量时采用如图7所示的电路实施例图，为实现更高精度的电阻比和电阻和的测量，模数转换器选用ADS1222，该模数转换器具有如下特点：

1、分辨率为24位，其中20位为有效数据；

2、2个差分输入通道，输入电压范围为±2V_ref(其中±V_ref为基准电压)；

3、最小允许基准电压为0.5V，最大基准电压为模拟供电电压AVDD。为降低系统功耗采用3.3V给模数转换器1的模拟电源和数字电源供电。

恒压源2选择2.5V恒压源。测量电阻比时，控制模拟开关S₁使传感器的第三芯线53与模数转换器1的电压基准输入正VREF1P相连。控制模拟开关S₂使传感器第四芯线54与模数转换电压基准输入VREFN相连；控制模拟开关S₃使传感器第五芯线55接地。此时2.5V恒压源2只激励传感器，在R₁两端的电压为V₁，在R₂两端的电压为V₂。在R₁两端的电压为V₁将作为被测信号接入模数转换器1的模拟输入通道1，R₂两端的电压为V₂将作为模数转换器的外部基准输入,即V_ref＝V₂。又因ADS1222能够测量的模拟信号输入范围为±2V_ref，转换结果量化为N₁。根据模数转换器1的转换结果计算公式则有：

从公式1中得出：模数转换器只需要转换一次就可得到电阻比，其测量精度只与N₁的精度有关。

测量电阻和时，控制模拟开关S₁使传感器的第四芯线54与模数转换器电压基准输入VREFP相连。控制模拟开关S₂使模拟地与模数转换电压基准输入VREFN相连；控制模拟开关S₃使传感器第五芯线55与基准电阻3，即R_ref相连，此时2.5V恒压源2激励传感器和基准电阻3R_ref，在传感器两端的电压为V(R₁+R₂)，在基准电阻3R_ref两端的电压为V_ref。传感器两端的电压V(R₁+R₂)将作为被测信号接入模数转换器1的模拟输入通道2。基准电阻3R_ref两端的电压为V_ref将作为模数转换器的外部基准输入，即根据行业标准，将R_ref选择为130Ω,精度为±0.005％，温度系数为±1ppm的高精度电阻。使能模数转换器的模拟输入通道2后，控制模数转换器完成转换，转换结果量化为N₂。根据模数转换器的转换结果计算公式则有：

通过对公式2进行变换即可得出：

从公式3中得出：模数转换器只需要转换一次就可得到电阻和，其测量精度与N₂的精度有关和基准电阻3的精度有关。

本发明实现了五线制差动电阻式传感器的电阻比和电阻和的高精度测量，消除了因模数转换器多次测量所带来的误差。本发明的实现电路具有结构简单，精度高等优点。经过电桥率定器的标定，其测量精度高于行业标准。本发明可用于便携式差动电阻式读数仪和差动电阻式自动化测量装置，在用户差动电阻式自动化测量装置时，需要采用继电器或电子开关实现多路差动电阻式传感器的切换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，其特征在于：包括模数转换器(1)、恒压源(2)、基准电阻(3)和模拟开关(4)，所述的模数转换器(1)分别连接恒压源(2)和模拟开关(4)，所述的恒压源(2)连接五线制差动电阻式传感器，所述模拟开关(4)分别连接五线制差动电阻式传感器和基准电阻(3)，所述的模数转换器(1)有效精度至少16位，所述的模数转换器(1)至少包含两组模拟输入通道，所述的模数转换器(1)的模拟输入通道为引脚AIN1P、引脚AIN2P、引脚AIN1N、引脚AIN2N，所述的模数转换器(1)的基准电压输入端为引脚VREFP和引脚VREFN，所述的模拟开关(4)包括模拟开关S1、模拟开关S2和模拟开关S3；恒压源(2)的输出端与五线制差动电阻式传感器的第一芯线(51)连接；五线制差动电阻式传感器的第二芯线(52)与模数转换器(1)的引脚AIN1P和引脚AIN2P相连；五线制差动电阻式传感器的第三芯线(53)与模数转换器(1)的引脚AIN1N和模拟开关S1的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第四芯线(54)与模数转换器(1)的引脚AIN2N和模拟开关S1的第二引脚相连，模拟开关S1的第二引脚和模拟开关S2的第一引脚相连；五线制差动电阻式传感器的第五芯线(55)与模拟开关S3的公共端连接，模拟开关S3的源端第一引脚接地，模拟开关S3的源端第二引脚与基准电阻(3)的一端相连，基准电阻(3)的另一端接地；模拟开关S2的第二引脚接地；模拟开关S1的公共端与模数转换器(1)的引脚VREFP相连，模拟开关S2的公共端与模数转换器(1)的引脚VREFN相连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，其特征在于：所述的模数转换器(1)的模拟输入通道输入电压范围大于等于2倍模数转换器(1)的基准电压。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，其特征在于：所述的恒压源(2)为高精度恒压源。

4.根据权利要求3所述的一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，其特征在于：所述基准电阻(3)的精度≥±0.005％。

5.根据权利要求4所述的一种测量五线制差动电阻式传感器的装置，其特征在于：所述的模拟开关(4)为低导通电阻的模拟开关。

6.一种利用权利要求1至5中任一项所述的装置测量五线制差动电阻式传感器的方法，其特征在于：包括：

a、恒压源(2)激励五线制差动电阻式传感器，将五线制差动电阻式传感器中一个电阻两端的电压作为模数转换器(1)的基准电压，测量五线制差动电阻式传感器中另一个电阻两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻比；

b、基准电阻(3)两端的电压作为模数转换器(1)的基准电压，通过模拟开关(4)的切换测量五线制差动电阻式传感器两端的电压，计算出五线制差动电阻式传感器两个电阻的电阻和。