CN106546272B - 一种阻抗式传感器信号采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阻抗式传感器信号采集系统，包括电阻R1、R2和R，所述电阻R1、R2和R在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电阻Zsen1和Zsen2、芯片IC2组成电桥，其中Zsen1和Zsen2磁敏传感器探头特性相同，且平行放置，方向相反，设Zsen1＝Rsen+jX，则Zsen2＝Rsen‑jX传感器电桥臂总阻抗为Z＝Zsen1+Zsen2＝2Rsen；本发明通过测量Vc，即可计算出Rsen；芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为‑10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为本发明采用无相位差交流阻抗电桥，用模拟电路实现电桥平衡，提高磁敏传感器灵敏度，减小干扰，优化电路，降低成本。

Description

一种阻抗式传感器信号采集系统
技术领域
本发明涉及仪器仪表、电子测量和传感器技术领域，具体为一种阻抗式传感器信号采集系统。
背景技术
在工程应用中，各种非电物理量往往通过传感器转换成电信号后进行测试，如磁场强度、压力、位移、温度、应变、气体等。不同性质的传感器根据不同转换输出类型可分为阻抗式、电阻式、电流式、频率式等。本发明主要是针对阻抗输出型磁敏传感器进行信号采集，传感器特性为过零点且阻抗变化随外加磁场呈线性变化，磁敏特性曲线见发明专利“一种高灵敏无零场盲点线性响应跨零微弱磁场的探头(专利号：CN201110200045.X)”。此类磁敏传感器，需要在磁敏材料上绕制电感线圈，外围磁场发生变化时，由于磁敏材料的作用，使得绕制在磁敏材料上的电感线圈阻抗发生较大的变化，通过测量接在电路中的电感线圈的交流阻抗来感知磁场变化。此类传感器常规的测量电路有基于MOS管振荡电路的测量[毕明姝.基于MOS管振荡电路的非晶态合金弱磁场传感器的研制[D].吉林：吉林大学，2010]，多谐振荡桥路[鲍丙豪.单磁芯双绕组非晶丝新型磁场传感器的研究[J].仪器仪表学报，2001，22(2)：168-171]、Colpitts振荡电路[韩冰.基于钴基非晶材料巨磁阻抗效应传感器的研究[D].吉林：吉林大学，2009]等，此类电路通过振荡电路将磁敏信号转换成频率信号，并通过检波滤波电路实现信号检测，信号转换过程中灵敏度打大折扣。文献[聂新华，潘仲明，张文娜.基于正交锁定差分放大器的巨磁阻抗(GMI)磁传感器[J].国防科技大学学报，2014，36(2)：181-185]提出了采用锁定差分放大器实现磁敏传感信号的检测，虽然灵敏度高，但电路过于复杂。
电桥是一种实现阻抗式、电阻式传感器高灵敏度测量的较好的方法。文献[陈先中,李芸芸,侯庆文.基于巨磁阻抗效应的微磁传感器研制[J].传感技术学报，2007，20(12)：2575-2578]提出了电桥测量法实现阻抗式磁敏传感的测量，但采用的不平衡电桥在电源电压不稳定以及环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。
平衡电桥可以克服电源电压不稳定及环境温度变化等因素，但平衡电桥的调零比较麻烦，以往的平衡电桥应用中，电位器的调零由人工完成或者利用伺服电机来调整电位器的位置实现自动平衡[黄长艺，严普强.机械工程测试技术基础.第二版.北京：机械工业出版社，1999：97-98]，导致系统需要反复凋节，使用复杂、效率低，测试时间长。文献[杨光友，周国柱，陈定方.数字电位器在平衡电桥测量中的应用[J].仪表技术与传感器，2004(5)：30-31]通过单片机控制数字电位器实现平衡电桥自动调零，调零过程得到简化，但数字电路的引入，带来了很多干扰信号，导致测试精度受到影响。文献[王永明，陈勇根.ARM控制的自平衡电桥在线测米电阻系统[J].自动化仪表，2011，32(4):71-73]通过场效应管实现平衡电桥自动调零，但场效应管一方面受温度影响，另一方面本身存在电阻非线性，因此可调节范围有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种阻抗式传感器信号采集系统，它能有效的解决背景技术中存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种阻抗式传感器信号采集系统，包括电阻R1、R2和R，所述电阻R1、R2和R在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电抗Zsen1和Zsen2、芯片IC2组成电桥，其中Zsen1和Zsen2磁敏传感器探头特性相同，且平行放置，方向相反，设Zsen1＝Rsen+jX，则Zsen2＝Rsen-jX，传感器电桥臂总阻抗为Z＝Zsen1+Zsen2＝2Rsen；芯片IC1实现放大功能，即Vout＝A(V1-V2)，A为芯片IC1放大倍数；Vout信号通过电路1送至IC3，电路1为峰值检波电路；IC3为自带ADC的单片机，ADC用来实现Vout峰值信号采集；根据芯片IC2特性，IC2输出VXYO为VXYO＝V2Vc，R和芯片IC2所组成的电路等效电阻可表示为：
式中SF为芯片IC2内部调节因子，调节范围为3～10V；芯片IC2的SF引脚由稳压调节芯片IC4调节；单片机IC3通过控制电路4产生正弦信号，并将正弦波Vref输入到电桥；电路4由信号发生器AD9850、低通滤波和输出驱动组成；
设Vref＝Usinωt，则即V1、V2和Vref同相位，为使交流电桥达到平衡，只需满足V1、V2幅值相等即可；
当传感器受外界磁场变化影响导致等效电抗Zsen1和Zsen2变化时，芯片IC1输出Vout＝A(V1-V2)发生变化，通过电路2将变化量Vc反馈给芯片IC2，从而使R和芯片IC2所组成的电路等效电阻Rctl随之改变，从而达到新的平衡；电路2为积分电路；传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
通过测量Vc，即可计算出Rsen；芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为
进一步，将电阻R1、Rsen互换位置，则传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为
进一步，电桥由电阻R2、在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电抗Zsen1和Zsen2、电阻R和芯片IC2、电阻Rˊ和芯片IC2ˊ组成；电阻R和Rˊ大小相等；电路2输出反馈电压Vc送到IC2、IC2ˊ时，接入的极性相反，用Y+、Y-表示；IC2、IC2ˊ和所对应的电阻R、Rˊ所组成电路等效电阻可表示为：
传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
通过测量Vc，即可计算出Rsen；芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为0＜Rsen＜∞。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明克服以振荡电路为基础的磁敏检测灵敏度低，以锁定差分放大器为基础的磁敏传感信号检测电路过于复杂，不平衡电桥磁敏传感检测易受电源电压和环境温度影响的缺点，同时，为克服由人工完成或者利用伺服电机来调整电位器的位置实现自动平衡的缺点，避免由数字电路控制实现自动平衡调节带来的额外干扰，场效应管实现自动平衡带来的调节范围有限、线性度不佳等限制，本发明采用无相位差交流阻抗电桥，用模拟电路实现电桥平衡，提高磁敏传感器灵敏度，减小干扰，优化电路，降低成本。
附图说明
附图1为阻抗式传感器信号采集系统1；
附图2为阻抗式传感器信号采集系统2；
附图3为阻抗式传感器信号采集系统3；
附图4为所用磁敏材料制作的阻抗式传感器信号采集系统在不同外界磁场条件下测得的外界磁场和传感器等效电阻Rsen曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种阻抗式传感器信号采集系统，包括电阻R1、R2和R，如图1所示，电阻R1、R2、R、在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电抗Zsen1和Zsen2、芯片IC2组成电桥，其中Zsen1和Zsen2磁敏传感器探头特性相同，且平行放置，方向相反，设Zsen1＝Rsen+jX，则Zsen2＝Rsen-jX，传感器电桥臂总阻抗为Z＝Zsen1+Zsen2＝2Rsen；芯片IC1实现放大功能，即Vout＝A(V1-V2)，A为芯片IC1放大倍数；Vout信号通过电路1送至IC3，电路1为峰值检波电路；IC3为自带ADC的单片机，ADC用来实现Vout峰值信号采集；根据芯片IC2特性，IC2输出VXYO为VXYO＝V2Vc，R和芯片IC2所组成的电路等效电阻可表示为：
式中SF为芯片IC2内部调节因子，调节范围为3～10V；芯片IC2的SF引脚由稳压调节芯片IC4调节；单片机IC3通过控制电路4产生正弦信号，并将正弦波Vref输入到电桥；电路4由信号发生器AD9850、低通滤波和输出驱动组成；
设Vref＝Usinωt，则即V1、V2和Vref同相位，为使交流电桥达到平衡，只需满足V1、V2幅值相等即可；
当传感器受外界磁场变化影响导致等效电抗Zsen1和Zsen2变化时，芯片IC1输出Vout＝A(V1-V2)发生变化，通过电路2将变化量Vc反馈给芯片IC2，从而使R和芯片IC2所组成的电路等效电阻Rctl随之改变，从而达到新的平衡；电路2为积分电路；传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
通过测量Vc，即可计算出Rsen；芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为
同理，如图2所示，将电阻R1、Rsen互换位置，则传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为
图3为在图1基础上进一步改进的双平衡阻抗式传感器信号采集系统；电桥由电阻R2、在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电抗Zsen1和Zsen2、电阻R和芯片IC2、电阻Rˊ和芯片IC2ˊ组成；电阻R和Rˊ大小相等；电路2输出反馈电压Vc送到IC2、IC2ˊ时，接入的极性相反，用Y+、Y-表示；IC2、IC2ˊ和所对应的电阻R、Rˊ所组成电路等效电阻可表示为：
传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
通过测量Vc，即可计算出Rsen；芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为0＜Rsen＜∞。
实施列：
参阅图1所示，本发明的第一种阻抗式传感器信号采集系统；电阻R1、R2、R、在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电抗Zsen1和Zsen2、芯片IC2组成电桥；Zsen1和Zsen2特性相同，平行放置且方向相反；芯片IC2为MPY634或者同类功能芯片；IC2的正X端与R2相连，正Y端与电路2相连，输出端O与R相连，SF引脚连接到稳压调节芯片IC4，除电源引脚外，IC2其它引脚均用GZ表示，并接到地；电桥节点V1、V2接入差分运算放大器IC1，IC1输出信号接入峰值检波电路1，检波后的电压信号接入内带ADC的单片机IC3，同时接入积分电路2，积分后的信号反馈至IC2的正Y端，实现电桥自平衡；电桥电源Vref为正弦交流电源，由单片机IC3通过控制电路4实现；电路4由信号发生器AD9850、低通滤波和输出驱动组成；单片机IC3通过测量电压Vc，并计算出传感器等效电阻Rsen值，将对应的磁场大小等信息送至显示电路3；IC3也可由独立的ADC芯片和单片机构成。
参阅图2所示，本发明的第二种阻抗式传感器信号采集系统；与电路1不同之处仅在于R1和传感器等效电抗Zsen1、Zsen2实现位置互换。
参阅图3所示，本发明的第三种阻抗式传感器信号采集系统；电阻R2、传感器等效电抗Zsen1、Zsen2、电阻R和芯片IC2、电阻R和芯片IC2ˊ组成电桥；芯片IC2的正X端与R2相连，正Y端与电路2相连，输出端O与R相连，SF引脚连接到稳压调节芯片IC4，芯片IC2其它引脚，除电源引脚外，IC2其它引脚均用GZ表示，并接到地；芯片IC2ˊ的正X端与Zsen2相连，负Y端与电路2相连，输出端O与R相连，SF引脚连接到稳压调节芯片IC4ˊ，芯片IC2ˊ其它引脚，除电源引脚外，均用GZ表示，并接到地；电桥节点V1、V2接入差分运算放大器IC1，IC1输出信号Vout接入峰值检波电路1，检波后的电压信号接入内带ADC的单片机IC3，同时接入积分电路2，积分后的信号反馈至IC2的正Y端和IC2ˊ的负Y端，实现电桥自平衡；电桥电源Vref为正弦交流电源，由单片机IC3通过控制电路4实现；电路4由信号发生器AD9850、低通滤波和输出驱动组成；单片机IC3通过测量电压Vc，并计算出传感器阻抗Rsen值，将对应的磁场大小等信息送至显示电路3；IC3也可由独立的ADC芯片和单片机构成。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种阻抗式传感器信号采集系统，包括电阻R1、R2和R，其特征在于：所述电阻R1、R2和R在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电抗Zsen1和Zsen2、芯片IC2组成电桥，其中Zsen1和Zsen2磁敏传感器探头特性相同，且平行放置，方向相反，设Zsen1＝Rsen+jX，则Zsen2＝Rsen-jX，传感器电桥臂总阻抗为Z＝Zsen1+Zsen2＝2Rsen；芯片IC1实现放大功能，即Vout＝A(V1-V2)，A为芯片IC1放大倍数；Vout信号通过电路1送至IC3，电路1为峰值检波电路；IC3为自带ADC的单片机，ADC用来实现Vout峰值信号采集；根据芯片IC2特性，IC2输出VXYO为VXYO＝V2Vc，R和芯片IC2所组成的电路等效电阻可表示为：
式中SF为芯片IC2内部调节因子，调节范围为3～10V；芯片IC2的SF引脚由稳压调节芯片IC4调节；单片机IC3通过控制电路4产生正弦信号，并将正弦波Vref输入到电桥；电路4由信号发生器AD9850、低通滤波和输出驱动组成；
设Vref＝Usinωt，则即V1、V2和Vref同相位，为使交流电桥达到平衡，只需满足V1、V2幅值相等；
当传感器受外界磁场变化影响导致等效电抗Zsen1和Zsen2变化时，芯片IC1输出Vout＝A(V1-V2)发生变化，通过电路2将变化量Vc反馈给芯片IC2，从而使R和芯片IC2所组成的电路等效电阻Rctl随之改变，从而达到新的平衡；电路2为积分电路；传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
通过测量Vc，即可计算出Rsen；芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为
2.根据权利要求1所述的一种阻抗式传感器信号采集系统，其特征在于：将电阻R1、Rsen互换位置，则传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
芯片IC2内部调节因子SF调节范围为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为
3.根据权利要求1所述的一种阻抗式传感器信号采集系统，其特征在于：电桥由电阻R2、在磁敏材料上绕制电感后的传感器等效电抗Zsen1和Zsen2、电阻R和芯片IC2、电阻Rˊ和芯片IC2ˊ组成；电阻R和Rˊ大小相等；电路2输出反馈电压Vc送到IC2、IC2ˊ时，接入的极性相反，用Y+、Y-表示；IC2、IC2ˊ和所对应的电阻R、Rˊ所组成电路等效电阻可表示为：
传感器等效电阻Rsen为：
在达到平衡时，即Vout＝A(V1-V2)＝0，有：
通过测量Vc，即可计算出Rsen；芯片IC2内部调节因子SF设定为3～10V，Vc取值为-10V＜Vc＜10V，则Rsen测量最大范围为0＜Rsen＜∞。
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Application publication date: 20170329

Assignee: Jinhua Zhihe Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: ZHEJIANG NORMAL University

Contract record no.: X2022980008288

Denomination of invention: An impedance sensor signal acquisition system

Granted publication date: 20181123

License type: Common License

Record date: 20220627

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