CN114894223B - 一种新型的电桥传感器信号调理电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了信号检测电路技术领域的一种新型的电桥传感器信号调理电路及方法，包括如下步骤：S1：依据测量系统技术指标结合所选电桥类型传感器选择合适的ICF仪表放大器，确定预期标度VTarget Sensitivity；S2：基于所选传感器和ICF仪表放大器特性，确定相应的前级增益AG、增益匹配电阻RG、基础增益电阻R1及反馈电阻RA；S3：依据测量系统初测标度建立相应关系式确定满足测量系统标度要求的增益电阻RF＝R1||R2；S4：依据测量系统输出失调电压VOS建立相应关系式确定反馈电压调节电阻RB＝R3||R4、RC，消除传感器调理电路的失调电压；S5：将基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器信号调理电路整定参数固化，对基于传感器信号调理电路输出测量值对所设计测量系统进行复合复验，参数整定简单，便于大批量实施。
Description
技术领域
本发明属于信号检测电路技术领域，涉及一种电桥类型传感器信号调理，具体为一种基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器信号调理电路及方法。
背景技术
电桥类型传感器在工业检测领域的应用非常多。如应力、应变、扭矩、温度、振动频率等物理量的测量，也有基于应力应变衍生物理量的测量,如加速度、角位移等。电桥类型传感器均是将物理量变化转换为电桥桥臂电阻阻值变化，通过对电阻阻值的测量实现对相应物理量的测量。
由于常规物理量变化导致的电阻阻值变化是一个相对微弱的信号，直接对敏感电阻的测量效果不太理想。电桥是该类型传感器的一种实现方式，采用敏感电阻为桥臂，通过电桥转换，可以实现敏感电阻阻值较精确的测量，同时可提升传感器抗干扰和标度方面的性能。
但是由于生产工艺、材料特性等的影响，电桥类型传感器各桥臂上敏感电阻的一致性有差异，进而导致电桥类型传感器原始输出均包含输出失调电压。常规电桥结构示意如附图1所示，桥臂敏感电阻误差与电桥输出失调电压的关系满足VOS＝±(VEXT+-VEXT-)×ΔR/R。这就需要对电桥类型传感器输出信号进行调理，实现传感器输出失调电压及标度指标的综合修正。
经典电桥类型传感器调理电路示意如附图2所示，基于常规仪表放大器调理电路可以实现一定范围内的对电桥传感器输出失调电压及标度进行修正。通过仪表放大器差分增益级实现对传感器输出标度的修正，通过后级减法器实现对失调电压的修正。电桥传感器经仪表放大器调理后的输出电压满足：VO＝(V+-V-)×(1+2RF/RG)+VREF，其中(V+-V-)＝VSENSOR_Original+VOS_Original是包含电桥传感器原始有效信号VSENSOR_Original和原始失调电压VOS_Original的综合电桥输出。
但是仪表放大器的前级增益对VSENSOR_Original和VOS_Original进行了同步放大，由于实际应用中VOS_Original需要较大的差分增益，但是VOS_Original经过该增益放大后导致仪表放大器前级输出饱和，进而导致后级减法器对失调电压的修正失效。工程上常规是通过电阻分流法、降低前级增益和软件补偿失调电压的方法去解决失调电压修正失效的问题。由于三种方法增加了电桥传感器调理电路的复杂度及成本，不利于大批量工业化生产，因此在工程应用中并不是最理想的解决方案。
基于ICF(Indirect Current Feedback间接电流反馈)仪表放大器基本调理电路如图3所示，类似常规仪表放大器，基于ICF仪表放大器电桥传感器调理电路的输出电压满足VO＝(V+-V-)×(1+RF/RG)+VREF；而且该型仪表放大器通过引入反馈节点重构了仪表放大器，当输入电压(V+-V-)与反馈节点之间电压(VFB-VREF)，满足V+-V-＝VFB-VREF的条件时，ICF仪表放大器可以建立反馈，即电桥传感器调理电路的输出电压满足VO＝(VFB-VREF)×(1+RF/RG)+VREF。当(VFB-VREF)与VOS，满足关系式VOS＝(VFB-VREF)时，就可以通过(VFB-VREF)对电桥传感器失调电压进行精确修正，进而可以避免基于常规仪表放大器电桥传感器调理电路的失调电压修正失效问题或前级增益降低导致的传感器指标不达预期的问题。
针对上述中的相关技术，本发明提供一种新型的电桥传感器信号调理电路及方法。
发明内容
本发明提供一种新型的电桥传感器信号调理电路及方法，通过电阻RA引入反馈电压VFB，其中综合可得该电桥传感器调理电路的输出电压当满足关系式时，本调理电路可以消除电桥传感器的失调电压VOS，最大化的实现仪表放大器的前级增益，而且调理电路参数整定过程简单，便于大批量实施。
本发明提供一种新型的电桥传感器信号调理电路及方法，采用如下的技术方案：所述的电桥传感器信号调理方法是利用电桥传感器信号调理电路实现的，
所述的电桥传感器信号调理电路包括基于ICF仪表放大器电桥传感器调理电路以及固化于所述ICF仪表放大器电桥传感器调理电路相应位置，增益电阻RF、RG、反馈电阻RA、反馈调节电阻RB、RC，
其中，RF＝R1||R2，RB＝R3||R4，输出电压满足关系式
所述的电桥传感器信号调理方法具体包括如下步骤：
S1：依据测量系统技术指标结合所选电桥类型传感器选择合适的ICF仪表放大器，确定预期标度VTarget Sensitivity；
S2：基于所选传感器和ICF仪表放大器特性，确定相应的前级增益AG、增益匹配电阻RG、基础增益电阻R1及反馈电阻RA；
S3：依据测量系统初测标度建立相应关系式/>计算确定满足测量系统标度要求的增益电阻RF＝R1||R2；
S4：依据测量系统输出失调电压VOS建立相应关系式计算确定反馈电压调节电阻RB＝R3||R4、RC，消除传感器调理电路的失调电压；
S5：将基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器信号调理电路整定参数固化后，对基于传感器信号调理电路输出测量值对所设计测量系统进行复合复验。
可选的，依据所选电桥传感器在预设工作激励电压VEX＝(VEXT+-VEXT-)条件下的原始输出标度VOriginal Sensitivity，以及测量系统的预期标度VTarget Sensitivity，选一款工作电压、输出电压、增益特性、输入阻抗特性满足测量系统使用需求的ICF仪表放大器，并计算基于此ICF仪表放大器电桥传感器信号调理电路的额定前级增益AG＝VOriginal Sensitivity/VTarget Sensitivity。
可选的，依据所选电桥传感器桥臂敏感电阻静态阻值分布，综合考虑测量系统静态功耗、增益电阻相关噪声及ICF仪表放大器的输出负载能力，选择合适的增益匹配电阻RG。
可选的，由于仪表放大器的输入特性决定反馈电阻RA远大于增益电阻RF，即RF/RA对前级增益的影响远小于RF/RG的，据此可以简化额定前级增益AG＝(1+RF/RG)，结合S1确定的RG和S2确定的AG，可以初步计算增益电阻RF。
可选的，依据所选电桥传感器参数，可以确定在预设工作激励电压VEX＝(VEXT+-VEXT-)条件下的电桥传感器原始输出失调电压VOriginal OS，结合调理电路额定前级增益AG，可以推算出电桥传感器经调理电路后的输出失调电压VOS＝AG×VOriginal OS，在反馈电阻RA远大于增益电阻RF的条件下，电桥传感器调理电路输出电压可以简化为在确定的VREF条件下，通过反馈电阻RA引入的电压VFB，实现调节电压(VFB-VREF)，在满足关系式/>就实现对电桥传感器输出失调电压VOS的修正，在(VFB-VREF)确定的条件下，可以推算出反馈电阻
可选的，通过测量系统在±1g条件下输出数据，得出相应测量系统标度结合预设标度VTarget Sensitivity，满足关系式/>可以计算出来增益电阻满足/>进一步确定增益电阻中的R2，至此可以准确得出增益电阻RF，而且使测量系统的标度满足预期指标。
可选的，按照以上所选的RG、RA、RF，通过测量系统在0g条件下的输出数据，得出测量系统的输出失调电压VOS＝A'G1×VOriginal OS，本调理电路在满足关系式时就可以消除传感器失调电压对测量系统的影响，反馈电压VFB通过电阻RB＝R3||R4、RC引入，且满足/>由此可以计算出来反馈电压调节电阻参数RB＝R3||R4、RC。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益效果：
通过增益电阻RF、RG实现电桥传感器标度修正，通过反馈电阻RA引入VFB实现电桥传感器失调电压VOS修正。具体的电桥传感器调理电路输出电压由于反馈电阻RA导致增益由AG＝(1+RF/RG)变为A'G＝(1+RF/RG+RF/RA)，本发明中通过RF＝R1||R2并联电阻的方式，实现预设增益偏离误差ΔAG＝RF/RA进行修正。同样由于反馈电阻RA导致预设增益变化ΔAG，进而导致电桥传感器的输出失调电压由VOS＝AG×VOriginal OS变为VOS＝A'G×VOriginal OS，本发明中采用并联电阻的方式RB＝R3||R4重构反馈节点电压/>进而实现对失调电压偏离V′OS＝ΔAG×VOriginal OS误差的修正。
通过电阻RA引入反馈电压VFB，其中综合可得该电桥传感器调理电路的输出电压/>当满足关系式/>时，本调理电路可以消除电桥传感器的失调电压VOS，最大化的实现仪表放大器的前级增益，而且调理电路参数整定过程简单，便于大批量实施。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为常规电桥类型传感器示意图；
图2为经典电桥类型传感器调理电路示意图；
图3为ICF仪表放大器基本原理电路示意图；
图4为基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器信号调理电路示意图；
图5为基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器调理方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图4-5，通过基于本发明中所诉传感器信号调理电路及方法的测量系统具体设计方案及相关参数整定流程，对本发明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，本领域一般技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以如下加速度测量系统技术指标为例，加速度测量范围：±500g；输出电压范围：0.5V～4.5V；输出零位：2.5V@0g；输出标度VTarget Sensitivity＝4mV/g。依据测量系统要求选用泰科电子MEAS 3038-0500型电桥式加速度传感器做为前端敏感原件，按照上述要求设计相应的信号调理电路。参阅图4，一种基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器信号调理电路示意图。相应的参数整定流程参阅图5，基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器调理方法流程图。
具体包括如下步骤：
S1：依据MEAS 3038-0500加速度传感器数据手册，传感器工作电压设定单极性电源VEXT+＝4.5V、VEXT-＝0V、VEX＝(VEXT+-VEXT-)＝4.5V，传感器原始标度VOriginal Sensitiviyt＝0.2mV/g，传感器桥臂电阻RSENSOR＝2600Ω～6500Ω，传感器原始输出失调电压VOriginal OS＝±25mV。
结合上述测量系统指标要求和MEAS 3038-0500加速度传感器特性，选定ADI公司的一款ICF仪表放大器AD8237构建相应的电桥传感器信号调理电路。依据所选仪表放大器的输入阻抗特性和传感器的RSENSOR范围，选取增益匹配电阻RG＝1KΩ。
基于所选仪表放大器的电桥传感器信号调理电路输出电压满足关系式测量系统调理电路的额定前级增益AG＝VOriginal Sensitivity/VTarget Sensitivity＝(4mV/g)/(0.2mV/g)＝20。
S2：依据所选仪表放大器的输入阻抗特性和传感器的RSENSOR范围，选取增益匹配电阻RG＝1KΩ。
S3：基于所选仪表放大器的电桥传感器信号调理电路输出电压满足关系式测量系统调理电路的额定前级增益AG1＝VOriginal Sensitivity/VTarget Sensitivity＝(4mV/g)/(0.2mV/g)＝20。在反馈电阻RA远大于增益电阻RF条件下，可简化/>为AG＝(1+RF/RG)，满足此条件时增益电阻RF＝18KΩ＝R1||R2，预选增益电阻RF中R1＝40KΩ，R2＝∞，反馈电阻RA＝200KΩ。
S4：依据所选电桥传感器参数，可以确定在预设工作激励电压VEX＝(VEXT+-VEXT-)条件下的电桥传感器原始输出失调电压VOriginal OS，结合调理电路额定前级增益AG，可以推算出电桥传感器经调理电路后的输出失调电压VOS＝AG×VOriginal OS，在反馈电阻RA远大于增益电阻RF的条件下，电桥传感器调理电路输出电压可以简化为在确定的VREF条件下，通过反馈电阻RA引入的电压VFB，实现调节电压(VFB-VREF)，在满足关系式/>就实现对电桥传感器输出失调电压VOS的修正，在(VFB-VREF)确定的条件下，可以推算出反馈电阻/>
S5：将上述办法整定的调理电路参数，通过传感器信号调理电路输出测量值对所设计测量系统进行复合复验：
按照以上所选的RG＝1KΩ、RF＝R1||R2＝40KΩ、RA＝200KΩ。
可以计算出测量系统调理电路此时的前级增益通过测量系统在±1g条件下输出数据，得出相应测量系统标度/>结合预设标度VTarget Sensitivity＝4mV/g，满足关系式/>可以计算出来增益电阻满足/>进一步确定增益电阻中的R2，至此可以准确得出增益电阻RF，而且使测量系统的标度满足预期指标。
按照以上所选的RG＝1KΩ、RA＝200KΩ、RF，通过测量系统在0g条件下的输出数据，得出测量系统的输出失调电压VOS＝A'G×VOriginal OS，本调理电路在满足关系式时就可以消除传感器失调电压对测量系统的影响。反馈电压VFB通过电阻RB＝R3||R4、RC引入，且满足/>由此可以计算出来反馈电压调节电阻参数RB＝R3||R4、RC。
以上对本发明所提供的一种基于ICF仪表放大器的电桥传感器信号调理电路和方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员而言，可以理解在不脱离本发明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。本领域的一般技术人员，依据本发明的具体实施过程及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (4)
1.一种新型的电桥传感器信号调理方法，其特征在于：所述的电桥传感器信号调理方法是利用电桥传感器信号调理电路实现的，
所述的电桥传感器信号调理电路包括基于ICF仪表放大器电桥传感器调理电路以及固化于所述ICF仪表放大器电桥传感器调理电路相应位置，增益电阻RF、RG、反馈电阻RA、反馈调节电阻RB、RC，
其中，RF＝R1||R2，RB＝R3||R4，输出电压满足关系式
所述的电桥传感器信号调理方法具体包括如下步骤：
S1：依据测量系统技术指标结合所选电桥类型传感器选择合适的ICF仪表放大器，确定预期标度VTarget Sensitivity；
S2：基于所选传感器和ICF仪表放大器特性，确定相应的前级增益AG、增益匹配电阻RG、基础增益电阻R1及反馈电阻RA；
S3：依据测量系统初测标度建立相应关系式/>计算确定满足测量系统标度要求的增益电阻RF＝R1||R2；
S4：依据测量系统输出失调电压VOS建立相应关系式计算确定反馈电压调节电阻RB＝R3||R4、RC，消除传感器调理电路的失调电压；
S5：将基于ICF仪表放大器的电桥类型传感器信号调理电路整定参数固化后，对基于传感器信号调理电路输出测量值对所设计测量系统进行复合复验；
依据所选电桥传感器在预设工作激励电压VEX＝(VEXT+-VEXT-)条件下的原始输出标度VOriginal Sensitivity，以及测量系统的预期标度VTarget Sensitivity，选一款工作电压、输出电压、增益特性、输入阻抗特性满足测量系统使用需求的ICF仪表放大器，并基于此ICF仪表放大器电桥传感器信号调理电路计算额定前级增益AG＝VOriginal Sensitivity/VTarget Sensitivity；
由于仪表放大器的输入特性决定反馈电阻RA远大于增益电阻RF，即RF/RA对前级增益的影响远小于RF/RG的，据此可以简化额定前级增益AG＝(1+RF/RG)，结合步骤S1确定的RG和步骤S2确定的AG，可以初步计算增益电阻RF；
依据所选电桥传感器参数，可以确定在预设工作激励电压VEX＝(VEXT+-VEXT-)条件下的电桥传感器原始输出失调电压VOriginal OS，结合调理电路额定前级增益AG，可以推算出电桥传感器经调理电路后的输出失调电压VOS＝AG×VOriginal OS，在反馈电阻RA远大于增益电阻RF的条件下，电桥传感器调理电路输出电压可以简化为在确定的VREF条件下，通过反馈电阻RA引入的电压VFB，实现调节电压(VFB-VREF)，在满足关系式/>时，就实现对电桥传感器输出失调电压VOS的修正，在调节电压(VFB-VREF)确定的条件下，可以推算出反馈电阻/>
2.根据权利要求1所述的一种新型的电桥传感器信号调理方法，其特征在于：依据所选电桥传感器桥臂敏感电阻静态阻值分布，综合考虑测量系统静态功耗、增益电阻相关噪声及ICF仪表放大器的输出负载能力，选择合适的增益匹配电阻RG。
3.根据权利要求1所述的一种新型的电桥传感器信号调理方法，其特征在于：通过测量系统在重力加速度为±1g条件下输出数据，得出相应测量系统标度结合预设标度VTarget Sensitivity，满足关系式/>可以计算出来增益电阻满足/>进一步确定增益电阻中的R2，至此可以准确得出增益电阻RF，而且使测量系统的标度满足预期指标。
4.根据权利要求3所述的一种新型的电桥传感器信号调理方法，其特征在于：按照以上所选的RG、RA、RF，通过测量系统在重力加速度为0g条件下的输出数据，得出测量系统的输出失调电压VOS＝A'G1×VOriginal OS，本调理电路在满足关系式时就可以消除传感器失调电压对测量系统的影响，反馈电压VFB通过电阻RB＝R3||R4、RC引入，且满足/>由此可以计算出来反馈电压调节电阻参数RB＝R3||R4、RC。
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