CN202255709U - 基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路。当六维力传感器弹性体受外力作用出现变形时，贴在弹性体表面应变片的阻值将出现变化。电阻应变片组成全桥并采用恒定电流供电，电桥输出的电信号反映了弹性体受力状况。电桥输出信号一般只有毫压级，经过信号放大电路进一步放大后，才能满足A/D转换电路的要求。A/D转换模块将放大后的电压信号转换成数字信号，数字信号通过CAN控制模块和CAN驱动模块实时发送到CAN总线，供上位机读取。本实用新型通过构建六路一致的恒流源电路，成功解决了由于引线电阻等因素引起的测量误差，提高了系统的测量精度和稳定性。

Description

基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路

技术领域

本实用新型属于信号转换技术领域，具体涉及一种基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路。 

背景技术

根据敏感元件在桥臂中的数量，可将应变测量电路分为单臂电桥(单桥)、双臂电桥(半桥)和四臂电桥(全桥)三种。 

六维力传感器电桥按供电方式不同，通常可分为交流电桥和直流电桥两种。其中，交流电桥中敏感元件通常是电阻、电感、电容或LRC组合回路，交流电桥需采用交流电源，频率一般选用中频；而直流电桥中敏感元件通常是电阻，按供电方式不同可分为恒压电桥和恒流电桥。 

恒压电桥，是保持电桥的输入电压恒定。在一般情况下，各桥臂应变片变形不一致，引起阻值变化量也不同，导致电桥输出电压与电阻变化率成非线性关系，传感器输出电压的精度受电源电压精度的影响。由于恒压源支路和应变片支路中存在引线电阻，在有电流通过时将产生压降，使电桥输入电压降低；并且引线电阻在环境温度变化时，也要产生温度漂移，这些因素都将引起测量误差。 

恒流电桥，是保持电桥的输入电流恒定。在一般情况下，电桥输出电压与电阻变化率也成非线性关系，但明显比恒压源供电方式下的非线性小，传感器输出电压精度受控于供电电流精度。恒流源支路和应变片支路中的引线电阻，不能改变恒定电流I的大小，即引线电阻与恒定电流无关，对电桥输入电压也不产生影响。恒流源供电方式与恒压源相比，系统的可靠性和测量精度明显提高。 

国内涉及电桥发明专利87件，实用新型专利83件，外观专利8件，内容包括交流电桥演示仪、变压器线圈电阻电桥、一种新型电桥和机械式全自动变比电桥，与电桥供电有关的专利5件，分别是“交流电桥抗干扰电源(CN101655408)”、“无共模电压应变电桥信号检测电路(CN101655408)”、“一种电桥驱动电路(CN201742315)”、“一种实验用电桥(CN465981)”和“一种实用电桥(CN2380923)”。其中，“交流电桥抗干扰电源”采用一种交流电桥抗干扰电源，应用于电力系统的高压实验方面，与本专利发明内容不相关。“无共模电压应变电桥信号检测电路”采用双电源给电桥供电，目的在于消除后级仪表放大器上出现的共模电压。“一种电桥驱动电路”采用锂电池提供的直流电源为电桥供电，与稳压电 路产生的直流电源为电桥供电没有本质区别。“一种实用电桥”提供一种交直流两用的直流稳压电源装置，本质上也是一种稳压电源为电桥供电。“一种实验用电桥”采用电压或电流可调的稳压电路为电桥供电，本质也属于直流供电方式，只不过电桥供电电压或电流可以调整。在产品批量生产过程中，电桥供电电压或电流是经过计算和进一步实验后确定的，一般不需要也不允许进一步调整，因此电压或电流可调的电桥供电方式实际工程意义不大；六路恒流源输出电流的一致对六维力传感器测量精度影响很大，理论上需要保持完全一致。可调恒流源很难满足六路输出电流一致性要求。 

针对六维力传感器电桥恒流源供电方式对六路电流一致性的特殊要求，本实用新型提供一种精确的恒流源产生模块，使电桥输出电压的灵敏度明显提高，输出电压与电阻变化率的非线性减小，且系统具有可靠性高及输出误差小等优点。 

发明内容

为了提高系统稳定性和测量精度，本实用新型的目的是提供一种新型的电桥供电方式，实现稳定输出六路一致的恒定电流。 

本实用新型所采用的技术方案是： 

基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路，包括恒流源产生模块、电桥模块、放大器模块、A/D转换模块、CAN控制模块和CAN驱动模块；

恒流源产生模块输出的恒定电流输入到电桥模块，电桥模块输出的电压信号经放大器模块放大后输入到A/D转换模块的模拟信号输入端，A/D转换模块的输出端和CAN控制模块的信号输入端连接，CAN控制模块的信号输出端和CAN驱动模块的信号输入端连接，CAN驱动模块的信号输出端和CAN总线连接。

恒流源产生模块由LM317三端可调稳压芯片和电阻R1构成。 

电桥模块的组桥方式为差动全桥，敏感元件是电阻应变片。 

放大器模块由INA122运放芯片及其外围元件构成。 

上位机与现场微处理器之间采用CAN通讯方式。 

本实用新型有益效果是：六维力传感器信号转换电路，分别选用LM317三端可调稳压芯片构建六路恒流源电路，成功解决了由于引线电阻等因素引起的测量误差；由于差动全桥对温度漂移具有自补偿作用，电桥模块采用差动全桥，可以有效的避免温度误差，提高了系统的可靠性和测量精度。 

本实用新型所具有的特点是： 

1.采用LM317三端可调稳压芯片，通过外部串联电阻分压，实现为电桥提供恒定电流，此 供电方式输出的电压与电阻变换率的非线性小，且避免了引线电阻等因素引起的测量误差，保证了传感器的测量精度；

2.电桥模块采用差动全桥，这种桥路输出电压的灵敏度约为差动半桥的两倍，为单臂桥的四倍；在各桥臂参数一致的情况下，差动全桥对温度干扰量可以相互抵消，成功解决了单桥或半桥由于温度漂移引起的测量误差问题。在工作臂允许功耗一定的情况下，利用全桥将允许功耗分配到4个工作臂上去，可以获得最大的负载功率；

3.采用C8051F040微处理器，其自带A/D转换器和CAN控制器，有效简化了电路设计，使整个系统实现微小型，具有良好的实用性。

附图说明

图1为本实用新型原理框图。 

图2为本实用新型信号转换电路图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。 

如图1所示，基于恒流源供电方式六的维力传感器信号转换电路，包括恒流源产生模块、电桥模块、放大器模块、A/D转换模块、CAN控制模块和CAN驱动模块。当六维力传感器弹性体在外力作用下产生变形时，贴在弹性体上应变片的阻值发生变化，电阻应变片组桥方式为差动全桥，电桥供电方式为恒流源，电桥输出力信息的电信号。此电信号通常是毫伏级，很难满足A/D转换模块的要求，故此电信号需经放大电路进一步放大处理，放大后的电信号经A/D转换模块，可将电压信号转换为数字信号，数字信号通过CAN控制模块和CAN驱动模块实时发送至CAN总线，供上位机读取。 

各模块的功能如下： 

1)恒流源产生模块

恒流源模块选用LM317芯片，主要功能是为电桥提供恒定的电流。根据LM317输出端（2脚）和调节端（1脚）在正常工作时，两端间的稳定电压为1.25V，因此在LM317回路输出恒定电流 

与调节电阻

之间关系为：

根据电桥供电需要，设定，输出

的恒定电流。

2）电桥模块 

电桥模块主要功能是将力信号转换为电信号输出。电桥模块选用差动全桥，其灵敏度约为半桥的两倍，为单桥的四倍；非线性误差明显减小；在各桥臂参数一致情况下，全桥对温度漂移具有自补偿作用，在理论上可以消除温度误差。

3）放大器模块 

放大器模块选用INA122芯片，主要功能是放大电桥输出的微弱的电信号；

放大器输出的电压：

放大器增益公式：

为放大器增益，可通过调整外设电阻

设定。为了满足A/D转换的需要，放大倍数设定为10000，电阻

的计算值为

。

4）A/D转换模块 

主要功能是将放大器输出的电压信号转换成数字信号，以便微处理器进行处理。

5）CAN控制器 

主要功能是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。

6）CAN驱动器 

主要功能是CAN控制器和物理总线之间的接口，它可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，具有抗恶劣环境的瞬间干扰、保护总线的能力。 

图2是六维力传感器信号转换电路的原理图。六维力传感器转换电路包括恒流源产生模块、电桥模块和放大器模块。 

电解电容E1的正极接+12V电源，E1的负极接地，LM317的3脚接+12V电源，电容C1并接在E1两端，LM317的2脚接电阻R1，电阻R1的另一端和LM317的1脚接电桥输入端A，电桥由电阻R2、R3、R4和R5组成，电桥另一输入端B接地，电桥输出端C分别接电阻R7、R9和R10，电阻R7的另一端接到电源电压+5V，电阻R9的另一端接地，电阻R10的另一端接到钽电容E2的正极和放大器INA122的3脚，钽电容E2负极接地。电桥另一输出端D接电阻R6、R8和R11，电阻R6的另一端接电源电压+5V，电阻R8的另一端接地，电阻R11的另一端接钽电容E3的正极和放大器INA122的2脚，钽电容E3的负极接地。放大器INA122的1脚经电阻R12接其8脚，放大器INA122的7脚接电压VD1(VD1为电源电压+3.3V)和电容C2，电容C2另一端接INA122的4脚和地，INA122的5脚接电压VD2（VD2为电源电压+1.2V），放大器INA122的输出端6脚接电阻R13，电阻R13的另一端接钽电容E4的正极和A/D转换模块的E点，钽电容E4的负极接地。 

Claims (4)

1.基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路，包括恒流源产生模块、电桥模块、放大器模块、A/D转换模块、CAN控制模块和CAN驱动模块；其特征在于：

恒流源产生模块输出的恒定电流输入到电桥模块，电桥模块输出的电压信号经放大器模块放大后输入到A/D转换模块的模拟信号输入端，A/D转换模块的输出端和CAN控制模块的信号输入端连接，CAN控制模块的信号输出端和CAN驱动模块的信号输入端连接，CAN驱动模块的信号输出端和CAN总线连接。

2.如权利要求1所述的基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路，其特征在于：恒流源产生模块由LM317三端可调稳压芯片和电阻R1构成。

3.如权利要求1所述的基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路，其特征在于：电桥模块的组桥方式为差动全桥，敏感元件是电阻应变片。

4.如权利要求1所述的基于恒流源供电方式的六维力传感器信号转换电路，其特征在于：放大器模块由INA122运放芯片及其外围元件构成。 

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