CN207163548U - 一种两线制微弱应变电桥信号变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种两线制微弱应变电桥信号变送器，该变送器适用于将输出电压变化极为微小(若干毫伏)、零点偏移较大(与输出变化量相当，甚至大于输出电压变化量)的电阻式微弱应变电桥信号转化为电流信号进行传输。该变送器由微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整电路、V/I转换模块、输出电流调整电路、输出回路构成。微弱应变电桥输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电压进行第二级差动放大，其输出电压再输入到V/I转换模块，在输出电流调整量的控制下转换为4～20mA电流输出，同时V/I模块向微弱应变电桥、差动放大电路及零点偏移调整电路提供工作电源。本实用新型电路简单、线性度好、性价比高、接线方便。

Description

一种两线制微弱应变电桥信号变送器

技术领域

本实用新型涉及检测技术及自动化装置领域，更具体地说，本实用新型涉及一种微弱应变电桥信号变换用变送器仪表。

背景技术

电阻应变式传感器被广泛应用于力、压力、加速度、质量等参数的测量，其基本原理是弹性体(弹性元件、敏感梁等)在外力作用下产生弹性形变，使粘贴在它表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生形变，电阻应变片形变后，其阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路(惠更斯电桥)把阻值的变化转换为电压信号，从而完成了将与力相关的参数转换为电信号的过程，其典型应用就是电子称重设备。

但是，多数电阻式应变电桥输出电压信号灵敏度较低，电压变化量较小，且零点偏移量较大，甚至和电压变化量相当，后继信号调理及变换难度较大，以市面购买的某型号悬臂梁应变桥式1kg量程称重传感器为例，当采用参考电流I_ref＝1.6mA的电流桥时，经测试，称重量在0～800g变化时，其零点漂移达到了 1.3mV，最大输出变化量仅为1.0mV。

工业上最广泛采用的是4～20mA电流来传输模拟量，因电流信号不容易受干扰，而且电流源的内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不会对精度造成影响，从而可以实现数百米的传输。因此，工业上通常需要将微弱应变电桥信号转换为4～20mA电流进行传输，而上述传感器输出电压变化微小，零点偏移量较大，无疑为信号的调理和变换增加了难度，通常需要采用高精度ADC进行采样和微处理器进行处理，或者配备厂家提供的三线制处理电路模块来进行变换，其电路复杂、成本高、接线较两线制仪表复杂。

搜索电流型变送器相关专利文献，伍正辉、龙霞等人发明的高温熔体自动调零压力变送器采用了微处理器及软件编程来实现零点和满刻度自动调整及4～20mA电流输出；王可崇发明的应变式位移检测元件的力平衡式变送器，其整体结构较为复杂，信号调理及变换电路本身无法自动将电阻应变桥零点偏移掉，且该发明要求电桥输出电压上下限满足1∶5的数量关系(即零点偏移量和电压变化量满足1∶4数量关系)，需要通过一个负反馈闭环平衡装置来完成转换并保证测量精度和线性度。而本实用新型则通过简单的信号调理、放大、调整及V/I变换电路实现微弱信号的高倍数放大及零点偏移，无需高精度AD采集加数字处理或复杂反馈平衡装置即可获得较高的转换精度和线性度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种两线制电流型变送器，其可以对电压变化量小到若干毫伏且零点偏移电压与变化量相当(甚至电压变化量小于零点偏移量)的微弱应变电桥测量信号进行处理、变换和输出。

为了解决所述技术问题，本实用新型提供了一种两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是采用纯模拟电路对信号进行处理和变换，该变送器由微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整电路、输出电流调整电路、V/I转换模块、输出回路构成，其中，微弱应变电桥为电阻式应变电桥，差动放大电路分为两级，均由低功耗仪表放大器AD627构成，零点偏移调整电路由一个5MΩ固定电阻及一个1MΩ电位器串联构成，输出电流调整电路由调整电阻构成，V/I转换模块由单芯集成的4～20mA电流源芯片XTR105构成，输出回路由NPN型三极管、防止电源反接的整流桥、过压保护二极管、稳压电容构成。

微弱应变电桥的输出电压接入第一差动放大器，第一差动放大器的输出端和零点偏移调整电路的输出端均接至第二差动放大器，第二差动放大器的输出端接至V/I转换模块，且输出电流调整电路接至V/I转换模块，V/I转换模块的输出信号接入输出回路。

变送器工作原理及信号流向关系为：微弱应变电桥输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电压进行第二级差动放大，其输出电压再输入到 V/I转换模块，在输出电流调整量的控制下转换为4～20mA电流，最终在电源、整流桥、V/I转换模块XTR105 和三极管BU406、负载R_L组成的回路中流过4～20mA电流；通过零点偏移调整电位器及输出电流调整电位器可以方便地调整零点偏移量及输出放大倍数，且可消除运算放大器失调电压、失调电流对微弱信号的转换精度的影响。

所述变送器中的微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整电路所需要的工作电源由V/I转换模块提供，无需另外提供电源，可实现纯两线制供电及输出；系统还带有微弱应变电桥输出非线性自动补偿功能，即通过将V/I转换模块提供的非线性补偿电流经补偿电阻输入到微弱应变电桥的一个桥臂，从而实现系统非线性自动补偿，提高输出线性度和转换精度；通过方案优化设计，前述微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整电路的总功耗极低，其总电流小于4mA，从而可以实现以4mA为零点的两线制供电及电流输出。

优选的是，所述变送器还包括输出回路，在输出回路中只要接入24V直流电源，便可输出电流信号，且输出回路具有二极管反接保护电路，电源可按任意方向接入回路。

本实用新型至少包括以下有益效果：

(1)对电压变化量小到若干毫伏且零点偏移电压与变化量相当(甚至电压变化量小于零点偏移量) 的微弱应变电桥测量信号，本实用新型可以有效且精密地变换为4～20mA电流信号进行输出。

(2)采用纯模拟电路对信号进行处理和变换，无需高精度AD采集加数字处理或复杂反馈平衡装置，结构简单，成本低廉。

(3)零点偏移和输出放大倍数调整方便，放大器失调电压、失调电流对微弱信号的转换精度无影响，带有非线性自动补偿，测量精度和线性度高。

(4)两线制供电和输出，变送器无正负极区分，接线方便、简单，方便远程传输。

本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本实用新型所述的两线制微弱应变电桥信号变送器的结构示意图。

图2为本实用新型所述的两线制微弱应变电桥信号变送器的电路图。

图3(a)和(b)分别为设计实例在无补偿电阻R_LIN和补偿电阻R_LIN＝9.33kΩ时，被测量和输出电流之间的变化关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本实用新型提供一种两线制微弱应变电桥信号变送器，采用纯模拟电路对信号进行处理和变换，其组成结构如图1所示，包括微弱应变电桥1、第一差动放大器2、零点偏移调整电路3、第二差动放大器4、输出电流调整电路5、V/I转换模块6、输出回路7；其中，微弱应变电桥1为电阻式应变电桥，第一差动放大器2和第二差动放大器4均由低功耗仪表放大器AD627构成，零点偏移调整电路3由一个5MΩ固定电阻及一个1MΩ电位器串联构成，输出电流调整电路5由调整电阻构成，V/I转换模块6由单芯集成的 4～20mA电流源芯片XTR105构成，输出回路7由NPN型三极管、防止电源反接的整流桥、过压保护二极管、稳压电容构成。

微弱应变电桥1的输出电压接入第一差动放大器2，第一差动放大器2的输出端和零点偏移调整电路 3的输出端均接至第二差动放大器4，第二差动放大器4的输出端接至V/I转换模块6，且输出电流调整电路5接至V/I转换模块6，V/I转换模块6的输出信号接入输出回路7。

变送器工作原理及信号流向关系为：微弱应变电桥1输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器2进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电路3输出的电压一起输入第二差动放大器 4进行第二级差动放大，其输出电压再输入到V/I转换模块6，在输出电流调整电路5的控制作用下转换为 4～20mA电流通过输出回路7输出，即最终在电源、整流桥、V/I转换模块XTR105和三极管BU406、负载R_L组成的回路中流过4～20mA电流；其中，通过零点偏移调整电位器及输出电流调整电位器可以方便地调整零点偏移量及输出放大倍数。

如图2所示为一种两线制微弱应变电桥信号变送器的实例，即具体实施电路。该实例电路是一个对某型号悬臂梁应变桥式称重传感器进行4～20mA电流变换的两线制变送器。

实例采用的悬臂梁应变桥式称重传感器最大量程为1kg，当采用参考电流I_ref＝1.6mA为电桥供电时，在悬臂梁上施加0～800g重物，输出电压变化范围为1.3～2.3mV，符合零点偏移大，测量电压变化小于零点偏移量的特点。

所述第一差动放大器2及第二差动放大器4均采用低成本、高精度、低功耗仪表放大器AD627，其增益范围为1～1000，且仅需要一个外部电阻来设置增益，其中，第一差动放大器对电桥输出的1.3～2.3mV差动电压进行初级放大，R_c为其增益调整电阻，采用3296封装的1kΩ电位器，调整电位器R_c的阻值，将增益调整为约500，使其输出对地电压范围约为0.65～1.15V。

所述V/I转换模块6采用单芯集成的4～20mA电流源芯片XTR105，其具有很低的调整性误差，具有两个0.8mA高精度的镜像电流源和一个5.1V、1mA输出容量的基准电压源，设计将两个电流源并联后向微弱应变电桥提供1.6mA电流基准从而构成电流型电桥，可输出1.3～2.3mV测量信号，而通过5.1V、1mA 容量的基准电压源向两个AD627仪表放大电路及零点偏移调整电路供电。并且，XTR105为以上微弱应变电桥、两个仪表放大电路、零点偏移调整提供的总电流小于4mA，从而可以实现以4mA为零点的两线制供电及电流输出。

所述零点偏移调整电路3由一个5MΩ固定电阻及一个1MΩ电位器串联并接在5.1V基准电压源上，电位器中心抽头输出调整电压，其调整电压可在0～0.85V范围内变化，该电压可以较高的精度抵消0.65V 零点偏移电压，且该回路的电流仅为0.85μA，功耗极低。

所述第二差动放大器4(AD627)将第一差动放大器输出的电压和零点偏移调整电压进行差分放大，不连接增益设置电阻，放大倍数为1。图2中，1kΩ电位器R_CM及与其并联的0.01μF电容接在电桥参考地端和XTR105的6脚之间，形成电桥电源回路，同时，电桥参考地端(即R_cM的左端)接至第二差动放大器4的5端(输出参考端)和V/I转换模块XTR105的2端(输入电压参考端)，第二差动放大器4的6 端输出约1.25～1.75V的对地电压，即通过电桥的1.6mA电流在R_cM上形成的压降提高了输出电压起点但同时巧妙地为XTR105芯片提供了其所要求的最低1.25V的输入共模电压。

所述经第二差动放大器4放大后的电压以差动电压的形式输入到XTR105的13端(+V_IN)和2端(-V_IN) 之间，XTR105自动将共模1.25V、差模0～0.5V范围变化的电压变换为4mA为起始的电流信号，其输入输出关系为

I_o＝4+40·V_IN/R_G (1)

式中，I_o为输出电流，单位为mA；V_IN为输入差模电压，单位为V；R_G为所述输出电流调整电路5，也即XTR105的增益调整电阻值，单位为kΩ，其可以在0～2kΩ内调整，将输出电流调整电阻R_G调整到约 1.25kΩ可使得其输出电流变化范围设置在4～20mA内。

所述输出回路7连接了NPN型三极管Q₁(BU406)，以提高其输出能力，减少XTR105芯片发热，三极管Q1基极和XTR105的9端相连，Q1射极和XTR105的8端相连，Q₁集电极和XTR105的10端相连并接至二极管整流桥的一个顶点。24V直流电源通过电流环路为芯片供电，同时电路中设置的D1～D4采用1N4148二极管构成反接保护整流桥，可防止电源反接，使得该变送器电源接线方向可任意交换，并且连接D5(采用36V齐纳二极管1N4753)，可吸收浪涌电流，起到过压保护作用，输出回路连接的0.1μF 电容起到稳压作用，最终在电源、整流桥、XTR105和BU406、负载R_L上组成的回路中流过4～20mA电流。

更进一步地，XTR105的12端(V_LIN)和微弱应变电桥输出正压端之间通过20kΩ的电位器R_LIN连接在一起，将XTR105提供的非线性补偿电流经补偿电阻R_LIN输入到微弱应变电桥的左下桥臂，用以对微弱应变电桥的输出变化量进行非线性自动补偿，将R_LIN阻值调整到合适的值可显著提高输出线性度和输出精度，图3(a)和(b)分别为设计实例(即800g量程悬臂梁应变桥式称重变送器)在无补偿电阻R_LIN和调整补偿电阻R_LIN＝9.33kΩ时，被测量和输出电流之间的变化关系曲线。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征在于：该变送器由微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整电路、输出电流调整电路、V/I转换模块、输出回路构成，其中，微弱应变电桥为电阻式应变电桥，差动放大电路分为两级，均由低功耗仪表放大器AD627构成，零点偏移调整电路由一个5MΩ固定电阻及一个1MΩ电位器串联构成，V/I转换模块由单芯集成的4～20mA电流源芯片XTR105构成，输出回路由NPN型三极管、防止电源反接的整流桥、过压保护二极管、稳压电容构成；

微弱应变电桥的输出电压接入第一差动放大器，第一差动放大器的输出端和零点偏移调整电路的输出端均接至第二差动放大器，第二差动放大器的输出端接至V/I转换模块，且输出电流调整电路接至V/I转换模块，V/I转换模块的输出信号接入输出回路；

变送器工作原理及信号流向关系为：微弱应变电桥输出的微弱且具有零点偏移的电压信号输入到第一差动放大器进行一级放大，其输出电压再和零点偏移调整电压进行第二级差动放大，其输出电压再输入到V/I转换模块，在输出电流调整量的控制下转换为4～20mA电流，最终在电源、整流桥、V/I转换模块XTR105和三极管BU406、负载R_L组成的回路中流过4～20mA电流。

2.根据权利要求1所述的一种两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整电路所需要的工作电源由V/I转换模块提供，无需另外提供电源，可实现纯两线制供电及输出，并且通过将V/I转换模块提供的非线性补偿电流经补偿电阻输入到微弱应变电桥的一个桥臂，从而实现系统非线性自动补偿，提高输出线性度和转换精度。

3.根据权利要求2所述的一种两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：微弱应变电桥、差动放大电路、零点偏移调整电路的总功耗极低，其总电流小于4mA，从而可以实现以4mA为零点的两线制供电及电流输出。

4.根据权利要求1所述的一种两线制微弱应变电桥信号变送器，其特征是：在输出回路中只要接入24V直流电源，便可输出电流信号，且输出回路具有二极管反接保护电路，电源可按任意方向接入回路。