1 阻性传感器处理电路实现的功能
一般阻性传感器处理电路主要实现以下功能:
(1)信号放大功能。传感器在测量数据时,根据电阻阻值变化获得的测量信号及其微弱,经过信号放大后才利于后端计算机采集。
(2)校准及补偿功能。传感器在采集数据时,会受外部环境变化的影响,所获得的测量信号会发生偏移,不能准确地表观测量数据的变化特性,通过校准和补偿功能可将外部环境带来的影响弱化,确保传感器测量数据的准确性。
(3)A/D转换采集功能。采集计算机通过A/D对传感器测得的数据进行采集,A/D的转换速率和位数范围决定传感器测得的数据的精确性及实时性。
2 国内阻性传感器调理接口电路的原理及实现
阻性传感器的自动测量,从理论上说有恒流源测量法和惠斯通电桥法两种。下面分别对两种处理方法进行描述。
2.1 恒流源测量法
恒流源测量法是通过在传感器中增加电阻的方式来实现。具体原理为:传感器中增加测量电阻,并在测量电阻两端加上恒定电流的激励,电阻两端会产生电压,该电压随着被测电阻的变化而变化。
测量电压通过欧姆定律:R=U/I,可以计算出电阻R的值,然后通过被测物理量与电阻R的对应关系进一步计算出被测物理量。其测试原理框图见图1。
2.1.1 恒流源产生电路
为了减小电流流过被测电阻产生的热量而导致被测电阻阻值的变化,设计时需要尽量减小流过电阻的恒定电流值,一般该电流值选取0.5 mA左右。恒流源的产生电路由精密参考源、运放和高精度电阻组成,其原理图见图2。
计算机内的电压测量电路是整个测量系统的关键,在调理电路前要进行共模和差模滤波,减小系统中的高频干扰。
为了增大测量电路的输入阻抗,减小测量电路对被测电路中电流的分流,输入放大器选用仪表运放进行电压放大,之后经过多路器选择,A/D转换器和数据隔离驱动连接计算机内部数据总线
恒流源法测量电阻的优点是恒流源激励电流产生简单,被测电阻值与采集的电压是线性关系;缺点是为了去除掉激励电流线缆上的阻抗,一般要用四线测量法,导致所用线缆较多,增加了系统的重量;同时激励电流又不能太小,否则会导致传感器自发热,增大误差。惠斯通电桥可以很容易地对被测传感器进行测量。优点是电压源、桥臂上的电阻比较容易获取,精度也有保证,而且电压源、桥臂上的电阻可以和传感器分离放置在计算机内;缺点是整个电路的温漂比较大,影响系统精度。
由于传感器一般放置在现场,环境往往比较恶劣,其温度可以从-50 ℃~70 ℃,被测传感器的电阻阻值不仅随被测物理量的变化而变,也会受到现场温度的影响,导致系统误差变大。因此,如何减小传感器的温漂成为提高系统精度的关键。
解决温漂问题的方法是将整个电桥搭建在传感器内,然后在传感器内设置温度传感器,对电桥在每个温度点进行电压漂移标定,然后将标定值记录在存储器中,传感器在使用中,通过叠加校正电压,在电桥中点的输出电压中将漂移电压去掉,从而大大提高系统精度[4]。如果通过分立器件搭建电路,整个系统会比较复杂,成本比较高。