【技术实现步骤摘要】
称重应变传感器信号量值传递电路、关键单元及传递方法
本专利技术称重应变传感器信号量值传递电路、关键单元及传递方法属于电子测量仪器设备领域。
技术介绍
现代社会，电子衡器用量巨大，已经应用到人民生活及工业生产的各个环节。电子衡器通常由传感器和指示器两部分构成，其工作原理是称重指示器对惠斯通应变电桥传感器施加激励电压(如10VDC)，由于被测重量改变了应变片的阻值，传感器桥路输出微小的差分信号(如30mV)，指示器测量差分信号与激励基准信号的比值，该比值就直接反映了被测重量的特征参数。在称重仪表指示器的设计、调试过程中，需要传感器提供各种重物量值的信号，如果用砝码实现则操作比较繁琐，现在常使用高性能的称重直流信号模拟器来替代传感器和砝码，其有很高的分辨率和稳定度，但需要机械开关设置其工作电流和输出微弱信号，且物理尺寸大、工作效率低，容易操作出错；机械开关设置的模拟器不能输出双极性，只能模拟单极性的称重应变信号，而不能模拟双极性的振动应变信号，应用面受限。为此本专利申报人已经专利技术一种程控称重直流信号模拟器(技术专利号CN201920683796.3)来替代手动称重直流信号模拟器。程控称重直流信号模拟器实际只是模拟了应变比例，但它与惠斯通应变电桥传感器秤台是无关的，不能直接传递秤台空载和称重状态；另一方面程控称重直流信号模拟器校准时需要外接高精度电压表来监测10V级别的桥路激励电压和几十毫伏的等效应变信号，由于小信号直接测量时表笔引线能引入干扰，会降低测量准确度。为此本专利技术提出了一种改进方案，校准时无...
【技术保护点】
1.一种称重应变传感器信号量值传递电路，其特征在于，由基准与模数转换单元、应变电桥传感器测量信号调理单元、应变电桥传感器输出信号调理单元和内部监测信号选择单元构成；/n应变电桥传感器测量信号调理单元和应变电桥传感器输出信号调理单元采用对称结构；输入应变信号的测量基准与提供给该桥路激励电压同源，输出应变信号的基准与该桥路输入的激励电压同源，实现应变信号为电压比值；/n应变电桥传感器测量信号调理单元和应变电桥传感器输出信号调理单元中放大增益和衰减比例均采用同名义值低价低温漂电阻的串并联组合结构，减小测量和发生应变参数的温度附加误差。/n
【技术特征摘要】
1.一种称重应变传感器信号量值传递电路，其特征在于，由基准与模数转换单元、应变电桥传感器测量信号调理单元、应变电桥传感器输出信号调理单元和内部监测信号选择单元构成；
应变电桥传感器测量信号调理单元和应变电桥传感器输出信号调理单元采用对称结构；输入应变信号的测量基准与提供给该桥路激励电压同源，输出应变信号的基准与该桥路输入的激励电压同源，实现应变信号为电压比值；
应变电桥传感器测量信号调理单元和应变电桥传感器输出信号调理单元中放大增益和衰减比例均采用同名义值低价低温漂电阻的串并联组合结构，减小测量和发生应变参数的温度附加误差。
2.根据权利要求1所述的称重应变传感器信号量值传递电路，其特征在于，所述基准与模数转换单元由1个电压参考芯片ADR4550、2个精密运放芯片OPA2277、1个ADC芯片ADS1282、1个4.096MHz有源晶振、多个电阻和多个电容构成，所述基准与模数转换单元包括基准变换部分和模数转换部分；
在基准变换部分，电压参考芯片U11为ADR4550，U11的2脚接+9V电源、4脚接AGND，U11的2脚和4脚间连接有E1和C12组成的并联电路做电源滤波；电压参考芯片U11的6脚输出5V基准电压信号VR50，VR50对AGND有E2和C13组成的并联电路以降低VR50信号的噪声；VR50经过电阻R25后定义为IVR25，IVR25经过电阻R26后定义为VIRTU0，VIRTU0接运放U13A的2脚，U13A为OPA2277，VIRTU0经过电阻R27后定义为INR25，INR25经过电阻R28后接运放U13A的1脚，运放U13A的3脚接AGND；运放U13A的1脚输出的信号定义为NR50为-5V；信号IVR25接运放U14A的3脚，U14A为OPA2277，运放U14A的2脚和1脚和电容C14组成串联电路，运放U14A的1脚经过电阻R29后定义为VR25，VR25经过电阻R30与运放U14A的2脚连接，VR25对AGND有E3和C15组成的并联电路，实现IVR25到VR25的阻抗变换及滤波降噪；信号INR25接运放U14B的5脚，运放U14B的6脚和7脚和电容C16组成串联电路，运放U14B的7脚经过电阻R31后定义为NR25，NR25经过电阻R31与运放U14B的6脚连接，NR25对AGND有E4和C17组成的并联电路，实现INR25到NR25的阻抗变换及滤波降噪；R25、R26、R27、R28阻值相同，均采用5个10KΩ的10ppm/℃低温漂电阻并联实现，降低VR50与NR50、VR25与NR25的差动信号的增益温度附加误差；运放U13A输出引脚信号定义为NR50为-5V，VR25的电压为VR50的一半，NR25的电压为NR50的一半；
在模数转换部分，ADS1282的数字部分工作在3.3V，模拟部分工作在±2.5V；ADS1282的模拟部分正负电源和正负基准用VR25、NR25，ADS1282用于组合测量，复位信号ADRST、串行通讯时钟信号ADCK、串行通讯数据输入信号ADDI、串行通讯数据输出信号ADDO、模数转换状态信号DRDY、芯片同步信号ADSY经隔离后与微处理器交换信息。
3.根据权利要求1所述的称重应变传感器信号量值传递电路，其特征在于，所述的应变电桥传感器测量信号调理单元由1个应变电桥传感器连接端子，1个双4选1模拟开关芯片ADG659、1个激励驱动用运放芯片TLV2172，1个零漂移运放芯片OPA2187及多个电阻组成；端子连接6线惠斯通应变电桥传感器秤台，其中PWR+和PWR-为提供的应变电桥传感器的差动激励信号，FBV+和FBV-为应变电桥传感器提供给本电路的反馈信号，INV+和INV-为应变电桥传感器秤台产生的微弱应变信号；所述应变电桥传感器测量信号调理单元包括桥路激励电压设置部分和测量应变信号放大部分；
在桥路激励电压设置部分，U16为ADG659，AGND、VR25、VR50、AGND和AGND、NR25、NR50、AGND分别连接双路4选1模拟开关U16的X0、X2、X2、X3、Y0、Y1、Y2和Y3；模拟开关U16用于选择惠斯通应变传感器的差动激励是0V、±2.5V、±5V中的一种，0V激励电压用于确定整个应变电桥传感器测量链路的失调电压，±2.5V和±5V分别驱动工作电压为5V和10V的惠斯通应变电桥；模拟开关U16的X脚接U1A即TLV2172的第3脚，U1A的第2脚接FBV+，U1A的第1脚接PWR+；模拟开关U16的Y脚接U1B的第5脚，U1B的6脚接FBV-，U1B的第7脚接PWR-；
在测量应变信号部分，INV+接零漂移运放U2A即OPA2187的第3脚，U2A的第1脚定义为VIH+，VIH+经过电阻R5后接U2A的第2脚；INV-接零漂移运放U2B的第5脚，U2B的第7脚定义为VIH-，VIH-经过电阻R7后接U2B第6脚；U2的第2脚和第6脚和电阻R6组成串联电路，构成差动放大电路；差动信号VIH+和VIH-对差动信号INV+和INV-的放大倍数为(R5+R6+R7)/R6，令R5和R7均采用7个1KΩ同名义值10ppm电阻串联实现，R6采用14个1KΩ同名义值10ppm电阻并联实现，采用对称结构，降低R5、R6、R7网络的增益温漂系数；对于±10V量程的VIH+和VIH-差动信号，应变信号量程为±50mV；对于10V激励电压，模拟应变相对值为±5‰；对于5V激励电压，模拟应变相对值为±10‰；如果R5和R7采用9个电阻组成串联电路，R6采用18个电阻组成并联电路，模拟应变相对值为±3‰和±6‰。
4.根据权利要求1所述的称重应变传感器信号量值传递电路，其特征在于，所述的应变电桥传感器输出信号调理单元由1个应变电桥传感器接线端子、1个双路16BIT数模转换器芯片AD5545BRUZ、2个双4选1模拟开关芯片AD659、1个零漂移运放芯片OPA2187、3个精密运放芯片OPA2277、1个仪用放大器芯片AD8421、若干电阻和电容构成；所述应变电桥传感器输出信号调理单元用于模拟6线制或4线制应变传感器秤台，所述6线制或4线制应变传感器秤台具有1组7个信号端子；PRI+为桥路输入激励高端，连接信号端子的1、2脚即6线制时2脚为激励反馈正；PRI-位桥路输入激励低端，连接信号端子的3、4脚即6线制时4脚为激励反馈负；AGND为本电路模拟地或连接线的屏蔽信号，VO+和VO-为模拟差动应变信号输出端；所述应变电桥传感器输出信号调理单元包括DAC基准设置、激励负载设置、DAC输出加权组合，应变信号输出4个部分：
在DAC基准设置部分，PRI+经过电阻R40后定义为LPRI+，LPRI+经过电阻R41后与AGND相连，AGND经过电阻R43后定义为LPRI-，LPRI-经过电阻R43接PRI-，实现差动信号PRI+和PRI-的中间电位与AGND等电位，差动信号LPRI+和LPRI-是差动信号PRI+和PRI-的1/2；LPRI-、LPRI+、PRI-、PRI+和LPRI+、LPRI-、PRI+、PRI-分别接模拟开关U17即ADG659的X0、X1、X2、X3、Y0、Y1、Y2和Y3引脚，模拟开关U17的X和Y引脚分别接U4即AD8421的1脚和4脚，U4的2、3脚悬空，U4的6脚接地，U4的第7脚定义为DAREF作为DAC的基准电压；
在激励负载设置部分，模拟开关U17即ADG659的X、X0、X1、X2和X3引脚均接AGND，PRI-、LPRI-、AGND、LPRI+分别接模拟开关U17的Y0、Y2、Y2和Y3引脚，模拟开关U17的Y脚连接运放U12为LF353的第3脚，运放U12A的第1脚接场效应管Q3的栅极，Q3的源极接PRI+，Q3的栅极接运放U12A的第2脚，运放U12A的第2脚与PRI-之间有电阻R44和R45组成的并联电路，构成了PRI+和PRI-间的程控电导电路；模拟开关U17用于控制激励信号PRI+与PRI-的等效负载电导GL＝(N+1)/2KΩ，N为模拟开关的控制位编码，取值为0到3，对于10V激励的工作电流设置为5mA、10mA、15mA或20mA，通过改变R44和R45的阻值来改变等效负载电导；
在DAC输出加权组合部分，数模转换器U5为AD5545BRUZ，U5的第9、11、15、16为来自微处理器的控制线，数模转换器U5的第10、13脚接+5V、数模转换器U5的第14、12、5、4接AGND，数模转换器U5的第2、7脚接DAREF；数模转换器U5的1脚和运放U6的第1脚短接、数模转换器U5的第3脚和运放U6的第2脚短接，运放U6的第1、2脚之间接电容C2，运放U6的第3脚接AGND；数模转换器U5的8脚和运放U6的第7脚短接、数模转换器U5的第6脚和运放U6的第6脚短接，运放U6的第7、6脚之间接电容C2，运放U6的第5脚接AGND；这样双路16bit的电流输出型DAC，输出经过运放U6为OPA2277实现I/V变换，产生2个16bit程控设置的电压信号DAVL和DAVN；DAVL经过电阻R9接运放U7为OPA2277的第2脚、运放U7第2脚和第1脚之间接R10，运放U7的第3脚接AGND；R9为6个10ppm/℃的同名义值10KΩ电阻串联实现，R10为6个10ppm/℃的同名义值10KΩ电阻并联实现，故运放U7第1脚的DTMP为DAVL的-1/36；运放U7的第1脚经过电阻R11接运放U7的第6脚，运放U6的第7脚DAVN经过电阻R12接运放U7的第6脚，运放U7的第6脚和第7脚之间接R13，运放U7的第7脚定义为DAVP；运放U7B、R11、R12、R13组成反相叠加电路，R12与R13为9个10ppm/℃的同名义值10KΩ电阻3组串联3组并联阻值仍为10KΩ，R11为9个10ppm/℃的同名义值10KΩ电阻串联，因此运放U7B的输出DAVP＝DAVL/324-DAVN，DAVP与DAVN绝对值之差仅为DAVL/324，为对称的差动信号；DAVP对DAVN的差分信号，DAVN的权重为2，DAVL的权重为1/324，因此2个16bit设置的DAVN和DAVL信号可以组成分辨率理论上优于24bit、实际上不低于20bit设置的DAVP对DAVN差分信号；
在应变信号输出部分，差分信号DAVP与电阻R14组成串联电路后定义为LOP，LOP与电阻R15组成串联电路后定义为LON，LON与电阻R16组成串联电路后连接DAVN，这样差动信号DAVP和DAVN经过R14、R15、R16构成的对称衰减网络得到差动小信号LOP和LON，电阻R14、R15、R16的阻值与R5、R6、R7相同，DAVP和DAVN的差动信号范围为10V；当激励电压为10V时，DAREF取其±0.5倍，若R14和R16各用9个同名义电阻串联，R15用18个同名义值电阻并联，则输出应变信号量程为±30mV，设置应变范围为3‰；若R14和R16各用7个同名义值电阻串联，R15用14个同名义值电阻并联，则输出应变信号量程为±50mV，设置应变范围为3‰；当激励电压为5V时，DAREF取其±1倍，若R14和R16各用9个同名义值电阻串联，R15用18个同名义值电阻并联，则输出应变信号量程为±30mV，设置应变范围为6‰；若R14和R16用各7个同名义值电阻串联，R15用14个同名义值电阻并联，则输出应变信号量程为±50mV，设置应变范围为10‰；实现应变测量与发生量程的匹配；信号LON接运放U8即OPA2187的第3脚，运放U8的第2脚和第1脚与电容C4组成串联电路，运放U8的第1脚经过电阻R17后定义为VO-，VO-经过电阻R18与运放U8的第2脚连接，VO-对地与电容C5相连，这样就实现了LON到VO-的阻抗变换及滤波降噪；信号LOP接U8的第5脚，运放U8的第6脚和第7脚与电容C6组成串联电路，运放U8的第7脚经过电阻R19后定义为VO+，VO+经过电阻R20与运放U8的第6脚连接，VO+对地与电容C7相连，实现LOP到VO+的阻抗变换及滤波降噪。
5.根据权利要求1所述的称重应变传感器信号量值传递电路，其特征在于，所述内部监测信号选择单元由1个双路4选1模拟开关芯片ADG659，1个精密运放芯片OPA2187，多个电阻和电容构成；PRI+、VR50、VIH+、DAVP分别接模拟开关U9即ADG659的X0、X1、X2和X3；PRI-、NR50、VIH-、DAVN分别接模拟开关U9即ADG659的Y0、Y1、Y2和Y3脚；模拟开关U9的X脚连接运放U10即OPA2277的第3脚，运放U10的第1、2脚短接并定义信号为MSRH；模拟开关U9的Y脚连接运放U10的第5脚，运放U10的第6、7脚短接并定义信号为MSRL；MSRH经R21后定义为MSRP，MSRP经过电阻R22和R23组成并联电路都定义为MSRN，MSRN经过电阻R24连接MSRL；双4选1模拟开关U9可选择4组差差动信号：PRI+和PRI-、VR50和NR50、VIH+和VIH-、DAVP和DAVN，被选择的差动信号经电压跟随器阻抗变换后形成差动信号MSRH和MSRL，由于MSRH和MSRL有效信号在±10V范围内，故经R21至R24的电阻网络衰减5倍形成ADCP和ADCN，以确保不超过ADC允许范围，ADCP对AGND接有滤波电容C8，ADCN对AGND接有滤波电容C9；在内部监测信号选择单元采用组合测量方法测量VIH+和VIH-、DAVP和DAVN、PRI+和PRI-时，均与测量VR50和NR50进行比对，进而消除内部监测信号选择单元和ADC的部分误差。
6.一种称重应变传感器信号量值传递电路关键单元，其特征在于，为基准与模数转换单元，由1个电压参考芯片ADR4550、2个精密运放芯片OPA2277、1个ADC芯片ADS1282、1个4.096MHz有源晶振、多个电阻和多个电容构成，所述基准与模数转换单元包括基准变换部分和模数转换部分；
在基准变换部分，电压参考芯片U11为ADR4550，U11的2脚接+9V电源、4脚接AGND，U11的2脚和4脚间连接有E1和C12组成的并联电路做电源滤波；电压参考芯片U11的6脚输出5V基准电压信号VR50，VR50对AGND有E2和C13组成的并联电路以降低VR50信号的噪声；VR50经过电阻R25后定义为IVR25，IVR25经过电阻R26后定义为VIRTU0，VIRTU0接运放U13A的2脚，U13A为OPA2277，VIRTU0经过电阻R27后定义为INR25，INR25经过电阻R28后接运放U13A的1脚，运放U13A的3脚接AGND；运放U13A的1脚输出的信号定义为NR50为-5V；信号IVR25接运放U14A的3脚，U14A为OPA2277，运放U14A的2脚和1脚和电容C14组成串联电路，运放U14A的1脚经过电阻R29后定义为VR25，VR25经过电阻R3...
【专利技术属性】
技术研发人员：童子权，沙禹彤，任丽军，纪铁军，雷亚哲，张晓东，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23
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