微型称重测力传感器信号调理电路设计.pdf

务I 匐 似 微型称重测力传感器信号调理电路设计 S i g n a l co n d i ti o n i n g ci rcu i t d e s i g n o f m i cro lo a d p re s s u re s e n s o r 李萌萌 宁神 王统 L l M e ng m e n g N IN G Y i W A N G To ng 河南工业大学 机器人研究所 郑州 450007 摘要 为了实现对双足步行机器人用某微型称重测力传感器输出的微弱直流电压信号进行AD转换 提出了一种基于仪表放大器A D623的信号调理电路设计方案 采用模块化设计思想 分别对电 源模块 放大电路模块和滤波电路模块进行了设计 并应用M ulti sml 3完成放大电路仿真 结 果表明 基于A D623的信号调理电路能够有效放大压力传感器输出的微弱直流电压信号 达到 了设计要求 关键词 测力传感器 信号调理 AD623 模块化设计 中图分类号 T P 21 2 9 文献标识码 B 文章编号 1 009 01 34 2Ol 4 I1 i ot 34 03 I oi 1 0 396c I J i ssn 1 009 01 34 2014 11 I 38 0引言 经过多年的发展 压力传 感器已成为一种工 业和 医疗 检 测的重 要器 件 压力 传感 器 应用广 泛 用在井下压力信息采集 医疗检测 直射武 器立靶 密集度测量 工业现场称重和两足外骨骼 机器人足底压力测量 等方面 压力传感器采用 电桥式电路结构 具有优 良的线性度和灵敏 度 及很好的温度补偿性能 但一个微应变 电桥输 出 只 有2m V 左 右 即使 在满 载情 况下 应变 片 的 最大输 出也 只有数 10m V I4 使信号的A ID 转 换受 限 不能 良好的完成信号采集工作 因此 需要 对压力传感器输出的信号进行有效放大和调理 本文使用增益可编程 单电源供电 双端输入 单端输出及高共模抑制比的仪表放大器A D 623 设 计完成信号调理电路 把微弱直流电压信号放大到 数百毫伏甚至更高 以满足A D 采集要求 1信号调理电路设计 实际应用中 传感器信号 调理 电路设计必 须 考虑三项主要内容 1 针对传感器本身 的特性设 计恒流源或恒压源 即电流 或电压 不受传感器 输入负载变化的影响 使传感器输 出特性只与被测 量有关 2 根据传感器的输出特性 设计信号放大 与增益可控电路 以满足信号采集与处理的要求 即 信号便于与A D 转换器接口 3 设计滤波电路口 本文所设 计的信号调理 电路主要 由压力传感 器和信号调理模块组成 其 中信号调理模块由 5V 电源模块 滤波电路及A D 623等器件组成 信号 调理电路框图如图l所示 信号调理模块 调理信号输出 图1信号调理 电路框 图 2模块设计 2 1 电源模块 本 研 究 中所 采用 的压 力 传感 器 是不 锈 钢材 质 外形尺寸结构微小 适用于各种微小空 间检 测 其 直流供电电压范围是 5V 10V 仪表放 大器A D 623单 电源供 电电压范 围是 3V 一 12V 本设 计采用L M 293 1电压 校准模块为压 力传感器 和A D 623提供 5V 精准供 电电压 L M 293 1有不 同型号 分 为 固定 电压输 出和 可调 电压 输 出 有 非常 低的静 态 电流 输 出电流超过 100m A 有短路保护 本设计 采用输 出固定电压为 5V 的 LM 2931A M 一 5设计完成 5V 电源模块 为了保持 电 压稳定性 针对电源模块 的输入和输 出都加 了去 耦电容 其 中电源输 出端 电容值至少为100 la F 5V 电源模块设计如图2所示 收稿日期 2014 08 04 基金项目 国家863计划项目 2012A A 2277 作者简介 李萌萌 1988 一 女 河南商丘人 硕士研究生 研究方向为智能机器人技术 134l 第36卷第11期2014 11 上 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 参l渣 甸 化 V 1 1 2 V T o L 图2电源模 块电路 2 2 放大电路模块 压力传感器有其特定 的参数 若要压力传感 器输 出信号与A D 转换器接 口相匹配 首先要根据 压力传感器 的分度值确定A D 转换器的位数 压力 传感器参数如表1所示 表1压力传感器参数 参数 S U C Ini vi vi d 值 2m V V 5V 75K g 200g 2 5V 10m V 注 si 为压力传感器i 的载荷灵敏度 fi 为压 力传感器i 的额定量程 U 为压力传感器i 的 电源电 压 m mi 为压力传感器i 能够分辨的最小载荷量 vi 为压 力传感器i 的共模电压 vi 为压力传感器i 的 差模电压 压 力传 感 器 额 定 量 程 为 7 5 K g 最 小 称 量 200g 那么其分度值A 75K g 200g 375 因此A D 转换器的位数 至少需要9位 本研究所用A D 转换 器是S l2系列单片机型号M C 9S 12X D P512 以下简 称X D P 5 12 的A T D 模块 其转换位数 有8位和l0 位可选 这里选择 10位转换 确定转换位数后 要根据压 力传感器的参数 和X D P512单片机A T D 的输入性能确定 电路的增益 值 这要 求正确分析仪 表放 大器A D 623的结构和 应用 A D 623的结构简图如图3所示 A D 623是两 级放大结构 第一级为两个输 入运放U 1和U 2按 同 相输入接法组成 第二级为一个输 出运放U 3组成 差分放大电路 在第一级 电路 中 压力传感器输 出的正信 号和负信号分 别加 在A D 623的 同相端和 反 相端 A D 623与传统 三运放结构仪 表放大器的 不同之处是在两个输入运放之前分别加两个PN P 晶 体 管作为 电压缓 冲器 以便 向两个输 入运放提供 共模信号 并且符合 电源限输入运放 电路 结构 的 要 求 输 出运放 用 来将 差动 电压 转 换成 单端 电 压 它还对前面两个输入运放输 出的共模信号起 到抑制作用 有益于改善整个 电路的性能 两级 放大最终的增益值可由公式 G 1 IOOK f R 计 算 出 其 中 G 为增 益值 R 为跨接在第1引脚和 第8 引脚 之 间的电阻 当 1脚和8脚之 间不接 电阻 时 A D 623实现单位增益 A D 623可实现 的增益 范围是 1 1000 图 3 A D 6 23 结 构 简 图 定义U i 为压力传感器在最小载荷量作用下的 输 出 U i i 由式 1 M i 1 i max 计算 出 为26 67 u V X D P5 12的A TD 模块 采用 l0位转换 其能够分辨的最小 电压ui 由式 2 m i n 2 计 算 出 式 中V 为A T D 的参 考 电压 其 范 围是0 5V 这里选择V REF为 5V 则ui mi n为 4 89m V 由以上分析可看出 如果信号不放大 A D 转换 器将不能识别U i 因此必 须对压力传 感器的输 出电压放大 其 最小放大倍数A i 由式 3 b h m i n 3 计 算出 为183 40 当压力传感器i 承载满负 荷 时 即 一 此 时 A T D 满 幅 值 输 出 第36卷第11期2014 11 上 1351 卜 一 一 一 上ll卜 上 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l lI5 似 F F F F H 传 感 器 输 出 电压 为 U S U 为 10m V 由于A TD 转换器的最大输入电压可达5V 最大放大倍数由式 4 A max 计算 出 为500 因此 压力传感器输 出信号 增益范围是 183 40 500 综合考虑A D 623的性能 及放大电路的稳定性 设置放大电路增益值为238 则根据公式G 1 IOOK Ro 反求出电阻R 的大 小为421 9 Q 取标称阻值422 Q 这确定了放大电 路模块的增益电阻值参数 2 3 滤波 电路 为 了抑制R F干扰信号 在压力传感器 的信号 输 出端 即仪表放大器A D 623的信号输入端设计 了R C 低通滤波器 如图4所示 为了使A D 623获得 稳定电压 在A D 623 的正电源端加了去 耦电容 0 1 la F 的陶瓷电容和10 la F 的钽电解电容并联 x D P 5 1 2 单 片 机 A T D 的 采 样 频 率 可 以在 28K H z 5o0K H z范 围内选择 单片机 总线时钟频 率设置为8M H z 对其 12分频 得到A T D 时钟频 率667 K A T D 采 样频 率设 置为67K 为 了在获 得 良好 滤波 效果 的 同时 能够 满足 采样 定理 设 计低通滤波器的截 止频率为fc 9 7K 图4 中 R 1 与C 3 同样 R 2 与C 4 组成 低通 滤波器 因为 l 2 R 1C 3 选电阻R 1为91K 则计算出C 3容值 为180pF 9 1K 电阻足够大 能够有效隔离来 自电 容 电路的输入 同时带来的 电路噪声影 响也很微 小 为了保持放大器的共模抑制能力 电容C 3与 C 4 的容许误差需要达 t15 或更好 R I R 2 与C 3 C 4组成了桥式电路 它们的输 出穿过放大器的输 入 C 3和C 4有任何不匹配 都将使桥路不平衡 并降低共模抑制能力 所 以R 1与R 2相等 C 3与C 4 相等 使桥式 电路对称 获得 良好滤波效果的同 时 又不降低电路的共模抑制能力 电容C 5用来保持低频段共模抑制能力 保证 所有 的R F 信 号都是 共模 的 同时 又不差分 放大 这些信号 R I R 2和C 5组成了第二个低通滤波网 络 这个低通滤波电路的截止频率约为10 66K 3仿真分析 M ulti si m 是美国国家仪器公司 N I 推 出的以 W i ndow s为基础的仿真工具 适用于板级 的模拟 数字电路板 的设计工作 电路仿真软件M ulti si m 拥 有 庞大 的元器 件 库 具 有 强大 的虚拟 仪器 功 1361 第36卷第11期2014 11 上 图4放大与滤波电路 能 它包含 了电路原理图的图形输 入 电路硬件 描述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 本设计采用M ulti sm 13仿真软件 对所设计 的放大 电路进行仿真 仿真电路如图5所示 V 2和V 3模 拟压力传感器输 出的直流差分 电压信号 万用表 X M M 1用来显示放大 电路 的输 出电压 所选电容 容许误差为5 所选增益电阻为1 精度的金属膜 电阻 因为A D 623的第5引脚参考端接地 放大电 路的输 出电压就 等于压力传感器输出的差分信号 实际被放大的电压 手动更改V 2和V 3的差分电压 值 从1m V 10m V 共10组值 观察万用表的数字 值 并记录 制成增益表 如表2所示 图5 放大电路仿真图 表2 增益表 差分信号 万用表读数 增益 l与238的差l l差l 1m V 24 0 36 3m V 24 0 36 3 2 36 3 0 9 9 3 2m V 47 8 19 4m V 2 39 09 3 1 09 3 0 4 5 9 3m V 7 16 0 2 5m V 2 38 67 5 0 67 5 0 2 84 4m V 9 53 85 6m V 2 38 46 4 0 464 0 19 5 5m V 1 19 2V 2 38 40 0 0 40 0 0 16 8 6m V 1 4 30V 2 38 33 3 0 33 3 0 14 0 7 m V 1 6 67V 2 38 14 3 0 14 3 0 06 0 8m V 1 90 5 V 2 38 12 5 0 12 5 0 0 5 3 9 m V 2 14 3V 2 38 11 1 O 1 1 1 0 04 7 10 m V 2 3 8 lV 23 8 10 0 0 10 0 0 04 2 下转第143页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m I 匐 似 精度和 系统的响应速度 型坯壁 厚的控制方法是 将每一个型坯形 成 过程 分 成数 个 点 分 别对 这些 点 的壁 厚进 行控 制 控制点数越少 响应速度越快 但是 点数太 少 达不到所要的壁厚控制精度 且在型坯 周围 形成 了熔接缝 环纹 点数太多 会造成 系统 响应时间过 长 伺服油缸来不及对接收的信号做 出反映 型坯就 已经出来了 传统的200L 塑料桶 壁厚控制器都是64点或者128点的 本文针对200 L 双L 环桶进行了研究 经过实验验证 在满足壁厚 控制精度为 4 lm m 每点的响应时间为0 3 0 4秒 的前提下选用256点壁厚控制更为合适 4结束语 针 对20 0L 以上 的大 容量 中空吹 塑机 机头 的 关键技 术进 行了研 究 所设 计的双层双螺旋流道 形式相 比于 其它结构形式 其使熔料融 合更加均 匀 熔体 的流动 更加顺畅 消除了理论接缝 提 高 了制 品强 度 根据功能要 求 采用优化 方法确 定了工艺参数和尺寸 为200L 以上大容量 中空吹 塑机 产品的优化设计 奠定了基础 在 已有的型坯 壁厚控制 的基础上 研究了200L双L环桶最优的控 制 点数 和控制 点的连 接方法 提高 了壁厚的均匀 性 精度和制品的强度 参考文献 1 1李卫民 周琳 孙宏哲 大型中空吹塑挤出系统设计及其 关键技 术研 究 J 塑料 工业 2013 41 2 70 73 2 辛 业波 冯连 勋 螺旋 中心杆吹 膜机头 的优化 设计 J 橡 塑技术与装备 2007 33 3 1 4 3 张玉霞 薛平 吹塑薄膜用螺旋中心杆机头设计的关键技 术 J 塑料技术 1992 3 28 3 1 414土加龙 热塑性塑料挤出生产技术 M 北京 化学工业 出版社 2003 5 杜巧连 舒 柏和 挤 出吹塑机型坯壁厚 电液控 制系统的设 计与研究 J 机械制造 2007 45 5 13 33 36 6 张西良 张世庆 PL C 在 自动吹塑机中的应用 J 机械与电 子 2000 4 蠡 品 j 蠢 盘 盘I 岛I 盘 禹 蠡 矗 矗 矗 岛I 出 出 矗 锺 品 靠 蠡 蠡 上接第136页 由表2知 增益与所设计的增益238最 大相差 0 993 最小 相差0 042 由A D 623的特性可 知 增益增大 其增益误差也增大 G I时 增益 误差推荐为0 35 考虑到本设计增益为238