第6章传感器及小信号放大技术

1、问题的提出：问题的提出： 实际测试工作中，会用到各种测试仪器，如实际测试工作中，会用到各种测试仪器，如应变测试就主要采用应变仪。其他有些仪器也可应变测试就主要采用应变仪。其他有些仪器也可以完成，但不是价格贵，就是使用不方便（如高以完成，但不是价格贵，就是使用不方便（如高精度数字万用表、高精度惠斯顿电桥）。精度数字万用表、高精度惠斯顿电桥）。 应变仪电路是小信号放大电路，有些传感器应变仪电路是小信号放大电路，有些传感器的输出信号并不小，但要高精度测了，仍需要性的输出信号并不小，但要高精度测了，仍需要性能好的放大器。能好的放大器。 正确使用放大器尤为重要1. 通用运放通用运放典型器件典型器件：常用

2、的有：常用的有LM358（2路）路）,LM324（4路）路）LM324LM358图图6.1 LM3246.1 LM324的引脚排列的引脚排列特点特点：共模抑制比较高，开环增益大，驱动能力大，：共模抑制比较高，开环增益大，驱动能力大， 综合性能比较好综合性能比较好介绍几种运算放大器介绍几种运算放大器（1）单双电源供电：）单双电源供电：330V或或1.5V 15V（2）输入偏置电流：）输入偏置电流： 20nA（3）输入失调电流：）输入失调电流：2nA（4）直流开环增益：）直流开环增益：100dB（5）单位增益时工作频率大于）单位增益时工作频率大于1MHZ（6）驱动电流可达）驱动电流可达10mALM

3、358/LM324的性能特点：的性能特点：使用时应注意的事项：使用时应注意的事项：（1）信号输入）信号输入/输出的电压范围，正负不对称输出的电压范围，正负不对称单电源单电源：输入电压范围：输入电压范围-0.3VVCC-2V：输出低电压：输出低电压 5mV（最大（最大20 5mV）高电压高电压VCC-1.5V双电源双电源：输出：输出-VCCVCC-1.5V（2）单电压供电时，虚地电压可设在输出摆幅的中点附近）单电压供电时，虚地电压可设在输出摆幅的中点附近2 . 场效应运放场效应运放特点：特点：输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高，驱动能输入阻抗高大，输入偏置电流小，工作频率高，驱动能力差，价

4、格较高力差，价格较高 。 输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时，不建议输出驱动能力通常比通用运放差，用于驱动输出时，不建议选用场效应运放选用场效应运放图图6.3 6.3 作比较器用时作比较器用时CA3140CA3140与与TTLTTL逻辑的接口逻辑的接口典型器件典型器件有有TL081（1路）、路）、TL082（2路）、路）、TL084（4路）、路）、 CA3140/3140A（1）双电源供电：）双电源供电：4V 18V，建议不使用，建议不使用15V以上以上 输入电压范围：输入电压范围： 15V 输出电压范围：电源电压输出电压范围：电源电压1.5V,正负对称正负对称（2）输入偏置电流：极

5、小，不超过）输入偏置电流：极小，不超过1nA（3）工作频率较高：单增益可达）工作频率较高：单增益可达3MHZ（4）无输出驱动时，电源电流仅）无输出驱动时，电源电流仅1.4mATL081/082/084的性能特点：的性能特点：（1）单电源供电：）单电源供电：4V 36V，也可使用双电源，也可使用双电源 输入电压范围：输入电压范围： 单电源供电时，最低为负电源下单电源供电时，最低为负电源下0.5V（2）输入阻抗高达）输入阻抗高达1.5T（3）输入偏置电流仅为）输入偏置电流仅为10pACA3140/3140A的性能特点：的性能特点：可用作电压比较器可用作电压比较器图图6.4 6.4 用用CA3140

6、CA31401.3 低噪声低漂移运放低噪声低漂移运放特点特点：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。：高精度、低噪声、低漂移。多用做仪用放大器。噪声对噪声对12b12b以上分辨率的以上分辨率的A/DA/D转换电路的影响是致命的。转换电路的影响是致命的。对直流放大电路而言，温度漂移必须限制在很小的范对直流放大电路而言，温度漂移必须限制在很小的范围之内。围之内。 典型器件：典型器件：OP07/OP07/27/3727/37、0P1840P184单单/284/284双双/484/484四路四路（1）电源电压：）电源电压： 3V 18V （2）输入失调电压温度系数仅为）输入失调电压温度系数仅为0.

7、7uV /0.2uV （3）适于静态工作。在）适于静态工作。在0.110HZ时，等效输入噪声电压仅为时，等效输入噪声电压仅为0.38uV /0.3uV（4）单增益带宽）单增益带宽0.6MHZ/ 3MHZ（5）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至1.5VOP07/OP184/ 284/484的性能特点：的性能特点：用用OP284组成的组成的3V供电低噪声仪用放大器供电低噪声仪用放大器（1）高输入阻抗）高输入阻抗 （2）低噪声）低噪声图图6.56.5用用OP284OP284组成的组成的3V3V供电低噪声仪用放大器供电低噪声仪用放大器C1、C2抑制噪

8、抑制噪声低噪声低噪声声RP1、RP2输输入保护入保护典型器件典型器件：CA3140、OP27/37（8MHZ)频率频率一般在几一般在几MHz以上以上特点特点：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。：对噪声、温度稳定性等指标要求不高。应用场合应用场合：信号源的工作频率较高：信号源的工作频率较高1.5 满摆输入、输出运放满摆输入、输出运放 典型典型器件：器件：OP184/284/484、 0P777单单/727双双/747四路四路（1）在）在0.110HZ时，等效输入噪声电压仅为时，等效输入噪声电压仅为0.4uV（2）输出摆幅可达电源）输出摆幅可达电源-1mV+1mV（3）单电源供电时，满摆输出，最低

9、工作电压可）单电源供电时，满摆输出，最低工作电压可低至低至2.7V特点特点：输入、输出信号的幅度可以接近甚至达：输入、输出信号的幅度可以接近甚至达到电源电压，节能，可工作于低电压。到电源电压，节能，可工作于低电压。0P777单单/727双双/747四路的特性四路的特性图图6.6 6.6 仅用单仅用单5V5V供电的满摆输出供电的满摆输出D/AD/A转换器转换器用用OP747组成的单电源低功耗仪用放大器组成的单电源低功耗仪用放大器图图6.7 6.7 单电源供电的微功耗仪用放大器单电源供电的微功耗仪用放大器单极性工作，输出电压单极性工作，输出电压V0=100(V1-V2)6.2 应变测量电路原理应变

10、测量电路原理问题提出问题提出 对于应变测量，采用电阻应变片的电阻变化这一对于应变测量，采用电阻应变片的电阻变化这一特性，但电阻变化不完全由应变变化引起。将电阻特性，但电阻变化不完全由应变变化引起。将电阻阻值转换为电压信号后，由于基数很大已不能作大阻值转换为电压信号后，由于基数很大已不能作大倍数的放大。所以影响精度。倍数的放大。所以影响精度。最理想的测试电路是惠斯顿电桥。它可将微小的电最理想的测试电路是惠斯顿电桥。它可将微小的电阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。阻变化值转化为电阻的绝对电阻变化值。仅讨论直流供电电桥仅讨论直流供电电桥1、测量电桥、测量电桥UOR1R2R3R4R5R6ABCDUA

11、C（1）当）当R1R4=R2R3时，电桥平衡时，电桥平衡U0=0V 常使用等臂电桥常使用等臂电桥R1= R2= R3= R4（2）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。）电阻不完全相等时，要进行平衡调整。 但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度但桥臂电阻的偏差值不能太大，否则会影响测量精度图图6.8 6.8 测量电桥的平衡调整电路测量电桥的平衡调整电路桥臂由应变片或桥臂由应变片或标准电阻组成平衡标准电阻组成平衡ACACADABOURRRRRRRRURRRRRRUUU)(43213241433211ACURRRRRRRRRU2324104)()(43214443210ACACKURRRRRR

12、RRUU增量与基值相比甚小，忽略增量与基值相比甚小，忽略高阶分量，且高阶分量，且设应变片的灵设应变片的灵敏系数为敏系数为K K，i为应变量为应变量若若R1= R2= R3= R43. 等臂电桥的电压输出等臂电桥的电压输出UOR1R2R3R4R5R6ABCDUAC2、全桥、半桥与半桥单片测量的温度补偿、全桥、半桥与半桥单片测量的温度补偿UOR1R2R3R4ABCDUACUOR1R2RRABCDUACUOR1RtRRABCDUAC全桥测量全桥测量半桥测量半桥测量半桥单片测量半桥单片测量R1处可以接多个，以测量多个处可以接多个，以测量多个点测量点，点测量点，Rt为公共补偿片为公共补偿片图图6.9 4

13、6.9 4个电阻个电阻均为电阻应变片均为电阻应变片图图6.10 R6.10 R为标准电阻为标准电阻图图6.11 6.11 测量电桥的公共补偿测量电桥的公共补偿6.3 静态电阻应变仪静态电阻应变仪静态应变仪静态应变仪用于测量变化缓慢的应变信号用于测量变化缓慢的应变信号动态应变仪动态应变仪用于测量快速变化的应变信号用于测量快速变化的应变信号动静态应变仪动静态应变仪兼故上述两种测量兼故上述两种测量图图6.12 6.12 双电桥零读数静态应变仪双电桥零读数静态应变仪2、数字式电阻应变仪、数字式电阻应变仪应变电应变电 桥桥预调平衡电路预调平衡电路校准电路校准电路直流供桥电路直流供桥电路直流放大器直流放大

14、器直流电源直流电源显示电路（静态）显示电路（静态）信号调理电路信号调理电路微处理器等微处理器等输出驱动输出驱动电路（动态）电路（动态）直流电压：一般直流电压：一般23V 小阻值应变片（小阻值应变片（100欧以下），不应使用桥压过高欧以下），不应使用桥压过高 大阻值应变片，可提供较高桥压大阻值应变片，可提供较高桥压图图6.13 6.13 数字式应变仪电路功能框图数字式应变仪电路功能框图3、静态电阻应变仪的应变片公共补偿技术、静态电阻应变仪的应变片公共补偿技术直流电源直流电源供桥电路供桥电路直流放大器直流放大器通道切换电路通道切换电路预平衡电路预平衡电路示值电路示值电路降低成本降低成本图图6.14

15、 6.14 静态应变仪静态应变仪框图框图使用多路切换技术，服务于多个通道使用多路切换技术，服务于多个通道4、静态电阻应变仪重要电路、静态电阻应变仪重要电路（1）通道切换电路）通道切换电路（2）预平衡调整电路）预平衡调整电路ACUOR1R2RRBDUACR1R2BR1R2B（1）通道切换部分）通道切换部分必须选用优质触点的继电器必须选用优质触点的继电器触点电阻不会影响测量精度触点电阻不会影响测量精度,但触点电阻的变化会影响但触点电阻的变化会影响图图6.15 6.15 半桥时的通道切换半桥时的通道切换R1R2R3R4ABCDR1R2R3R4ABCDR1R2R3R4ABCDUOUAC触点电阻的变化对

16、测量精度影响不大触点电阻的变化对测量精度影响不大图图6.16 6.16 全桥时的通道切换全桥时的通道切换（2）预调平衡电路：）预调平衡电路：UOR1R2R3R4R5R6ABCDUAC1）桥臂并联电阻）桥臂并联电阻2）放大器参考端调零）放大器参考端调零3）放大器失调端调零）放大器失调端调零4）电流注入法）电流注入法5）D/A补偿补偿6）软件调零）软件调零(20b以上以上A/D) R1R2R3R4ABCDUACD/A转换器A/D转换器仪器放大器加法放大器预调平衡电路：预调平衡电路：图图6.17 6.17 数字式应变仪平衡调整方法之一数字式应变仪平衡调整方法之一图图6.18 6.18 交流放大动态应

17、变仪（交流放大动态应变仪（1 1路）路）图图6.19 6.19 直流放大动态应变仪（直流放大动态应变仪（1 1路）路）直流电源直流电源直流供桥电路直流供桥电路直流放大器直流放大器示值仪器：示值仪器： 示波器示波器 记录仪记录仪 数据采集系统数据采集系统6.5 应变仪基本电路应变仪基本电路（1）供桥电路）供桥电路（2）放大电路）放大电路（3）调零电路（预调整电路）调零电路（预调整电路）基本电路基本电路主要包括主要包括1、直流供桥电路、直流供桥电路分为分为恒压供桥恒压供桥和和恒流供桥恒流供桥，常用恒压供桥电路，常用恒压供桥电路（1）集成稳压块）集成稳压块 电压调整率优于电压调整率优于1%，噪声不高

18、，适用于精度要求不高，噪声不高，适用于精度要求不高的系统。典型产品如的系统。典型产品如MC7805T,LM317K（2）稳定的电压基准和运放组成）稳定的电压基准和运放组成 对称供桥对称供桥 单端供桥单端供桥适用于精度要求较高的系统适用于精度要求较高的系统.典型产品典型产品LM3367805815V+5V0.1uF0.1uF220uF220uF（1）（使用稳压块）（使用稳压块） 适用于对精度要求不高的场合适用于对精度要求不高的场合图图6.20 简单直流供桥电路简单直流供桥电路输入电压输入电压815V，输出电压，输出电压5V，为防止输出短路为防止输出短路时烧坏集成块，时烧坏集成块，IC须配有适当的

19、散热快须配有适当的散热快简单直流供桥电路简单直流供桥电路47uFLM31712V+EX（1。35v)47uF10uF20K5.1K（1）使用稳压块）使用稳压块 适用于对精度要求不高的场合适用于对精度要求不高的场合 供桥电压值应根据应变片阻值调整供桥电压值应根据应变片阻值调整 120120（2.42.43V) 300 3V) 300 以上（以上（101012V)12V)供桥电压可调的电路供桥电压可调的电路图图6.21供桥电压可调的简单直流供桥电路供桥电压可调的简单直流供桥电路输出电压可调范围输出电压可调范围1.3V5V,为防止输出短路为防止输出短路时烧坏集成块，时烧坏集成块，IC须配有适当的散热

20、快须配有适当的散热快（2）使用稳定的电压基准）使用稳定的电压基准精密对称供桥电路，使共模信号尽可能小精密对称供桥电路，使共模信号尽可能小精密供桥电路精密供桥电路VR1:调整供桥电压值；调整供桥电压值；VR2:调整对称性；调整对称性；T1,T2驱动管；驱动管；T3,T4g过流保护管过流保护管图图6.22精密对称供桥电路精密对称供桥电路电路工作电压：电路工作电压：8V 15V应用：用于传感器供桥时，使用较高的供桥电压值；应用：用于传感器供桥时，使用较高的供桥电压值； 用于应变测试时，使用相对价低的供桥电压值用于应变测试时，使用相对价低的供桥电压值缺点：噪声信号偏大，不适合单电源供电缺点：噪声信号偏

21、大，不适合单电源供电10uF单电源供电的单电源供电的低噪声低噪声直流供桥电路直流供桥电路放大器的共模抑制比很高时，可使用单电源供桥放大器的共模抑制比很高时，可使用单电源供桥5501K1K101000p1000pLM336.25OP184+5VVT1 8050VT2 8050+EXVREF图图6.23单电源供电的单电源供电的低噪声低噪声直流供桥电路直流供桥电路2、程控恒压源、程控恒压源提供提供程控参考电压的程控参考电压的常用方法常用方法 （1）用）用D/A转换器控制转换器控制 （2）用程控电位器控制）用程控电位器控制目的：方便供桥电压的调整控制目的：方便供桥电压的调整控制a) 放大器放大器要选用

22、低噪声、低温漂的要选用低噪声、低温漂的b) D/A转换器的参考电压转换器的参考电压要低噪声、高稳定性要低噪声、高稳定性（1）用）用D/A转换器控制转换器控制1K1K101000p1000p10upOP184+5VVT1 8050VT2 8050+EXAD557VOUTVOUTAVOUTBGNDGNDVREF图图6.24 用用D/A转换器组成转换器组成程控恒压源程控恒压源10uF+EX适宜于简单接口：用加减脉冲控制抽头位置，有适宜于简单接口：用加减脉冲控制抽头位置，有X9313、AD5220，用于连接不带微处理器的仪器。，用于连接不带微处理器的仪器。适宜于计算机接口：用适宜于计算机接口：用SPI

23、等接口与计算机相连。可等接口与计算机相连。可用微处理器控制的有用微处理器控制的有AD520X、AD523X(SPI)等等（2）用数字电位器控制）用数字电位器控制LM336.255501K1K101000p1000pOP184+5VVT1 8050VT2 8050VREFAD5232图图6.25 用用数字电位器数字电位器组成组成程控恒压源程控恒压源按使用操作性分数字电位器按使用操作性分数字电位器可以实现低噪声、低漂移可以实现低噪声、低漂移3、应变仪直流放大电路、应变仪直流放大电路根据不同要求，选用不同精度的放大电路根据不同要求，选用不同精度的放大电路常用方法有常用方法有（1）三运放构成的放大器）

24、三运放构成的放大器（2）专用仪用放大器）专用仪用放大器（3）3V供电的低噪声仪用放大器供电的低噪声仪用放大器（1）三运放构成的放大器）三运放构成的放大器R4R5R6R7R2R3R14612) 12(RRRRA图图6.27 三运放构成的放大器三运放构成的放大器特点：输入阻抗很高，共模抑制比高，增益与应变片阻值无关特点：输入阻抗很高，共模抑制比高，增益与应变片阻值无关（2）专用仪用放大器）专用仪用放大器（1）增益）增益1、100、200、500，无需外接电阻，无需外接电阻（2）电压范围）电压范围6V 18V（3）噪声低，增益稳定性好，增益带宽）噪声低，增益稳定性好，增益带宽25MHZ图图6.28

25、用用AD624组成放大电路组成放大电路特点：特点：增益通过短路块增益通过短路块JP1选择选择适合适合：传感器单极性工作，放大后信号幅值不大于：传感器单极性工作，放大后信号幅值不大于2V; 双极双极性工作，虚地点压应在性工作，虚地点压应在2.5V；单电源供电时，输出电压幅值；单电源供电时，输出电压幅值不大于不大于1.5V图图6.30 用用AD624组成放大电路组成放大电路（3）3V供电的低噪声仪用放大器供电的低噪声仪用放大器（1）增益）增益100；（；（2）参考电压端应在）参考电压端应在2.5V左右；左右；（3）噪声低，增益稳定性好）噪声低，增益稳定性好特点：特点：4、应变仪的预调平衡电路、应变

26、仪的预调平衡电路1）电位器调零）电位器调零2）电流注入法）电流注入法3）参考端调零）参考端调零4）失调调整端调零）失调调整端调零无应变时，检测到的输出信号为无应变时，检测到的输出信号为0UOR1R2R3R4R5R6ABCDUAC（1）电位器调零）电位器调零 VRRVRRRRVRRVRVVVININININ11211212211101)21 ()21(可改为可改为OP284/OP727等等24K24K100K100K50KLM324:ALM324:B100K+EX-EX+-+IN-INR1R11R2V+V-VRRVRRRRVRRVRVVVININININ11211212211102)21 ()2

27、1(图图6.31预调平衡电路预调平衡电路VRRVRRRRVRRVRVVVININININ11211212211101)21 ()21(VRRVRRRRVRRVRVVVININININ11211212211102)21 ()21()()(21 (112112120201VVRRVVRRRRVVININD/A转换器控制电流注入法转换器控制电流注入法接电流注入法接电流注入法参考电压端参考电压端2112120RRRVRRRVAREFOUTV0: 01.5VAOUT: -0.5V+0.5V512产生三路模拟信号产生三路模拟信号图图6.33 用用D/A转换器产生转换器产生预调平预调平衡电路衡电路（3）参考

28、端调零）参考端调零 50K499+5VAD620OP777+-+5EXECVREFVOUT电压跟随器的作用：电压跟随器的作用：（1）用于平衡调整）用于平衡调整（2）设置参考端电位在）设置参考端电位在VCC/2附近附近图图6.32 仪用放大器的仪用放大器的参考端调零参考端调零电路电路（4）失调调整端调零）失调调整端调零 （1）电位器调零）电位器调零使桥路输出电压为使桥路输出电压为0（2）电流注入法电流注入法用于三运放构成的放大器用于三运放构成的放大器（3）参考端调零参考端调零用于单电源供电的仪用放大器用于单电源供电的仪用放大器（4）失调调整端调零）失调调整端调零用于双电源供电的仪用放大器用于双电

29、源供电的仪用放大器（5）D/A补偿法补偿法在最后一级放大器输入端加一可调电压在最后一级放大器输入端加一可调电压（6）软件记忆法）软件记忆法用于用于20b以上以上A/D. 软件调零软件调零预平衡电路小结预平衡电路小结以上以上4种使放大器输出为种使放大器输出为0 6.6 双恒流源供桥技术双恒流源供桥技术电桥测量应变电路，常采用电桥测量应变电路，常采用双恒压供桥方式双恒压供桥方式 UOR1R2R3R4ABCDUAC324143214423224143210KURRRRRRRRRRRRRRUUACAC 当桥臂阻值变化较大时，高阶分量不能忽略，所当桥臂阻值变化较大时，高阶分量不能忽略，所以会引起输出信号

30、的非线性以会引起输出信号的非线性 解决办法解决办法是使用恒流源供桥方式是使用恒流源供桥方式问题：对前面介绍的恒压供桥测试电问题：对前面介绍的恒压供桥测试电路，当桥臂电阻阻值变化较大时，恒路，当桥臂电阻阻值变化较大时，恒压供桥会引起输出信号的非线性压供桥会引起输出信号的非线性1、恒流源供桥的基本电路、恒流源供桥的基本电路（1）双恒流源）双恒流源（2）改进的双恒流源）改进的双恒流源（1）双恒流源电路）双恒流源电路ab恒流源恒流源2R2VCCR1恒流源恒流源1要求要求: 两个恒流源必须对称两个恒流源必须对称 恒流源稳定性要高恒流源稳定性要高,低温漂、低温漂、 低噪声低噪声A）单片测试）单片测试, R

31、1测试片，测试片，R2补偿补偿片片B）双片测试）双片测试, R1、R2均为测试片均为测试片)()()2122112221110IIRRIRIRRIRRIU （当当I1=I2时时)21()21(0RKIRRIU当当R1=R2时时图图6.38双恒流源电路双恒流源电路a,b输出经小信号放大输入到输出经小信号放大输入到A/D,即可得到经温度补偿的应变值即可得到经温度补偿的应变值（2）改进的双恒流源）改进的双恒流源恒流源恒流源2R2R4VCCR1R3恒流源恒流源1abcd送送A/D1送送A/D2要求要求A）对）对UCD、UAB同步转换同步转换 利用利用UCD对对UAB进行修正进行修正B）R3、R4 为基

32、准电阻，高精度，为基准电阻，高精度，高稳定性高稳定性)(2)()(21221142223111IIRRIRIRRRIRRRIUAB)(214231IIRRIRIUCD22112RIRIUUCDAB修正后，可减小恒流源不对称带来的影响修正后，可减小恒流源不对称带来的影响图图6.39改进的双恒流改进的双恒流源电路源电路a,b和和c,d输出经小信号放大分别输输出经小信号放大分别输入到两个入到两个A/D。c,d转换结果修正转换结果修正a,d端结果。端结果。（3）双恒流源双恒流源全桥测试电路全桥测试电路恒流源恒流源2R2R4VCCR1R3恒流源恒流源1abcd送送A/D1送送A/D2全桥时全桥时R1、R

33、2分别由分别由2个应变片串个应变片串联而成联而成驱动电流相同时，电桥输出驱动电流相同时，电桥输出正比于桥臂电阻的阻值正比于桥臂电阻的阻值2、不同阻值应变片的供桥电流自动调整、不同阻值应变片的供桥电流自动调整 （2）驱动电流：）驱动电流：应根据应变片阻值进行调整应根据应变片阻值进行调整 恒流源电流可用恒流源电流可用D/A转换器转换器或或数字电位器数字电位器自动调整自动调整小阻值应变片，应采用大电流小阻值应变片，应采用大电流120（10mA)大阻值应变片，应采用小电流大阻值应变片，应采用小电流（1）驱动电压：）驱动电压：最好低于电源电压最好低于电源电压3V以上以上 LM336.25550OP747

34、+5VVREFAD5232-+R4 2kR5 2kR2 50kR3 50kR6 510p10p-+R9 2kR102kR7 50kR8 50kR11 510p10pRL1RL220mA以下的程控恒流源以下的程控恒流源图图6.40 20mA以下的以下的程控恒流源程控恒流源输出驱动能力为输出驱动能力为30mA，若增大驱动能力，可使用三极管扩流，若增大驱动能力，可使用三极管扩流负载电阻负载电阻RL1上电流的计算上电流的计算负载电阻负载电阻RL1上电流的计算上电流的计算VVLLLLREFREFIRRRRRRIVRRRV116422533625RVIREFL取取R6=5,则则VREF2.5时，时，IL2

35、0mA，可用于，可用于120应变片应变片通过改变通过改变VREF，调整恒流源驱动电流大小，调整恒流源驱动电流大小END6.7其他典型测量电路其他典型测量电路位移传感器位移传感器LVDT电路电路热敏电阻测温电路热敏电阻测温电路热电偶测温电路热电偶测温电路常见传感器电路常见传感器电路位移传感器位移传感器（1）LVDT线性差动变压器线性差动变压器用途：主要测试位移。用途：主要测试位移。原理：原理：原边以交流信号激励，经转换后副边输出直流信号。原边以交流信号激励，经转换后副边输出直流信号。输出电压与铁心位置成线性关系（理想）输出电压与铁心位置成线性关系（理想）, 输出电压可直接输出电压可直接输入到输入

36、到A/D转换或直流电压转换或直流电压/电流表电流表AD698是是598的改进型的改进型,不仅可以测不仅可以测L DVT ,可用于其他交流供桥的传感器可用于其他交流供桥的传感器 （2）驱动电路）驱动电路 文氏振荡器（传统方法）文氏振荡器（传统方法） AD598/698（集成了（集成了 LVDT驱动驱动/检测电路）检测电路）图图6.43 6.43 图图6.44 6.44 使用使用A/D598的位移传感器的位移传感器图图6.45 6.45 AD698是是598的的改进型，几乎用改进型，几乎用于所有型号的于所有型号的LVDT,及其他交及其他交流供桥的传感器流供桥的传感器图图6.46 6.46 2、热敏

37、电阻测温电路、热敏电阻测温电路常用元件常用元件_铂电阻（铂电阻（准确度很高）准确度很高） （200 650 常作校准元件）常作校准元件）)1 (20btatRRt)100(1320tctbtatRRt-温度低于温度低于0 ,可用下式提高描述精度可用下式提高描述精度参数由热电阻型号决定参数由热电阻型号决定Pt100是指是指0 时的阻值为时的阻值为100，称为标称值，称为标称值电阻温度特性电阻温度特性0 测量方法测量方法 2、热电阻测温电路、热电阻测温电路恒压恒压供电测量法供电测量法 用于用于0100 测量测量 阻值变化较大时会引起非线性问题阻值变化较大时会引起非线性问题恒流恒流供电测量法供电测量

38、法 该方法简单，但需使用分辨率较高的该方法简单，但需使用分辨率较高的A/D转换器转换器二线制二线制三线制三线制（1）传感器引线不长时，可使用二线制，导线电阻可能引）传感器引线不长时，可使用二线制，导线电阻可能引起电桥不平衡起电桥不平衡（2）引线较长时，应使用三线制，以便保证电桥平衡）引线较长时，应使用三线制，以便保证电桥平衡1）恒压供电测量法）恒压供电测量法图图6.476.47二线制测试电路二线制测试电路图图6.486.48线制测试电路线制测试电路 （1）单恒流源适用于）单恒流源适用于16b以上的以上的-型型A/D转换器转换器（2）双恒流源可用）双恒流源可用12b以上的以上的A/D转换器转换器

39、2）恒流供电测量法）恒流供电测量法UtRtRLRtI1I2+-注意：注意：电流源电流不能太大，以减小热电阻自身的温升电流源电流不能太大，以减小热电阻自身的温升 Pt100(1mA).Pt1000(0.5mA)图图6.496.49单恒流源直单恒流源直接测量电路接测量电路图图6.506.50双恒流源温双恒流源温度测量电路度测量电路用于高精度测量用于高精度测量 1）公式法）公式法仅可用于温度大于仅可用于温度大于0 的修正计算的修正计算bbUaatt24200RRRUtt实测电路可测得电阻变化率实测电路可测得电阻变化率公式法公式法迭代法迭代法查表插值法查表插值法公式法适用于能进行浮点运算，且支持开放运

40、算的场合公式法适用于能进行浮点运算，且支持开放运算的场合 2）迭代法）迭代法温度大于温度大于0 时时btaUtt温度小于温度小于0 时时btatctUtt)100(3 第一次，按第一次，按t=0 计算，经过计算，经过45 次迭代，次迭代，650 以下以下的计算精度可达到的计算精度可达到0.01 ； 经过经过6 次迭代次迭代650 以下的计算精度可达到以下的计算精度可达到0.001 第一次，按第一次，按t=0 计算，经过计算，经过34 次迭代，次迭代，200 以上的计算精度可达到以上的计算精度可达到0.001 迭代迭代法适用于能进行浮点运算的场合法适用于能进行浮点运算的场合 3）查表插值法）查表

41、插值法使用二分法查表：使用二分法查表：（1）从分度表中取两点）从分度表中取两点R1,R2，取其中点电阻值，取其中点电阻值Rm比较，比较， 如果如果Rt Rm，则，则R1取取Rm 如果如果Rt Rm，则，则R2取取Rm 重复下去，直到重复下去，直到R1,R2为相邻两项为相邻两项（2）利用下面线性插值计算公式求温度值）利用下面线性插值计算公式求温度值)(121211ttRRRRttt查表插值查表插值法适用于普通定点运算的场合法适用于普通定点运算的场合表表6.2为为Pt100的分度表，使用表的分度表，使用表6.2进行温度计算进行温度计算1211RRRRttt分度表间隔为分度表间隔为1 时时4、热电偶

42、测温电路、热电偶测温电路常用热电偶有多种，都有一定非线性。标准热电偶分度表常用热电偶有多种，都有一定非线性。标准热电偶分度表（1 1）应采用输入阻抗较高的放大器对热电偶输出信号放大，）应采用输入阻抗较高的放大器对热电偶输出信号放大，常用仪用放大器或场效应放大器常用仪用放大器或场效应放大器（2 2）一般采用软件非线性修正）一般采用软件非线性修正 两种不同成分的匀质导体形成回路时，若两个接两种不同成分的匀质导体形成回路时，若两个接触端存在温差，则两个接触端之间会产生热电势触端存在温差，则两个接触端之间会产生热电势 不同材料组合的热电势和测温范围不同，都存在不同材料组合的热电势和测温范围不同，都存在

43、一定的非线性，故使用分度表确定温度值一定的非线性，故使用分度表确定温度值测量端测量端直接测温端直接测温端参比端参比端接线端子接线端子热电偶中间温度定律热电偶中间温度定律),(),(),(00ttEttEttEnABnABAB通常用上式进行温度补偿通常用上式进行温度补偿1）使用场效应放大器的测温电路）使用场效应放大器的测温电路VOUTR2 1KR3 1KTL08XR1 10MVCCC1 10uF-+R4（1）R1用于断线检测，用于断线检测，C1降低线路噪声（可取小值或省略）降低线路噪声（可取小值或省略）（2）R4应根据热电偶的灵敏度、工作温度范围和满量程输出应根据热电偶的灵敏度、工作温度范围和满

44、量程输出电压确定电压确定KR1213 .4150004如满量程输出电压如满量程输出电压5V,测温范围测温范围1000，K型热电偶，热电动势为型热电偶，热电动势为41.269mV图图6.516.51热电偶基本放大电路热电偶基本放大电路2）使用仪用放大器的测温电路）使用仪用放大器的测温电路双电源供电双电源供电3V使用仪表放大器性能更稳定使用仪表放大器性能更稳定14 .49GKRG图图6.526.52使用仪用放大器的热电偶测温放大电路使用仪用放大器的热电偶测温放大电路增益电阻增益电阻单电源供电单电源供电5V图图6.536.53使用单电源供电时的热电偶测温放大电路使用单电源供电时的热电偶测温放大电路1

45、4 .49GKRG增益电阻增益电阻5、热电偶冷端的温度补偿、热电偶冷端的温度补偿 由于测温点到一般的距离教远，为了节省热电偶材由于测温点到一般的距离教远，为了节省热电偶材料、降低成本，常采用料、降低成本，常采用补偿导线补偿导线将热电偶的冷端延伸到将热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的控制室温度比较稳定的控制室1）补偿导线的使用注意事项）补偿导线的使用注意事项补偿导线与热电偶之间型号要匹配补偿导线与热电偶之间型号要匹配极性不能接错极性不能接错补偿导线与热电偶连接端二者之间的温度差最好不要超过补偿导线与热电偶连接端二者之间的温度差最好不要超过100 100 2）非线性修正的计算）非线性修正的计算（1）

46、首先按中间温度定律进行修正计算）首先按中间温度定律进行修正计算 EAB(t,0)= EAB(t,tn)+ EAB(tn,0)（2）然后查表确定热电偶的热端温度）然后查表确定热电偶的热端温度3）室内温度的测量）室内温度的测量 可选用热电阻、模拟输出温度传感器可选用热电阻、模拟输出温度传感器(AD590)或数字输出传感器等或数字输出传感器等（1）AD590能提供能提供1uA/K电流输出电流输出,测温精度测温精度0.5 5V(4V30V)+-AD590VT 接A/D10K（2）数字输出传感器可直接与微处理器相连）数字输出传感器可直接与微处理器相连 I2C/SPI/1-WIRE图图6.54 6.54 （1）AD594/595具有具有冷端补偿冷端补偿，非线性修正非线性修正的仪用放大器的仪用放大器6、热电偶专用集成电路、热电偶专用集成电路AD594适用于适用于J型，可测型，可测750 ，输出，输出10mV/ ，校正，校正精度精度1 和和3 AD595适用于适用于K型，可测型，可测1250 ，输出输出10mV/1