兩線制電阻式應(yīng)變變送器的設(shè)計(jì)

李希壘

摘要：電流變送器在電阻式應(yīng)變測(cè)量?jī)x表中得到廣泛應(yīng)用，這種變送器將應(yīng)變測(cè)量的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。本文講述了4～20m兩線制變送器芯片XTR115的工作原理及在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：兩線制 電阻式應(yīng)變傳感器 電壓/電流轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0163-02

電阻式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是用電阻式應(yīng)變計(jì)測(cè)定機(jī)械構(gòu)件的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系式，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法[1]。在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中，往往需要將應(yīng)變傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸才能應(yīng)用，而弱信號(hào)的傳輸更容易受到傳輸線路的影響，為了防止強(qiáng)電磁電氣設(shè)備對(duì)傳輸電壓信號(hào)的影響，往往將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)進(jìn)行傳輸，如工業(yè)中經(jīng)常使用的4～20mA電流變送器。本文主要設(shè)計(jì)了一款基于XTR115的兩線制電阻式應(yīng)變變送器。

1 兩線制變送器芯片XTR115的工作原理[2]-[3]

XTR115是美國(guó)德州儀器公司（TI）的產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓/電流的轉(zhuǎn)換，適合于對(duì)熱電偶、電橋、壓力傳感器等。XTR115是可以實(shí)現(xiàn)二線制電流變送的芯片，內(nèi)置2.5V基準(zhǔn)電壓源可作為傳感器的激勵(lì)源；芯片具有+5V精密穩(wěn)壓源，可以給外部電路提供單獨(dú)供電，從而簡(jiǎn)化了外部電路的設(shè)計(jì)；精度高，非線性誤差小；設(shè)計(jì)了功率管接口，配合NPN型晶體管，驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路的工作，同時(shí)降低了芯片的功耗（如圖1所示）。

第一部分是電路環(huán)電路的核心部分，它是由內(nèi)部的運(yùn)算放大器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外部晶體管Q0組成。第二部分是電源調(diào)理部分。它給電阻式應(yīng)變傳感器提供工作電源和參考電壓。第三部分Rlim和晶體管Q0、Q1組成限流保護(hù)電路，防止輸出電流過(guò)大造成后續(xù)處理電路損壞?，F(xiàn)選取電流環(huán)轉(zhuǎn)換電路主要工作部分進(jìn)行分析，如圖2所示。

信號(hào)電壓加在VIN+和VIN-之間，VIN-相當(dāng)于傳感器工作的電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)算放大器工作時(shí)，具有“虛短”、“虛斷”的原理，放大器的兩個(gè)輸入端電壓相等，流入運(yùn)算放大器輸入端電流為零，可知：

所以：I-R2=I+R1I-=I+R1/R2

故：Io=I++I-=I+*（R1/R2+1）=100*I+=100VIN/RIN

此時(shí)變送器輸出電流IO只是信號(hào)變化的部分電流，它的變化范圍是0～16mA，對(duì)應(yīng)I+是0～0.16mA，可以根據(jù)這一電流和輸入信號(hào)的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實(shí)現(xiàn)4～20mA的電流環(huán)，還必須加入4mA的偏置電流IB（這個(gè)偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流IP），方法是在運(yùn)算放大器的同相輸入端通過(guò)一個(gè)補(bǔ)償電阻Roffset接在參考電壓上，再引入一路固定的電流Ioffset。這路電流的最大值是Ioffset_max=40uA。通過(guò)調(diào)節(jié)RS，使的偏置電流IB=100*Ioffset+I+=4mA。

2 基于XTR115的電阻式應(yīng)變變送器設(shè)計(jì)

電阻式應(yīng)變變送器的設(shè)計(jì)電路，主要有全橋應(yīng)變電壓激勵(lì)電路、應(yīng)變信號(hào)放大電路和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路組成[4]-[5]。具體電路圖如圖3所示。

應(yīng)變橋電壓激勵(lì)電路主要有U1B、Q1，應(yīng)變橋激勵(lì)電壓為2.5V，由U2提供，經(jīng)放大器U1B、場(chǎng)效應(yīng)管Q1驅(qū)動(dòng)應(yīng)變橋工作，保證應(yīng)變橋負(fù)載的變化，不會(huì)引起激勵(lì)電壓的變化。

應(yīng)變橋信號(hào)的放大電路選用了美國(guó)模擬器件公司的儀表放大器AD8231[6]，AD8231是一款低漂移、軌到軌儀表放大器，具有軟件可編程增益1、2、4、8、16、32、64、128，可通過(guò)數(shù)字邏輯或引腳搭接進(jìn)行增益編程。經(jīng)AD8231放大后電壓信號(hào)的幅值范圍控制在為0.5V～4.5V。AD8231的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術(shù)，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低射頻干擾引起的失調(diào)電壓變化的影響。

電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的核心芯片是XTR115電流環(huán)芯片，外圍配合R5、R3、Q2、C8將應(yīng)變輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。R3、R5與芯片U2構(gòu)成輸入電路，Q2提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)負(fù)載取樣電阻工作；芯片自帶的+5V電源為外部芯片和傳感器工作提供電源。

XTR115的輸入電流

IIN=Vu1_out/（R4+R5）

Iu2out_min=100*IIN=100*0.5V/（R4+R5）=2mA

此時(shí)整個(gè)電路的工作電流小于4mA，必須加偏置電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

Ioffset=4mA-Iu2out_min=2mA

所以，電路中R3取了125K的電阻。

實(shí)際測(cè)量中應(yīng)變值與輸出電流的關(guān)系表如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究選用XTR115集成電壓電流轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的遠(yuǎn)距離傳輸電阻式應(yīng)變變送器。此變送器僅需要兩根傳輸線就能工作，具有功耗小、使用可靠、抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭秀瑗，謝大吉.應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

[2]德州儀器.4～20mA電流變送器的工業(yè)控制應(yīng)用[J].世界電子元器件，2006（1）：93～96

[3]Texas Instruments.Texas Instruments Incorporated XTR115 Datasheet[M].US： Texas Instruments，2009.

[4]昝勇，羅永紅，王沛瑩. XTR115電流環(huán)電路原理 及應(yīng)用.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（8）：190～192.

[5]張華棟，孫麗麗.用TMS320LF2407和XTR115設(shè)計(jì)電流環(huán)通訊口.電子產(chǎn)品世界，2005，21：90～91.

[6]Analog Devices.Analog Devices Incorporated AD8231 Datasheet[M].US： Analog Devices，2007.endprint

摘要：電流變送器在電阻式應(yīng)變測(cè)量?jī)x表中得到廣泛應(yīng)用，這種變送器將應(yīng)變測(cè)量的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。本文講述了4～20m兩線制變送器芯片XTR115的工作原理及在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：兩線制 電阻式應(yīng)變傳感器 電壓/電流轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0163-02

電阻式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是用電阻式應(yīng)變計(jì)測(cè)定機(jī)械構(gòu)件的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系式，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法[1]。在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中，往往需要將應(yīng)變傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸才能應(yīng)用，而弱信號(hào)的傳輸更容易受到傳輸線路的影響，為了防止強(qiáng)電磁電氣設(shè)備對(duì)傳輸電壓信號(hào)的影響，往往將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)進(jìn)行傳輸，如工業(yè)中經(jīng)常使用的4～20mA電流變送器。本文主要設(shè)計(jì)了一款基于XTR115的兩線制電阻式應(yīng)變變送器。

1 兩線制變送器芯片XTR115的工作原理[2]-[3]

XTR115是美國(guó)德州儀器公司（TI）的產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓/電流的轉(zhuǎn)換，適合于對(duì)熱電偶、電橋、壓力傳感器等。XTR115是可以實(shí)現(xiàn)二線制電流變送的芯片，內(nèi)置2.5V基準(zhǔn)電壓源可作為傳感器的激勵(lì)源；芯片具有+5V精密穩(wěn)壓源，可以給外部電路提供單獨(dú)供電，從而簡(jiǎn)化了外部電路的設(shè)計(jì)；精度高，非線性誤差??；設(shè)計(jì)了功率管接口，配合NPN型晶體管，驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路的工作，同時(shí)降低了芯片的功耗（如圖1所示）。

第一部分是電路環(huán)電路的核心部分，它是由內(nèi)部的運(yùn)算放大器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外部晶體管Q0組成。第二部分是電源調(diào)理部分。它給電阻式應(yīng)變傳感器提供工作電源和參考電壓。第三部分Rlim和晶體管Q0、Q1組成限流保護(hù)電路，防止輸出電流過(guò)大造成后續(xù)處理電路損壞?，F(xiàn)選取電流環(huán)轉(zhuǎn)換電路主要工作部分進(jìn)行分析，如圖2所示。

信號(hào)電壓加在VIN+和VIN-之間，VIN-相當(dāng)于傳感器工作的電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)算放大器工作時(shí)，具有“虛短”、“虛斷”的原理，放大器的兩個(gè)輸入端電壓相等，流入運(yùn)算放大器輸入端電流為零，可知：

所以：I-R2=I+R1I-=I+R1/R2

故：Io=I++I-=I+*（R1/R2+1）=100*I+=100VIN/RIN

此時(shí)變送器輸出電流IO只是信號(hào)變化的部分電流，它的變化范圍是0～16mA，對(duì)應(yīng)I+是0～0.16mA，可以根據(jù)這一電流和輸入信號(hào)的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實(shí)現(xiàn)4～20mA的電流環(huán)，還必須加入4mA的偏置電流IB（這個(gè)偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流IP），方法是在運(yùn)算放大器的同相輸入端通過(guò)一個(gè)補(bǔ)償電阻Roffset接在參考電壓上，再引入一路固定的電流Ioffset。這路電流的最大值是Ioffset_max=40uA。通過(guò)調(diào)節(jié)RS，使的偏置電流IB=100*Ioffset+I+=4mA。

2 基于XTR115的電阻式應(yīng)變變送器設(shè)計(jì)

電阻式應(yīng)變變送器的設(shè)計(jì)電路，主要有全橋應(yīng)變電壓激勵(lì)電路、應(yīng)變信號(hào)放大電路和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路組成[4]-[5]。具體電路圖如圖3所示。

應(yīng)變橋電壓激勵(lì)電路主要有U1B、Q1，應(yīng)變橋激勵(lì)電壓為2.5V，由U2提供，經(jīng)放大器U1B、場(chǎng)效應(yīng)管Q1驅(qū)動(dòng)應(yīng)變橋工作，保證應(yīng)變橋負(fù)載的變化，不會(huì)引起激勵(lì)電壓的變化。

應(yīng)變橋信號(hào)的放大電路選用了美國(guó)模擬器件公司的儀表放大器AD8231[6]，AD8231是一款低漂移、軌到軌儀表放大器，具有軟件可編程增益1、2、4、8、16、32、64、128，可通過(guò)數(shù)字邏輯或引腳搭接進(jìn)行增益編程。經(jīng)AD8231放大后電壓信號(hào)的幅值范圍控制在為0.5V～4.5V。AD8231的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術(shù)，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低射頻干擾引起的失調(diào)電壓變化的影響。

電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的核心芯片是XTR115電流環(huán)芯片，外圍配合R5、R3、Q2、C8將應(yīng)變輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。R3、R5與芯片U2構(gòu)成輸入電路，Q2提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)負(fù)載取樣電阻工作；芯片自帶的+5V電源為外部芯片和傳感器工作提供電源。

XTR115的輸入電流

IIN=Vu1_out/（R4+R5）

Iu2out_min=100*IIN=100*0.5V/（R4+R5）=2mA

此時(shí)整個(gè)電路的工作電流小于4mA，必須加偏置電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

Ioffset=4mA-Iu2out_min=2mA

所以，電路中R3取了125K的電阻。

實(shí)際測(cè)量中應(yīng)變值與輸出電流的關(guān)系表如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究選用XTR115集成電壓電流轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的遠(yuǎn)距離傳輸電阻式應(yīng)變變送器。此變送器僅需要兩根傳輸線就能工作，具有功耗小、使用可靠、抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭秀瑗，謝大吉.應(yīng)力應(yīng)變電測(cè)技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

[2]德州儀器.4～20mA電流變送器的工業(yè)控制應(yīng)用[J].世界電子元器件，2006（1）：93～96

[3]Texas Instruments.Texas Instruments Incorporated XTR115 Datasheet[M].US： Texas Instruments，2009.

[4]昝勇，羅永紅，王沛瑩. XTR115電流環(huán)電路原理 及應(yīng)用.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（8）：190～192.

[5]張華棟，孫麗麗.用TMS320LF2407和XTR115設(shè)計(jì)電流環(huán)通訊口.電子產(chǎn)品世界，2005，21：90～91.

[6]Analog Devices.Analog Devices Incorporated AD8231 Datasheet[M].US： Analog Devices，2007.endprint

摘要：電流變送器在電阻式應(yīng)變測(cè)量?jī)x表中得到廣泛應(yīng)用，這種變送器將應(yīng)變測(cè)量的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。本文講述了4～20m兩線制變送器芯片XTR115的工作原理及在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：兩線制 電阻式應(yīng)變傳感器 電壓/電流轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）08-0163-02

電阻式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是用電阻式應(yīng)變計(jì)測(cè)定機(jī)械構(gòu)件的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系式，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析方法[1]。在應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中，往往需要將應(yīng)變傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸才能應(yīng)用，而弱信號(hào)的傳輸更容易受到傳輸線路的影響，為了防止強(qiáng)電磁電氣設(shè)備對(duì)傳輸電壓信號(hào)的影響，往往將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)進(jìn)行傳輸，如工業(yè)中經(jīng)常使用的4～20mA電流變送器。本文主要設(shè)計(jì)了一款基于XTR115的兩線制電阻式應(yīng)變變送器。

1 兩線制變送器芯片XTR115的工作原理[2]-[3]

XTR115是美國(guó)德州儀器公司（TI）的產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓/電流的轉(zhuǎn)換，適合于對(duì)熱電偶、電橋、壓力傳感器等。XTR115是可以實(shí)現(xiàn)二線制電流變送的芯片，內(nèi)置2.5V基準(zhǔn)電壓源可作為傳感器的激勵(lì)源；芯片具有+5V精密穩(wěn)壓源，可以給外部電路提供單獨(dú)供電，從而簡(jiǎn)化了外部電路的設(shè)計(jì)；精度高，非線性誤差小；設(shè)計(jì)了功率管接口，配合NPN型晶體管，驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路的工作，同時(shí)降低了芯片的功耗（如圖1所示）。

第一部分是電路環(huán)電路的核心部分，它是由內(nèi)部的運(yùn)算放大器A1、電阻RIN、R1、R2、Rlim和外部晶體管Q0組成。第二部分是電源調(diào)理部分。它給電阻式應(yīng)變傳感器提供工作電源和參考電壓。第三部分Rlim和晶體管Q0、Q1組成限流保護(hù)電路，防止輸出電流過(guò)大造成后續(xù)處理電路損壞。現(xiàn)選取電流環(huán)轉(zhuǎn)換電路主要工作部分進(jìn)行分析，如圖2所示。

信號(hào)電壓加在VIN+和VIN-之間，VIN-相當(dāng)于傳感器工作的電壓基準(zhǔn)點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)算放大器工作時(shí)，具有“虛短”、“虛斷”的原理，放大器的兩個(gè)輸入端電壓相等，流入運(yùn)算放大器輸入端電流為零，可知：

所以：I-R2=I+R1I-=I+R1/R2

故：Io=I++I-=I+*（R1/R2+1）=100*I+=100VIN/RIN

此時(shí)變送器輸出電流IO只是信號(hào)變化的部分電流，它的變化范圍是0～16mA，對(duì)應(yīng)I+是0～0.16mA，可以根據(jù)這一電流和輸入信號(hào)的電壓幅度決定輸入電阻RIN；要實(shí)現(xiàn)4～20mA的電流環(huán)，還必須加入4mA的偏置電流IB（這個(gè)偏置電流包括芯片的工作電流和傳感器部分的工作電流IP），方法是在運(yùn)算放大器的同相輸入端通過(guò)一個(gè)補(bǔ)償電阻Roffset接在參考電壓上，再引入一路固定的電流Ioffset。這路電流的最大值是Ioffset_max=40uA。通過(guò)調(diào)節(jié)RS，使的偏置電流IB=100*Ioffset+I+=4mA。

2 基于XTR115的電阻式應(yīng)變變送器設(shè)計(jì)

電阻式應(yīng)變變送器的設(shè)計(jì)電路，主要有全橋應(yīng)變電壓激勵(lì)電路、應(yīng)變信號(hào)放大電路和電壓/電流轉(zhuǎn)換電路組成[4]-[5]。具體電路圖如圖3所示。

應(yīng)變橋電壓激勵(lì)電路主要有U1B、Q1，應(yīng)變橋激勵(lì)電壓為2.5V，由U2提供，經(jīng)放大器U1B、場(chǎng)效應(yīng)管Q1驅(qū)動(dòng)應(yīng)變橋工作，保證應(yīng)變橋負(fù)載的變化，不會(huì)引起激勵(lì)電壓的變化。

應(yīng)變橋信號(hào)的放大電路選用了美國(guó)模擬器件公司的儀表放大器AD8231[6]，AD8231是一款低漂移、軌到軌儀表放大器，具有軟件可編程增益1、2、4、8、16、32、64、128，可通過(guò)數(shù)字邏輯或引腳搭接進(jìn)行增益編程。經(jīng)AD8231放大后電壓信號(hào)的幅值范圍控制在為0.5V～4.5V。AD8231的輸入端增加RC濾波器配合芯片特有的陷波濾波技術(shù)，大幅度降低了射頻干擾，顯著降低射頻干擾引起的失調(diào)電壓變化的影響。

電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的核心芯片是XTR115電流環(huán)芯片，外圍配合R5、R3、Q2、C8將應(yīng)變輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)。R3、R5與芯片U2構(gòu)成輸入電路，Q2提供足夠的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)負(fù)載取樣電阻工作；芯片自帶的+5V電源為外部芯片和傳感器工作提供電源。

XTR115的輸入電流

IIN=Vu1_out/（R4+R5）

Iu2out_min=100*IIN=100*0.5V/（R4+R5）=2mA

此時(shí)整個(gè)電路的工作電流小于4mA，必須加偏置電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

Ioffset=4mA-Iu2out_min=2mA

所以，電路中R3取了125K的電阻。

實(shí)際測(cè)量中應(yīng)變值與輸出電流的關(guān)系表如表1所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究選用XTR115集成電壓電流轉(zhuǎn)換芯片，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定的遠(yuǎn)距離傳輸電阻式應(yīng)變變送器。此變送器僅需要兩根傳輸線就能工作，具有功耗小、使用可靠、抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的推廣價(jià)值。

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