可測(cè)上升流的海流傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張永杰

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

0 引 言

21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，作為一個(gè)海洋大國(guó)，中國(guó)政府高度重視海洋的開發(fā)，我國(guó)已明確提出建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)［1］。上升流是海洋洋流的一種，當(dāng)海水表層流場(chǎng)產(chǎn)生水平輻散時(shí)，海水表層以下產(chǎn)生沿直上升的海流，形成上升流。上升流把深水區(qū)大量的海水營(yíng)養(yǎng)鹽(磷酸鹽、硝酸鹽等)帶到表層，為魚類提供了豐富的餌料，所以，上升流顯著的海區(qū)多是著名的漁場(chǎng)［2］。因此，研究上升流對(duì)開發(fā)海洋資源具有不可估量的價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外的海流觀測(cè)儀器大都是在水平方向上考察流速，而專門針對(duì)上升流的測(cè)量?jī)x器很少［3］?；谶@種情況，前期，筆者已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種可測(cè)上升流的三維海流傳感器裝置，該裝置以電阻應(yīng)變片為敏感元件，應(yīng)變片電橋輸出信號(hào)隨海流的變化而變化，只需準(zhǔn)確測(cè)量電橋輸出信號(hào)，就能夠精確地分析海流信息［3］。

上升流的流速非常小，大約只有10-4～10-2cm/s［2］，經(jīng)海流傳感器測(cè)量，上升流引起的電橋輸出電壓變化值在μV 數(shù)量級(jí)。為了精確采集海流傳感器的微弱輸出信號(hào)，在前期研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種高精度的海流傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)。

1 方案對(duì)比與選擇

對(duì)于微弱信號(hào)的測(cè)量，常用的方法是先對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換［4］。實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，減少A/D轉(zhuǎn)換前的預(yù)處理電路可以降低噪聲，也就是減少模擬電路，增加數(shù)字電路，同時(shí)考慮減少元器件數(shù)量，減少干擾源。

在研究過(guò)程中，基于上述思路先后選擇了三種方案。

1.1 采用AD7714

該調(diào)理電路的設(shè)計(jì)思路是儀表放大器和濾波電路構(gòu)成信號(hào)預(yù)處理電路，處理后的信號(hào)由A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理電路引入的噪聲是主要的干擾源之一，因此，改進(jìn)了該設(shè)計(jì)。

1.2 采用HX711

基于對(duì)第一種方案的分析，選擇HX711A/D 轉(zhuǎn)換芯片做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。HX711 是一款高精度的24 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片，集成了差分放大器和24 位∑-Δ 型A/D 轉(zhuǎn)換器。為了進(jìn)一步降低噪聲，同時(shí)還將穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路集成到芯片內(nèi)部，減少外圍電路元器件的數(shù)量，降低了系統(tǒng)的器件噪聲。原理如圖1 所示。

圖1 HX711 電路原理圖Fig 1 Principle diagram of HX711 circuit

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)的測(cè)量值與真實(shí)值之間最大偏差為54 μV?？紤]差分放大器的放大倍數(shù)為32，則系統(tǒng)能夠識(shí)別的輸入信號(hào)的精度為±0.85 μV。

1.3 采用AD7195

為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，選擇采用AD7195型A/D 轉(zhuǎn)換芯片。

與HX711 類似，AD7195 集成了低噪聲前置增益級(jí)和24 位高精度的∑-Δ 型A/D 轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)置的交流激勵(lì)模塊，可以用來(lái)消除惠更斯電橋中的感應(yīng)直流失調(diào)電壓。同時(shí)AD7195 內(nèi)置了數(shù)字濾波器，能夠提供50 Hz/60 Hz 噪聲抑制。該器件需要5 V 模擬電源和2.7 ～5.25 V 的數(shù)字電源為系統(tǒng)供電，工作電流為6 mA。該芯片提供32 引腳LFCSP 封裝，體積小，方便在海流傳感器系統(tǒng)中的集成。

AD7195 的交流激勵(lì)解決了直流激勵(lì)應(yīng)用遇到的許多熱電偶、失調(diào)和漂移效應(yīng)問(wèn)題［5］。圖2 概要說(shuō)明了基于AD7195 的交流激勵(lì)的工作原理。圖中R10，R11，R12，R13是由箔式應(yīng)變片構(gòu)成的全橋。通過(guò)將AD7195 配置寄存器中的ACX 位置1 使能交流激勵(lì)。AD7195 的激勵(lì)電壓在各相上變化，在相位1 時(shí)，通過(guò)和ACX2 來(lái)導(dǎo)通Q2，Q4晶體管，而此時(shí)Q1，Q3 晶體管關(guān)閉，電橋正向偏置。同理，在相位2 時(shí)，通過(guò)和ACX1 來(lái)導(dǎo)通Q1，Q3 晶體管，而此時(shí)Q2，Q4 晶體管關(guān)閉，電橋反向偏置。芯片復(fù)位后，交流激勵(lì)的引腳在幾毫秒內(nèi)處于懸空狀態(tài)。因此和

圖2 全橋電路原理圖Fig 2 Principle diagram of full-bridge circuit

利用交流激勵(lì)，即使用MOSFET 來(lái)切換海流傳感器的激勵(lì)電壓極性，電橋的激勵(lì)電壓反轉(zhuǎn)，同時(shí)基準(zhǔn)電壓和模擬輸入信號(hào)也反轉(zhuǎn)，AD7195 取前后兩次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，計(jì)算其平均值，從而消除失調(diào)和熱影響。

PGA(programmable gain amplifier)模塊的存在保證了小幅值信號(hào)可以直接輸入AD7195 芯片，該信號(hào)在芯片內(nèi)部被放大的同時(shí)，仍然能夠保持出色的噪聲性能。通過(guò)配置寄存器中的G0 位至G2 位，可以將AD7195 的增益設(shè)置為1，8，16，32，64，128。因此，當(dāng)采用2.5 V 外部基準(zhǔn)電壓時(shí)，單極性電壓輸入范圍為0 ～2.5 V 至0 ～19.53 mV;雙極性電壓輸入范圍則為±2.5 ～±19.53 mV?？紤]到海流傳感器的輸出信號(hào)，合理利用A/D 轉(zhuǎn)換器的量程，設(shè)置AD7195 前置差分放大器的放大倍數(shù)為32 倍。

通過(guò)靈活地設(shè)計(jì)和配置AD7195 芯片內(nèi)部的數(shù)字濾波器，可以取得良好的濾波效果。芯片提供4 個(gè)濾波器選項(xiàng)，可以采用sinc3或sinc4濾波器工作，可以使能或禁用斬波，也可使能零延遲。通過(guò)對(duì)濾波器的不同配置，可以得到滿足設(shè)計(jì)需要的輸出數(shù)據(jù)速率，數(shù)據(jù)建立時(shí)間和50 Hz/60 Hz噪聲抑制性能。為滿足海流傳感器的測(cè)量要求，采用sinc4濾波器，禁用斬波，使能零延遲，并將寄存器FS［9:0］設(shè)置為960，此時(shí)數(shù)據(jù)的輸出速率為50Hz，數(shù)據(jù)的建立時(shí)間為80 ms，對(duì)50 Hz 的噪聲抑制為120 dB。

2 電路設(shè)計(jì)

采用交流激勵(lì)和比率測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了全橋電路，如圖2所示。所謂比率測(cè)量就是A/D 芯片的參考源電壓和激勵(lì)源電壓由同一電源芯片所提供［6］。利用傳感器的輸出信號(hào)與激勵(lì)電壓呈正比這一原理，比率測(cè)量技術(shù)克服了參考源和激勵(lì)源電壓性能對(duì)調(diào)理電路精度的影響。

經(jīng)對(duì)比，電源轉(zhuǎn)換芯片選擇Analog Devices 公司的ADP3303 芯片。ADP3303 屬于ADP330x 系列精密低壓差穩(wěn)壓器，采用新穎的架構(gòu)、改良的工藝和全新封裝，ADI 公司的新型專用散熱增強(qiáng)型封裝可以在處理1 W 以下功耗時(shí)，無(wú)需外部散熱器，印刷電路板上也無(wú)需大面積敷銅［7］，這樣印制電路板面積可保持最小，可為設(shè)計(jì)節(jié)省空間。

為了將AD7195 模擬部分與數(shù)字部分之間的耦合降至最低，在電路設(shè)計(jì)時(shí)使模擬電源和數(shù)字電源彼此獨(dú)立，各有單獨(dú)的引腳排列。數(shù)字濾波器可抑制電源上的寬帶噪聲，但無(wú)法抑制那些頻率為調(diào)制器采樣頻率整數(shù)倍的噪聲［8］。因此，將一個(gè)R-C 濾波器與各模擬輸入引腳相連，可以在該頻率提供抑制。

3 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

為驗(yàn)證該實(shí)驗(yàn)電路能夠滿足μV 級(jí)電壓信號(hào)的測(cè)量要求，設(shè)計(jì)了如圖3 所示的實(shí)驗(yàn)裝置。選用箔式應(yīng)變片，4 只應(yīng)變片對(duì)稱布置在鈦合金薄片的兩面，并且構(gòu)成全橋電路。通過(guò)數(shù)字千分尺對(duì)鈦合金薄片的邊緣施加位移量，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)變，輸出差分電壓信號(hào)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置Fig 3 Experimental device

可測(cè)上升流的海流傳感器系統(tǒng)，在保證其對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)能力的同時(shí)，也需要能夠穩(wěn)定地輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，為后續(xù)處理提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確度是指測(cè)定結(jié)果與真實(shí)值之間的接近程度，測(cè)量的準(zhǔn)確度高意味著系統(tǒng)誤差小。在實(shí)驗(yàn)室條件下，采集一段時(shí)間的數(shù)據(jù)，最后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，評(píng)價(jià)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。表1、表2 和表3 分別為上午8，9，10 時(shí)施加200 μm 位移時(shí)所測(cè)電壓值。

表1 第一次測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 1 Datas of the first measurement

表2 第二次測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 2 Datas of the second measurement

表3 第三次測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 3 Datas of the third measurement

統(tǒng)計(jì)多次測(cè)量，結(jié)果表明:測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.2，精度滿足要求。同時(shí)，每組測(cè)量值穩(wěn)定在μV 級(jí)，最大峰峰值出現(xiàn)在表3 的第5 組為0.8009 μV，即系統(tǒng)的測(cè)量值與真實(shí)值之間最大偏差為0.8009 μV，該系統(tǒng)能夠識(shí)別的輸入信號(hào)的誤差為±0.4 μV。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了以AD7195 為核心的海流傳感器系統(tǒng)，通過(guò)合理使用交流激勵(lì)、可編程增益以及數(shù)字濾波器，完成對(duì)μV 級(jí)微弱信號(hào)的檢測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠識(shí)別輸入信號(hào)的誤差為±0.4μV，滿足設(shè)計(jì)要求。

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