似达到平衡状态。
图4 交流阻抗电桥桥路
3.4压力传感器信号调理模块
压力传感器一般采用电桥式电路结构, 以提高输出灵敏度。但一个微应变电桥输出只有2mV 左右, 即使在满载情况下, 应变片的最大输出也只有数10mV, 这就要求前置测量放大电路具有高增益、高精度、低噪声,低漂移等特点。使用自动稳零技术的精密仪表放大器[11]AD8230，可以很好地解决抑制漂移的同时又放大微弱直流信号这个问题, 以满足精密应变测试仪器的设计要求。 1、 传感器信号调理模块的设计与实现
该传感器信号调理模块主要由压力传感器、信号调理模块组成, 其中信号调理模块由+ 12 V转+ 5 V及+ 5 V 转- 5 V电源模块, 滤波电路及AD8230放大电路等器件组成。图5 所示为调理电路框图。
(1)电源模块: 由于AD8230的典型供电电压为5 V, 因此采用了ADP667AR 和ICL7660 2 个电压转换模块分别为AD8230YR 提供+ 5V和- 5V的精准供电电压。 (2)滤波电路: 经实验发现, 压力传感器供电电压的变化对其输出有很大影响, 故在采用ADP667和ICL7660为压力传感器和AD8230YR提供精准供电电压的基础上, 分别在+ 5V 和- 5V 电压的输出端设计了滤波电路, 查阅相关资料, 采用了适合该电路的F型滤波电路。
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图5 调理电路框图
(3)放大电路模块: AD8230 是一款利用动态校零技术, 采用超小型SOIC工艺制作的稳零式精密仪表放大器, 具有1088的高输入阻抗, 能有效地抑制信号源与传输网络阻抗不对称引起的误差; 在- 40~ 125 e 的工作温度范围, 共模抑制比高达140dB, 能有效地抑制共模干扰引入的误差, 提高系统信噪比和对温度影响的抵抗能力, 有效地保障了系统的测量精度。 2、 信号调理模块的性能测试
2.1 测试原理
该信号调理模块主要应用于压力传感器的微弱信号调理,其测试原理为: 活塞式压力计给压力传感器施加不同的压力值, 压力传感器的输出进入信号调理模块, 信号调理电路将压力传感器输入的微弱信号进行放大并调理。
2.2 性能测试
为了测试信号调理模块性能是否满足实验要求, 设计了相关实验, 并对实验数据进行了分析与处理, 针对所关注的调理电路的关键性能加以分析。
2.2.1 零点测试结果
(1)调理电路的零点漂移。在测量过程中, 其零漂值在- 0. 00 - 0.08 mV 之间变化, 取出现频率最高的值为记录值,故该电路的零漂值为- 0.05 mV.
(2)调理电路与传感器连接时的零点漂移。在测量过程中, 其零漂值在113~ 312 mV 之间变化, 取出现频率最高的值为记录值, 故该电路的零漂值为310 mV.
2.2.2 放大倍数测试
通过毫伏仪输入1~ 10 mV 电压, 测试调理电路[12]的输出, 分三组测试记录并绘制曲线如图6, 由图可见, 该电路的放大倍数为417.74, 且拟合曲线的线性度较好, 说明该电路稳定性良好。
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图6放大倍数测试曲线图
3、 信号调理模块在压力传感器中的应用 3.1 连接压力传感器性能测试 3.1.1 测试原理
改变活塞式压力计的压力输出( 0 ~ 50M Pa ) 以1 MPa、5M Pa为单位, 正反行程各3次, 利用数据采集电路采集传感器输出的敏感信号, 压力传感器测试实验原理框图如图7所示。
图7 压力传感器标定原理框图
通过测量所得数据得出压力传感器输出测试原始数据, 再利用Origin6. 1软件处理并绘制传感器输出特性曲线加以分析。 3.1.2 测试结果
从传感器输出测试数据及特性曲线得出, 该传感器输出电压经调理电路[13]
放大417.74倍后, 线性度良好, 经正反行程3次采集, 且3组特性曲线的斜率值均相等, 且截距的误差精确到0.01, 说明该电路与传感器相接工作时稳定性较好。对记录数据进行均值处理得到压力传感器标定结果为:Y= - 217331+ 01 00247X
式中: Y为压力, MPa、 X 为量化台阶数。
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3.1.3 误差计算
压力传感器截距的相对误差:
误差/理论值= ( 0.03012 / - 2. 73331) x 100% = - 1. 102% 压力传感器斜率的相对误差:
误差/理论值= ( 21 43647 x 10- 6 /0.00247) x 100% = 0.0099%
3.2 干扰及噪声分析
在性能测试中发现影响该系统的干扰源主要大地上的噪声, 而且由于工作环境中大型机器的运转存在的噪声干扰, 对信号调理电路的输出影响很严重。故分为接大地与不接大地两种情况来分析。
由图8可见, 在系统未上电时, 系统不接大地时地上输出的理论值应该是零, 但实际接地时的噪声比不接大地时更大,说明大地上10 mV 的噪声是输出结果的影响因素。
图8 不接大地和接大地时地上的输出
由图9可见, 在系统上电时, 信号调理电路板的输出在接地与不接地时均约40 mV, 该噪声会影响到系统的输出结果。
图9 不接大地时和接大地时系统的输出噪声
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针对上述情况, 设计了LC 滤波电路, 即对信号调理电路的输出端进行滤波, 具体电路如图10。
图10 信号调理电路的输出滤波电路
由图11可见, 经过滤波之后, 该压力传感器系统接大地与不接大地时的输出均约为10 mV, 相比之前, 使得系统的测量结果更加准确。且在实际应用中, 输出噪声干扰约7 mV, 在此条件下可保证测量数据的可靠性。
图11 滤波后的系统输出噪声
从传感器输出性能测试结果分析, 该电路模块[14]与传感器连接工作时的稳定性有了明显提高。此外, 该电路中采用的自稳零芯片及小容量的镍电容代替了大容量的钽电容技术, 使得调理电路模块的最终尺寸为: 长341544 mm, 宽81 9662 mm, 满足了工程安装设计的要求。
4.开关电容低通滤波器[15]的设计原理分析
为了滤除信号中掺杂的高频噪声，设计一种六阶级联式开关电容低通滤波器，以数据采样技术代替传统有源RC滤波器中的大电阻，有利于电路的大规模
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