【文章內(nèi)容簡介】 電路設(shè)計 基本電路本設(shè)計采用鉑電阻TRRA102B。因為其標(biāo)稱值高達,因而具有不易收到導(dǎo)線分布電阻影響和易于制作的優(yōu)點。 圖31給出了恒電流工作的基本電路。在標(biāo)稱阻值為的鉑電阻TRRA102B中流過的額定電流為的電流。圖 31假設(shè)基準(zhǔn)電壓，運算放大器A1的反向輸入端電壓為，那么流經(jīng)傳感器的電流就是 (31)要使運算放大器能夠正常工作，反向輸入電壓必須與非反向輸入電壓相等。而電壓是有基準(zhǔn)電壓經(jīng)過，的分壓得到的。假設(shè)，則根據(jù)式（31），可以得到這里取 b. 需要降低傳感器的偏置電壓如上所述，傳感器中可以流過的電流。而這個電流的傳感器上的電壓降為，就被這個電壓所偏置，也就得到了圖32所示的特性，這是非常不合適的。圖32 若不減小偏置電壓，輸出電壓被抬高了倘若傳感器的電阻在時阻值為，那就不存在任何問題了，然而這種現(xiàn)象至少是現(xiàn)在無法做到的。c. 降低偏置電壓的方法從上面的分析可以看出，只要將偏置電壓減小1V，就可以使傳感器在時的輸出電壓變?yōu)?V。該過程是通過正向輸入端的電壓完成的。也就是說，為了減少1V的偏置電壓，而向正向輸入端輸入一個電壓。此時的輸出電壓則變成為式中，是鉑電阻TRRA102B的電阻值，其展開式為將RT的電阻值展開式代入上述的表達式，就可以得到加入正向輸入端電壓的結(jié)果。 (32)可以看出，由于的加入使得及時在溫度升高時，輸出電壓也會減小，因此在下一級機型反轉(zhuǎn)的運算放大器A2中還應(yīng)當(dāng)將輸出電壓放大到應(yīng)有的大小。d. 輸出電壓根據(jù)式（32）可知，在測溫范圍為0~100℃℃的溫度靈敏感；而在測溫范圍為0~500℃℃的溫度靈敏感。如圖33所示。這個數(shù)值為熱電偶的50倍以上，因此所使用的運算放大器之需要選用通用型的就足夠了。在圖31中使用的就是一個外殼中裝入連個運算放大器的LM358。為了使運算放大器A2的輸出電壓能夠達到10mV/℃的輸出靈敏度，該運算放大器A2在0~100℃的測溫范圍內(nèi)必須既有倍的增益，而在0~500℃的測溫范圍內(nèi)，則應(yīng)該具有倍的增益。在圖31中，就是靠24的電阻器和電位器(5)保障在0~500℃。圖33 鉑電阻的輸出電壓 恒定電流工作電路時的非線性誤差由圖33可以看出，鉑電阻具有非線性。在不同測溫范圍內(nèi)非線性誤差的計算結(jié)果于圖34。從該圖可以看出，鉑電阻在測溫范圍為100℃時，%（℃）；在測溫范圍為200℃時，%（℃）；而在測溫范圍為500℃時，非線性誤差為2%（10℃）圖34 鉑電阻的非線性誤差（恒電流工作）由于在測溫范圍為500℃時，非線性誤差高達10℃，因此在使用鉑電阻進行高精度的溫度測量時，需要對非線性誤差進行補償。 線性化電路為了消除非線性誤差，需要采用線性化電路。在線性化過程中，由式（32）可以看出，由于只使用到二次項為止，因此遠沒有熱電偶那么麻煩。一般情況下，使用的都是圖35所示的正反饋型線性化電路。在該正反饋型線性化電路中，將傳感器的輸出電壓再反饋到輸入端。而且，由于經(jīng)過運算放大器A3后極性再次發(fā)生反轉(zhuǎn)，因此而成為正反饋。這樣做的后果，就使得圖33中的500℃附近的輸出達到飽和狀態(tài)。而且因為是正反饋，所以在滿刻度附近放大倍數(shù)增加的更多一些，而在0℃附近放大倍數(shù)幾乎不增加，由此而實現(xiàn)比較好的線性化。圖35 鉑電阻線性化電路線性化后的輸出電壓為也就是說，可以表示為 （33）在使用鉑電阻TRRA102B的情況下，假設(shè)K=,那么就可以將原來為2%%的程度。參見表31。表31 K=（計算值）溫度/℃/ V非線性/%000100200250500調(diào)整方法a. 用相當(dāng)于0℃時電阻值的電阻器取代途中的鉑電阻TRRA102B。用電位器進行零點調(diào)整。b. 用相當(dāng)于100℃時電阻值的電阻器取代途中的鉑電阻TRRA102B。用電位器進行增益調(diào)整。c. 用相當(dāng)于500℃時電阻值的電阻器取代圖中的鉑電阻TRRA102B。用電位器進行線性調(diào)整電路。d. 沒進行一次上述的各種調(diào)整后，其他值也會受到影響。因此需要多次反復(fù)調(diào)整，知道在0~500℃的范圍內(nèi)全部準(zhǔn)確為止。關(guān)于該電路的調(diào)整方法，參見圖35調(diào)整中所使用的假負載電阻的電阻值示表32。由于電阻大多都不屬于序列值，一次需要用多個電阻器進行串并聯(lián)，并用數(shù)字萬用表進行測量驗證。也可以使用帶有刻度盤的多圈旋轉(zhuǎn)型分壓器。表32 假負載電阻值溫度/℃電阻值/Ω0100050119410013852002505002809如此線性化后的實際非線性誤差示于圖36。可以看出，原來為2%的非線性誤差，%。圖36 恒電流工作時的非線性 壓力采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，從壓力傳感器P3000401G的兩個輸入端I+。圖37 用P3000401G制作的有恒電流驅(qū)動的實驗電路 如果在運算放大器A1的+（正），在其一（負）輸入端接上電阻,在壓力傳感器P3000401G中流過的電流則為： 需要注意的是，因為應(yīng)變片的電阻值比較高，應(yīng)變片的輸入電壓就會比較大。,，由此可以算出應(yīng)變片的輸入電壓的最大值為。再加上上的電壓降，還有橋式電阻器的電阻值隨著溫度而發(fā)生的變化，運算放大器A1的輸出電壓必須在12V以上。在本電路中，電源電壓選擇在了177。15V。下面計算橋式應(yīng)變片的輸出電壓。由表22可知，壓力為300mmHg時的輸出電壓為70177。50mV。也就是說，其輸出電壓最小時為20mV，最大時為120mV。對于如此巨大的偏差，采用10圈旋轉(zhuǎn)電位器進行調(diào)整。 由表22可以查出，在輸入電壓為0時出現(xiàn)的不平衡電壓最大為5mV。表33給出了對于5只P3000401G的不平衡電壓和量程電壓的測量結(jié)果。它們的量程電壓相當(dāng)分散，不平衡電壓則是經(jīng)過激光調(diào)（整電）阻（值）而減小。表33 P3000401G的靈敏度分散性R43/kΩ不平衡電壓/mV量程電壓/mV300mmHg圖38橋式應(yīng)變片本身的輸出特性。，由表中可以看出，,。引入關(guān)注的是，不平衡電壓非常小。另外，其量程電壓也在規(guī)定范圍之內(nèi)，由圖37還可以看出，雖然壓力傳感器P3000401G的額定壓力是300mmHg，事實上在更大的壓力范圍內(nèi)或負壓范圍內(nèi)也可以測量。圖38 P3000401G的輸出特性用于應(yīng)變片被做成橋式電路，因此半導(dǎo)體壓力傳感器的放大電路一般都采用差動放大器進行放大。，所以放大器應(yīng)當(dāng)如圖37那樣采用高輸入阻抗的差動放大器。如果差動放大器的輸入阻抗太小，不僅會造成增益誤差，而且還會使半導(dǎo)體壓力傳感器的內(nèi)部如圖39所示，那種本來已經(jīng)經(jīng)過嚴(yán)格調(diào)整的溫度補償變得毫無意義。為了使整個電路在300mmHg時的輸出電壓達到3V，考慮到應(yīng)變片性能的分散性，差動放大器的增益必須達到25~150倍。為此，將運算放大器A2和A3的增益固定為25倍，而A4的增益就應(yīng)當(dāng)在1~6倍之間調(diào)整。增益的調(diào)整是靠電位器進行的，由于調(diào)整范圍比較寬，因此應(yīng)當(dāng)選用10圈旋轉(zhuǎn)型的電位器。 液位采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計電容式液位計是基于將介質(zhì)的液面變化轉(zhuǎn)化為電容器的電容變化而工作的。其原理是：當(dāng)被測液體的液面在電容式傳感器的兩圓柱點擊間變化時，相當(dāng)于極板間介質(zhì)的變化，從而導(dǎo)致電容量的變化。公式推導(dǎo)表明式中；為傳感器輸出電容；、為與傳感器結(jié)構(gòu)尺寸、被測介質(zhì)有關(guān)的常量。即傳感器的輸出電容量與液位高度x成線性關(guān)系。電容式液位計的測量電路如圖39所示。圖39 電容式液位計測量電路圖中為傳感器的電容，為參考電容。、分別與、BGBG2構(gòu)成充放電電路。當(dāng)電源接通時，與通過,充電，電平、按指數(shù)遞減。由于的電容量比略大，=，所以首先達到參考電平，于是比較器1翻轉(zhuǎn)，輸出電平有高變低。達到時，比較器2翻轉(zhuǎn)，開關(guān)管BGBG2導(dǎo)通，、迅速放電，、又上升為高電平，完成一次充放電周期。經(jīng)推導(dǎo)知式中：為電源高電平值；、為與傳感器的結(jié)構(gòu)、尺寸和被測介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)的常量。該電路能實現(xiàn)液位的線性測量。 流量采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計流量計的檢測電路如圖310所示。圖310 流量計檢測電路渦流使壓電力敏元件產(chǎn)生交流電荷，電荷轉(zhuǎn)化器A1使該電荷轉(zhuǎn)換成交流電壓。交流電壓經(jīng)放大器A2輸入到施密特觸發(fā)電路，從而得到渦流頻率對應(yīng)的脈沖頻率。電荷轉(zhuǎn)換器和放大器還能消除疊加在渦流信號上的噪聲成分。施密特電路輸出的脈沖由構(gòu)成F/V轉(zhuǎn)換器的倍頻器A4，再由和轉(zhuǎn)換成模擬電壓，模擬電壓經(jīng)A5和BG2電路變換成（4~20）mA的電流信號。當(dāng)流量計的口徑為80mm和流速為（~6）m/s時，與流量相對應(yīng)的頻率誤差在177。%以內(nèi)。渦流流量計的特點是量程大、零點穩(wěn)定、壓力損耗小，不受流體密度和粘度影響，頻率與流速成線性關(guān)系。 電量采集系統(tǒng)硬件電路設(shè)計本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量0100mV采用放大電路轉(zhuǎn)化成為05V的電壓信號。如圖311所示。圖 311本電路設(shè)計采用同相比例放大器電路，其增益K為其中。它同相輸入，為電壓串聯(lián)負反饋電路