一种简单应变式传感器的调理电路的设计

胡旭

摘要    本文详细介绍了电阻应变计的工作原理、调理电路组成。具体给出了每部分电路的设计原理、性能指标、器件选型。

【关键词】电阻应变计 调理电路 强度试验

在飞机强度试验中电测技术的应用已经不可取代，对于各种电测系统来说传感器的重要作用不言而喻。测量过程中，对传感器输出信号进行滤波、放大、A/D转换是保证测量精度的至关重要的环节。在飞机强度试验中使用最多的是电阻应变式传感器，如载荷传感器，所以调理电路设计的合理性对飞机强度试验来说意义重大。

1 应变式传感器的工作原理

电阻应变式传感器的工作原理是以电阻应变计作为转换元件将被测的非电量转换为应变计的电阻值变化（ΔR）。金属导线的电阻值（R）与其长度（L）和截面积（S）的关系如1式所示，其中ρ是金属电阻率。

通过1式可以看出，金属丝电阻与长度成正比，与截面积成反比。在外部应力的作用下金属丝的长度和截面积发生改变，金属丝的电阻发生改变随之变化，从而使电路中金属丝两端的电压发生改变，通过对电压值变化的测量便可计算出我们所关心的物理量。

电阻式传感器优点是精度高，测量范围广、寿命长、结构简单、频响特性好，能在恶劣环境下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可以采取一定的补偿措施。

2 影响调理电路的因素

调理电路就是将前端测量到的信号转换成为可供分析的标准信号。其中的调理过程包括信号放大、滤波、A/D转换等，下面我们就根据调理电路的功能分析影响调理电路的因素：

2.1 阻抗的匹配

信号传输过程中负载阻抗和信号源内阻抗之间的特定配合关系，匹配关系是否合理直接影响着系统的整体性能。

2.2 信号放大

信号放大是调理电路的一项重要功能，放大电路也是应用最广的电子电路之一。放大电路要将原有的微弱信号借助能量源增加信号的功率和幅度，并保证不改变信号的原有形态。

2.3 滤波

滤波电路就是对信号中不要的频率进行最大程度的衰减，以去除脉动的直流电压中的交流干扰信号，是直流电压的纹波降至最小，保留其原有形态。

2.4 A/D转换

A/D就是将电流、电压等电信号模拟量转换为数字信号，转换类型可分为积分型、比较型、调制型等。其性能又可用分辨率、线性度、转换率等指标来反映。

3 调理电路设计

综前所述，调理电路就是对来自传感器的小信号进行滤波、放大、抑制干扰、A/D转换。为了实现以上功能，调理电路由前置放大器、缓冲放大器、差分滤波放大器等器件组成，如图1所示。

3.1 前置放大器

前置放大器是决定系统准确度的关键器件之一，它必须具有非线性小、共模抑制比高、输入和输出温漂小，输入阻抗高以及频率响应高等综合性能。根据以往的设计经验和市场考察本设计中采用美国BB公司生产的仪表放大器INA141U。

仪表放大器INA141U采用差分输入，放大倍数为100，最大增益误差为0.075%，且无需外加元件，使用方便。如图1所示，在输入级中两只电感、两只开关二极管以及一只电容起抗干扰和过载保护作用。

3.2 缓冲放大器

缓冲放大器起缓冲和放大作用，放大倍数依据使用需求由程序确定其具体数值。对整个调理电路而言阻抗匹配的作用是由缓冲放大器来完成的，并减少信号的失真、抗干扰。本设计中的程控放大器选用美国AD公司生产的AD8251，其以緩冲放大为内核，兼具程控放大功能。AD8251具有很好的综合性能，无需外加元件，使用方便。AD8251的程控放大倍数为可通过程序设置为1倍、2倍、3倍和4倍。前置放大倍数为100，所以调理电路总的放大倍数为100倍、200倍、300倍和400倍。

3.3低通滤波器

如图1所示，本设计中的低通滤波器为有源滤波器，增益为1。其电路由高性能运算放大器和电阻、电容组成。其中运算放大器选用了美国AD公司生产的AD8610，它的最大输出电压为±10V，具有精度高、噪音低、频带宽频率响应高、增益稳定的优点，可用做高性能滤波电路。低通滤波器对放大信号中的噪音电压起抑制作用，从而增加了信噪比，确保测量准确度，它的低通频带约为0～5kHz。

3.4AD转换

AD转换采用美国BB公司的AD7807U，AD7807U是一款高性能的AD转换器，其具有16位转换分辨率（由于分辨率越高对前置电路的稳定性要求就越高，而且考虑到实际的测量精度，所以16位的转换分辨率完全满足本设计的要求），转换速度40k/s，通讯接口采用8位并行接口，电源方面采用5V单电源供电，电压输入范围为±10V。

4 小结

本文介绍了一种用于电阻式传感器这样的小信号处理的调理电路的设计，其特点是易于实现、稳定、高效、低成本，在实际的应用中本设计的以上特点也均得到体现。

参考文献

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[3] 乔巍，杜爱玲，陈春等.高速数据采集系统信号调理电路的设计[J].电子技术，2003（04）11-15.