詳細說明

 

說到傳感器，幾乎沒有什麼能比得過惠斯登電橋（圖1）。該(gai)電(dian)橋(qiao)可(ke)產(chan)生(sheng)差(cha)分(fen)電(dian)壓(ya)，當(dang)物(wu)理(li)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)時(shi)
，差(cha)分(fen)電(dian)壓(ya)會(hui)隨(sui)之(zhi)發(fa)生(sheng)可(ke)預(yu)測(ce)的(de)變(bian)化(hua)。差(cha)分(fen)電(dian)壓(ya)還(hai)有(you)抑(yi)製(zhi)溫(wen)度(du)和(he)時(shi)間(jian)漂(piao)移(yi)的(de)附(fu)帶(dai)好(hao)處(chu)。差(cha)分(fen)電(dian)壓(ya)位(wei)於(yu)較(jiao)大(da)共(gong)模(mo)(CM)電(dian)壓(ya)之(zhi)上(shang)。使(shi)用(yong)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)來(lai)放(fang)大(da)電(dian)橋(qiao)提(ti)供(gong)的(de)小(xiao)信(xin)號(hao)。儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)的(de)優(you)點(dian)在(zai)於(yu)，在(zai)電(dian)橋(qiao)元(yuan)件(jian)負(fu)載(zai)很(hen)少(shao)或(huo)沒(mei)有(you)負(fu)載(zai)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，它(ta)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)差(cha)分(fen)電(dian)壓(ya)並(bing)將(jiang)CM抑製到傳統運算放大器無法實現（因為要求外部電阻高度匹配）的程度。

 

圖1. 惠斯登電橋

 

物wu理li測ce量liang所suo用yong的de電dian子zi設she備bei常chang常chang遠yuan離li被bei測ce物wu理li參can數shu。例li如ru，埋mai在zai卡ka車che稱cheng重zhong站zhan路lu麵mian下xia方fang或huo橋qiao梁liang結jie構gou內nei的de應ying變bian計ji測ce量liang，不bu太tai可ke能neng位wei於yu讀du取qu測ce量liang結jie果guo的de電dian子zi設she備bei旁pang邊bian。當dang使shi用yong雙shuang線xian四si分fen之zhi一yi橋qiao接jie應ying變bian計ji（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）時
，傳感器放在遠離檢測放大器的地方，如圖2所示，產生的結果不令人滿意，即便傳感器引線使用屏蔽雙絞線也無效。

 

圖2. 遠程傳感器設置受到環境噪聲拾取的影響

 

問題在於，屏蔽雙絞線不是對長電纜線路上的所有幹擾都能抑製。在這種情況下，不能依靠儀器的良好平衡輸入來消除CM影響。長電纜拾取的幹擾對放大器正負輸入的影響是不均衡的
，而且輸入包含CMR無法消除的不相關信號。因此
，如圖3所示，由於對CM噪聲（看似如此）的響應不平衡，在電路輸出端發現明顯噪聲並不奇怪。

 

圖3. 麻煩的放大器輸出端120 Hz噪聲（0.1 V/div
，2 ms/div）

 

為了從CM（直流和幹擾）中成功提取很小的電橋差分電壓


，一種解決方案是使用兩對屏蔽或非屏蔽雙絞線(UTP)。這樣
，儀表放大器的兩個輸入實現均衡，受到的CM噪聲影響相同，如圖4所示。諸如LT6370之類的器件具有出色的低頻CMR (120 dB)
，能夠可靠地抑製困擾IA輸入的噪聲。結果，即使在嘈雜的環境中，遠距離輸出波形也很幹淨。

 

 

圖4. 使用兩根非屏蔽雙絞線進行遠程檢測
 

有了LT6370的全部CMR功能

，我們可以更進一步，通過減少一對接線來簡化配置，僅留下一根UTP。此概念如圖5所示，其中U2的輸入保持平衡以獲得良好的CMR。注意UTP引線看起來與U2相同，並有相同的對地阻抗（R2、R4）。

 

 

圖5. 用於遠程檢測的單根UTP

 

對於圖5所示的元件值，流過傳感器RSENSOR的電流約為1 mA。使用U1的RG1值，該級以G = 10 V/V運行，輸出電壓為RSENSOR上電壓的10倍放大副本

，約為3.5 V。U1的主要任務是消除UTP長導線上存在的且僅響應傳感器電壓的幹擾
，傳感器電壓等於傳感器電阻乘以流經其中的約1 mA電流。LT6370出色的低失調電壓和漂移，以及優異的CMR特性，使其成為顯而易見的選擇。

 

惠斯登電橋的另一半由R5
、R6和VR1組成
，其電流與電橋的傳感器部分幾乎相同。U1輸出端的傳感器電壓和VR1遊標處的基準電壓均經過低通濾波後達到U2的差分輸入端
，以消除幹擾噪聲。U2設置為高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大正輸入端上的非常小的傳感器電壓
，而負輸入端上是固定的低噪聲基準電壓，自基準電壓源 LT6657-5 產生。U1輸出精確代表實測的施加於傳感器（其附著於目標元件或材料）的應變，以驅動ADC或其他類似的信號處理。

 

可選DAC和OPA（U4
、U5）連接到U2的REF引腳（如果不需要偏移調整，可以將其接地）
，可用於提供輸出偏移調整和調零。使用DAC可以將U2輸出電壓移動到適合所選ADC的基準或CM電平。例如，基準電壓為5V的ADC可以直接從U2驅動
，使用DAC驅動U2REF輸入，將其零輸出設置為2.5V。這樣，0 V至2.5 V ADC模擬輸入代表壓縮應變，2.5 V至5 V信號代表拉伸應變。需要注意的是
，驅動U2 REF引腳的器件（本例中為AD820）應保持低阻抗，以消除任何可能的增益誤差。

 

以下是輸出電壓與傳感器電阻的關係以及輸出電壓與被測量應變(ε)的關係的表達式：

 

 

其中，ΔRSENSOR為應變引起的傳感器電阻的變化

 

 

其中：

 

L 指傳感器長度

 

ε 指被測應變量

 

對於所選的傳感器：

 

R_sensor = 350 Ω

 

GF= 2

 

產生的應變(ε)為：

 

 

LT6370的超低增益誤差（G = 10 V/V時小於0.084%）和低輸入失調電壓（全溫度範圍內最大值小於50 μV），保證U2獲得傳感器電壓的真實副本，減去UTP拾取的幹擾，與U2反相輸入端產生的基準電壓進行比較。LT6657-5產生穩定、低噪聲、低漂移的基準電壓
，使整個電路不受電源電壓變化的影響。特別重要的是，LT6657-5的1/f噪聲很低，這點意義重大，因為電路的增益很大。

 

U2每個輸入端的簡單RC低通濾波器（R9
、C2和R10、C3）的滾降頻率設置為約10 Hz，輸出噪聲可以通過限製帶寬來降低。如圖6所示，LT6370的1/f噪聲轉折頻率很低（<10 Hz），1/fzaoshengdeyingxianghenxiao
，zheshiyigeyoushi。ciwai
，dianliuzaoshengmidutuxianshi，liyongshuruduanzaoshengdexiangguanfenliang，baochilianggeshuruzukangpinghengyishidianliuzaoshengyingxiangzuidiyaohaodeduo。yinci，youyuVR1的遊標具有等效阻抗，R10的值降至3.74 kΩ，以與4.75 kΩ的R9阻抗匹配。

 

圖6. LT6370輸入基準電流/電壓噪聲密度

 

結語

 

電橋傳感器遠離信號處理放大器，需要儀表放大器來提取幹淨的實測差分電壓。LT6370儀表放大器的特性使其能夠成功處理遠程傳感器通過長電纜傳來的信號。LT6370製造工藝在生產測試期間調用片內加熱器來保證溫度漂移值，進一步增強了LT6370對遠程監控應用的適應性
，並延長了其在難以維修的設備中的使用壽命和產品壽命。

 

 

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