一种力敏传感器模拟信号变送器的制作方法

本实用新型涉及传感器的信号调理应用领域，具体是一种力敏传感器模拟信号变送器。

背景技术：

力敏传感器被广泛应用于工业、民用、军工等各个领域，主要用于检测力及与力相关的非电物理量。一般来说，力敏传感器的原始输出信号较小，在传输过程中易衰减易被干扰，同时不便于客户直接使用，需要对力敏传感器的输出信号进行一定形式的变换以便于相对远距离传输及与其他工控设备互连。目前对于力敏传感器而言，对应的变送器输出信号一般为单一的电压变送信号如0-5v或者单一的电流变送信号如4-20ma。单一的变送信号变换方法有多种且容易实现，如对于电流变送信号可采用专用的集成芯片如xtr105、am402等，对于单一的电压变送信号一般可采用仪表放大器或运算放大器组成的v/v变换电路。而在某些应用场合，控制系统可能需要多于2种或2种以上的变送信号，单一的电流或电压变送信号则难以达到该种应用场合的要求。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种力敏传感器模拟信号变送器，可对力敏传感器输出的差分电压信号进行滤波放大变换后，同时输出电流和电压两种标准工业变送信号。

本实用新型的技术方案为：

一种力敏传感器模拟信号变送器，包括有双运放u2、四运放u1、精密单运放u6、电位器pg2、电位器pg1、及若干电阻，所述的双运放包括有运算放大器u2a和运算放大器u2b，所述的四运放u1包括有运算放大器u1a、运算放大器u1b、运算放大器u1c和运算放大器u1d；所述的运算放大器u2a、运算放大器u2b、运算放大器u1d、电位器pg2和多个电阻组成仪表放大器电路，所述的运算放大器u2a的同相输入端与力敏传感器输出的差分信号s-连接，运算放大器u2b的同相输入端与力敏传感器输出的差分信号s+连接，电位器pg2的其中一固定端与运算放大器u2a的反相输入端连接，电位器pg2的其中一固定端通过电阻r15与运算放大器u2a的输出端连接，电位器pg2的可调端通过电阻r15与运算放大器u2a的输出端连接，电位器pg2的另一固定端与运算放大器u2b的反相输入端连接，电位器pg2的另一固定端通过电阻r16与运算放大器u2b的输出端连接，运算放大器u2a的输出端通过电阻r12与运算放大器u1d的反相输入端连接，运算放大器u2b的输出端通过电阻r17与运算放大器u1d的同相输入端连接，运算放大器u1d的反相输入端与输出端之间连接有电阻r13，运算放大器u1d的输出端输出电压变送信号vout；所述的运算放大器u1c的同相输入端与运算放大器u1d的输出端连接，运算放大器u1c的反相输入端与输出端相互连接，运算放大器u1a的同相输入端与零点偏置电路的输出端连接，运算放大器u1a的反相输入端与输出端相互连接，运算放大器u1c输出端输出的电压变送信号和运算放大器u1a输出端输出的偏置电压信号通过加法电路进行求和运算，所述的加法电路包括有运算放大器u1b、电阻r8、电阻r9、电阻r21和电阻r22，运算放大器u1c的输出端通过电阻r8与运算放大器u1b的同相输入端连接，运算放大器u1a的输出端通过电阻r9与运算放大器u1b的同相输入端连接，运算放大器u1b的反相输入端通过电阻r22接模拟地agnd，运算放大器u1b的反相输入端通过电阻r21连接运算放大器u1b的输出端，运算放大器u1b的输出端与v/i转换电路的输入端连接；所述的v/i转换电路是由精密单运放u6、电位器pg1、npn型三极管q1、npn型三极管q2和多个电阻组成，所述的运算放大器u1b的输出端通过电阻r3与精密单运放u6的同相输入端连接，精密单运放u6的反相输入端通过电阻r1连接模拟地agnd，npn型三极管q2的发射极通过电阻r5后、npn型三极管q1的发射极依次通过电阻r4和电阻r5后、电位器pg1的其中一固定端通过电阻r5后均与精密单运放u6的反相输入端连接，npn型三极管q1的基极、npn型三极管q2的集电极均通过电阻r6后与精密单运放u6的输出端连接，npn型三极管q2的基极与npn型三极管q1的发射极连接，npn型三极管q1的集电极连接24va电源，电阻r6的一端连接精密单运放u6的同相输入端，电阻r6的另一端、电位器pg1的另一固定端和可调端三者相互连接并输出电流变送信号iout。

所述的力敏传感器模拟信号变送器的电源是由系统电源电路提供，所述的系统电源电路包括有三端稳压器u4、三端稳压器u3、负电压产生芯片u5和若干电阻和电容，所述的三端稳压器u4的输入端与24v直流电源连接，三端稳压器u4的输出端输出15v电源，15v电源作为双运放u2、四运放u1和精密单运放u6的正电源，所述的三端稳压器u3的输入端与三端稳压器u4连接，三端稳压器u3的输出端输出9v电源，9v电源作为传感器的激励电源，负电压产生芯片u5的输入端与三端稳压器u3的输出端连接，负电压产生芯片u5的输出端输出-9v电源，-9v电源作为双运放u2、四运放u1和精密单运放u6的负电源。

所述的力敏传感器通过调平衡电路进行预调平衡，所述的调平衡电路是由电位器pz2、电阻r10、电阻r11和电阻r14组成，电位器pz2的一固定端通过电阻r10连接模拟地agnd，电位器pz2的另一固定端通过电阻r11连接9v激励电源，传感器输出的差分信号s-通过电阻r14与电位器pz2的可调端连接。

所述的力敏传感器输出的差分信号s-、力敏传感器输出的差分信号s+分别通过对应的低通滤波电路进行滤波后与仪表放大器电路的输入端连接，所述的传感器输出的差分信号s-与磁珠s1的一端连接，磁珠s1的另一端与电容c7的一端连接，电容c7的另一端接模拟地agnd，所述的传感器输出的差分信号s+与磁珠s2的一端连接，磁珠s2的另一端与电容c9的一端连接，电容c9的另一端接模拟地agnd，电容c7的一端和电容c8的一端连接，电容c9的一端与电容c8的另一端连接。

所述的运算放大器u1d的输出端通过自恢复保险丝f1后输出电压变送信号vout，运算放大器u1d的输出端通过二极管d4与15v电源连接。

所述的零点偏置电路是由电位器pz1和电阻r7组成，电位器pz1的其中一固定端和可调端均与运算放大器u1a的同相输入端连接，电位器pz1的其中一固定端通过电阻r7连接9v电源，电位器pz1的另一固定端接模拟地agnd。

所述的电阻r6的另一端、电位器pg1的另一固定端和可调端三者相互连接后与二极管d6的正极连接，二极管d6的负极输出电流变送信号iout。

所述的系统电源电路中，24v直流电源依次通过自恢复保险丝f2和二极管d6后与三端稳压器u4的输入端连接，24v直流电源依次通过自恢复保险丝f2和双向瞬态抑制二极管d9后接模拟地agnd。

本实用新型的优点：

本实用新型通过滤波、防过压及防过流等预处理后，由幅值变换电路对力敏传感器输出的毫伏级差分电压信号进行放大产生标准的电压变送信号0-5v，再通过v/i变换电路产生标准的电流变送信号4-20ma；在两种类型变送信号输出的过程中，采用缓冲隔离技术的方法避免不同输出变送信号的相互影响造成的输出误差，同时保证两种类型变送信号的对应成比例的线性关系。本实用新型的系统电源电路提供电源过载保护并可自恢复，电源防反接保护功能，电压变送信号输出提供过流过压保护功能，电流变送信号输出提供防反接及限流功能。

附图说明

图1是本实用新型的电路图。

图2是本实用新型系统电源电路的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

见图1，一种力敏传感器模拟信号变送器，包括有双运放u2、四运放u1、精密单运放u6、电位器pg2、电位器pg1、及若干电阻，双运放包括有运算放大器u2a和运算放大器u2b，四运放u1包括有运算放大器u1a、运算放大器u1b、运算放大器u1c和运算放大器u1d；

见图2，力敏传感器模拟信号变送器的电源是由系统电源电路提供，系统电源电路包括有三端稳压器u4、三端稳压器u3、负电压产生芯片u5和若干电阻和电容，24v直流电源依次通过自恢复保险丝f2和二极管d6后与三端稳压器u4的输入端连接，24v直流电源依次通过自恢复保险丝f2和双向瞬态抑制二极管d9后接模拟地agnd，三端稳压器u4的输出端输出15v电源，15v电源作为双运放u2、四运放u1和精密单运放u6的正电源，三端稳压器u3的输入端与三端稳压器u4连接，三端稳压器u3的输出端输出9v电源，9v电源作为传感器的激励电源，负电压产生芯片u5的输入端与三端稳压器u3的输出端连接，负电压产生芯片u5的输出端输出-9v电源，-9v电源作为双运放u2、四运放u1和精密单运放u6的负电源；其中，自恢复保险丝f2提供整个变送器的过载保护，双向瞬态抑制二极管d9用于防止由于输入电压瞬时高压脉冲造成对变送器电路的损坏，二极管d6为防止电源反接保护用；

见图1，力敏传感器通过调平衡电路进行预调平衡，调平衡电路是由电位器pz2、电阻r10、电阻r11和电阻r14组成，电位器pz2的一固定端通过电阻r10连接模拟地agnd，电位器pz2的另一固定端通过电阻r11连接9v激励电源，传感器输出的差分信号s-通过电阻r14与电位器pz2的可调端连接；力敏传感器输出的差分信号s-、力敏传感器输出的差分信号s+分别通过对应的低通滤波电路进行滤波后与仪表放大器电路的输入端连接，传感器输出的差分信号s-与磁珠s1的一端连接，磁珠s1的另一端与电容c7的一端连接，电容c7的另一端接模拟地agnd，传感器输出的差分信号s+与磁珠s2的一端连接，磁珠s2的另一端与电容c9的一端连接，电容c9的另一端接模拟地agnd，电容c7的一端和电容c8的一端连接，电容c9的一端与电容c8的另一端连接；

见图1，运算放大器u2a、运算放大器u2b、运算放大器u1d、电位器pg2和多个电阻组成仪表放大器电路，运算放大器u2a的同相输入端与传感器输出的差分信号s-连接，运算放大器u2b的同相输入端与传感器输出的差分信号s+连接，电位器pg2的其中一固定端与运算放大器u2a的反相输入端连接，电位器pg2的其中一固定端通过电阻r15与运算放大器u2a的输出端连接，电位器pg2的可调端通过电阻r15与运算放大器u2a的输出端连接，电位器pg2的另一固定端与运算放大器u2b的反相输入端连接，电位器pg2的另一固定端通过电阻r16与运算放大器u2b的输出端连接，运算放大器u2a的输出端通过电阻r12与运算放大器u1d的反相输入端连接，运算放大器u2b的输出端通过电阻r17与运算放大器u1d的同相输入端连接，运算放大器u1d的反相输入端与输出端之间连接有电阻r13，运算放大器u1d的输出端通过自恢复保险丝f1后输出电压变送信号vout，运算放大器u1d的输出端通过二极管d4与15v电源连接；其中，电位器pg2用于调节仪表放大器的增益，使得力敏传感器在工作范围内输出0-5v的标准电压变送信号vout，二极管d4用于防止电压变送信号输出端误接入过高电压对运放的损坏，自恢复保险丝f1防止电压变送信号过载；

见图1，运算放大器u1c的同相输入端与运算放大器u1d的输出端连接，运算放大器u1c的反相输入端与输出端相互连接，运算放大器u1a的同相输入端与零点偏置电路的输出端连接，零点偏置电路是由电位器pz1和电阻r7组成，电位器pz1的其中一固定端和可调端均与运算放大器u1a的同相输入端连接，电位器pz1的其中一固定端通过电阻r7连接9v电源，电位器pz1的另一固定端接模拟地agnd，运算放大器u1a的反相输入端与输出端相互连接，运算放大器u1c输出端输出的电压变送信号和运算放大器u1a输出端输出的偏置电压信号通过加法电路进行求和运算，加法电路包括有运算放大器u1b、电阻r8、电阻r9、电阻r21和电阻r22，运算放大器u1c的输出端通过电阻r8与运算放大器u1b的同相输入端连接，运算放大器u1a的输出端通过电阻r9与运算放大器u1b的同相输入端连接，运算放大器u1b的反相输入端通过电阻r22接模拟地agnd，运算放大器u1b的反相输入端通过电阻r21连接运算放大器u1b的输出端，运算放大器u1b的输出端与v/i转换电路的输入端连接；

见图1，v/i转换电路是由精密单运放u6、电位器pg1、npn型三极管q1、npn型三极管q2和多个电阻组成，运算放大器u1b的输出端通过电阻r3与精密单运放u6的同相输入端连接，精密单运放u6的反相输入端通过电阻r1连接模拟地agnd，npn型三极管q2的发射极通过电阻r5后、npn型三极管q1的发射极依次通过电阻r4和电阻r5后、电位器pg1的其中一固定端通过电阻r5后均与精密单运放u6的反相输入端连接，npn型三极管q1的基极、npn型三极管q2的集电极均通过电阻r6后与精密单运放u6的输出端连接，npn型三极管q2的基极与npn型三极管q1的发射极连接，npn型三极管q1的集电极连接24va电源，电阻r6的一端连接精密单运放u6的同相输入端，电阻r6的另一端、电位器pg1的另一固定端和可调端三者相互连接后与二极管d6的正极连接，二极管d6的负极输出电流变送信号iout。

其中，运算放大器u1c设计成起缓冲作用的高输入阻抗电压跟随器，用于采样输出的电压变送信号vout，同时电压变送信号不会出现衰减。由于电流变送信号为4-20ma，即在电压变送信号输出为0时，对应的电流变送信号输出为4ma，因此必须给电流变送信号产生电路提供一零点偏置电压，图1中的带阻r7和电位器pz1组成零点偏置电路，调节电位器pz1可改变偏置电压的大小，其输出由运算放大器u1a构成的电压跟随器缓冲后与采样的电压变送信号通过加法电路进行求和运算，加法电路由运算放大器u1b和多个电阻组成，最后偏置电压信号与采样的电压变送信号求和后再由v/i转换电路实现与电压变送信号成线性对应关系的电流变送信号4-20ma，通过调节电位器pg1可以改变电流变送信号输出的大小，电阻r4用于采样输出电流大小，当电流大于设定的最大值时，通过npn型三极管q2的饱和将npn型三极管q1的基级和发射极间的电压钳位，防止电流输出的继续增加，从而可以防止因过流导致npn型三极管q1损坏，利用二极管d1的单向导通性保证电流变送信号iout确定单方向对外输出。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。