一种信号变送电路、压力变送器的制作方法

1.本发明涉及压力变送技术领域，特别是涉及一种信号变送电路、压力变送器。


背景技术：

2.压力变送器是一种将压力转换成气动信号或电动信号进行控制和远传的设备，压力变送器通常会采用应变电阻作为检测压力的传感器。扩散硅压力传感器是一种利用压阻效应原理工作的应变电阻。扩散硅压力传感器通常采用集成工艺技术制成，其内包含多个基础电阻构成的惠斯通电桥。扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，传感器的电阻值发生变化。当采用设计的电子线路检测到这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号，即可得到一个压力变送器。
3.在现有的采用扩散硅压力传感器的压力变送器中，为使传感器的信号稳定，会对惠斯通桥进行调零操作。目前所广泛应用的调零电路是将调整电阻并联在传感器本身的电桥上，如图1所示，这样容易破坏传感器本身的电路平衡，导致最终输出的信号温度系数变差。传统方式采用高端精密器件将微弱差分信号转换为两线制电流输出信号，高端精密器件价格高且不易获取，增加了v/i信号转换的成本与难度。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对v/i信号转换的成本大、难度较高的问题，提供一种信号变送电路、压力变送器。
5.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
6.一种信号变送电路，包括信号放大调整子电路和信号转换子电路；信号放大调整子电路包括三个运算放大器u1.1、u1.2、u1.3，两个可调电阻p1、p2，五个电阻r6、r7、r10、r11、r12，以及五个电容c1、c2、c3、c6、c8。信号转换子电路包括运算放大器u1.4，三极管q1以及六个电阻r1、r2、r3、r4、r5、r15。
7.信号变送电路的具体连接方式如下：u1.2的同相输入端与c2、c3的其中一端相连，并作为信号变送的输入端+s，c2的另一端接地。u1.2的反相输入端与输出端相连，并与p2的其中一定片引脚和r10的一端相连。u1.3的反相输入端与r6、r7的其中一端相连，r7的另一端与u1.3的输出端以及c6、r1的其中一端相连，p2的另一定片引脚和动片引脚与r6的另一端相连。u1.3的同相输入端与c8的其中一端、c3的另一端相连，并作为信号变送电路的输入端-s。c8的另一端接地，并作为信号变送电路的输入端-i。u1.1的同相输入端与c6、r10的另一端以及p1的动片引脚相连。p1的其中一定片引脚与r12的一端相连，r12的另一端接地；p1的另一定片引脚与r11的其中一端相连，r11的另一端与c1的其中一端相连，并作为信号变送电路的输入端+i，c1的另一端接地。u1.1的反相输入端和输出端相连，并与电阻r3的其中一端相连。u1.1的电压输入端作为信号变送电路的稳压输入端，u1.1的接地端接地。u1.4的同相输入端与r3的另一端、r4的其中一端相连，r4的另一端与r5的其中一端相连，并作为信
号变送电路的输出端out1。u1.4的反相输入端与r1的另一端、r2的其中一端相连。r2的另一端与r5的另一端接地，并与q1的发射极相连。u1.4的输出端与r15的其中一端相连，r15的另一端与q1的基极相连。
8.在其中一个实施例中，信号转换子电路还包括由线性稳压器u3和电阻r13构成的限流保护单元，限流保护单元的最大导通电流im＝1.25v/r13≈22ma，1.25v为u3固有基准电压，限流保护单元串联在q1的集电极上。q1的集电极与u3的可调端以及r13的其中一端相连，u3的输出端和r13的另一端相连，u3的输入端连接供电电压vcc。
9.在其中一个实施例中，信号转换子电路还包括由电阻r17和电容c9构成的稳定单元。稳定单元的存在可有效消除电路内部自激。r17的其中一端与q1的基极相连，r17的另一端与c9的其中一端相连，c9的另一端与q1的发射极相连。
10.在其中一个实施例中，信号转换子电路还包括电容c5和c7。c5、c7的其中一端与u3的输入端相连，c5的另一端接地，c7的另一端与r5作为信号变送电路的输出端的一端相连。信号转换子电路的输出电流i
out1
为：i
out1
＝(+vi～-vi)/r5，其中，+vi～-vi为进入信号转换子电路的差压信号
11.进一步的，运算放大器u1.2、u1.3、可变电阻p2、电阻r6、电阻r7构成第一级差分放大单元，用以放大传感器的检测信号。
12.进一步的，第一级差分放大单元的放大倍数a1为：a1＝r7/(r6+r
p2
)，其中，r
p2
为可调电阻p2的阻值。
13.本发明还包括一种压力变送器，包括传感器、电源电路和信号处理电路。电源电路用以提供所需的电源。传感器用于在检测过程生成相应的检测信号。信号处理电路用于将检测信号转换为一个对应的电流信号；信号处理电路采用前述的信号变送电路。
14.进一步的，电源电路包括恒流稳压子电路和电源输入信号输出子电路。恒流稳压子电路包括线性稳压器u2、两个电阻r9、r16以及电容c4。恒流稳压子电路输出恒流1.5ma供传感器使用，恒压输出5v供运放使用。电源输入信号输出子电路包括自恢复保险丝f1以及二极管d1、d2。
15.电源电路的具体连接方式如下：u2的输入引脚与d1、d2的负极相连，u2的输出引脚与r9、r16的其中一端相连，并作为电源电路的稳压输出端。r16另一端接地，c4与r16并接，u2的可调引脚与r9的另一端相连，并作为电源电路的恒流输出端。输出电流+i＝1.25v/r9，其中，1.25v为u2固有基准电压。d2的正极与信号变送电路的输出端out1连接，并作为压力变送器的信号输出端。d1的正极与f1的其中一端相连，f1的另一端作为压力变送器的电源输入端。
16.在其中一个实施例中，电源输入信号输出子电路还包括磁珠l1、l2。线性稳压器u2的输入引脚与l1的其中一端连接，l1的另一端与d1、d2的负极相连；l2的其中一端与信号变送电路的输出端out1连接，另一端与d2的正极相连。
17.在其中一个实施例中，传感器包括四个压变电阻组成的惠斯通电桥，惠斯通电桥的四个桥臂作为传感器的四个接线端，分别与信号变送电路的输入端+i、-i、+s和-s相连。
18.本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
19.1.本发明设置信号变送电路能够将传感器的微弱差分信号变换成与相对应的恒流输出信号，且恒流输出信号与传感器感应到的压力成线性关系；u1.2、p2、r6、r7、u1.3构
成的第一级差分放大单元，能够将传感器的微弱差分信号进行放大处理；r11、r10、p1、r12构成的零位调整单元，位于第一级差分放大单元后端的电路上，进而能够维持传感器本身的补偿特性，使得信号变送电路输出的信号精准度更高。
20.2本发明设置的压力变送器利用通用廉价的四运放完成由传感器的差分信号转换成标准电流信号的过程；电源电路不仅能够给传感器提供恒流源，同时能够给运算放大器提供稳压源，实现两种功能。
21.3.本发明设置r17和c9对电路进行稳定，防止电路产生自激；设置u3和r13对电流进行限制，使电流的最大值不超过预设值22ma，进而保护电路；设置磁珠l1、l2提高压力变送器对外连接时的抗电磁干扰能力。
附图说明
22.图1为现有技术中传统的零位调整电路与传感器的电路连接图；
23.图2为本发明的信号变送电路的电路图；
24.图3为基于图2的信号放大调整子电路的电路图；
25.图4为基于图2的信号转换子电路的电路图；
26.图5为实施例2中的压力变送器的电路图；
27.图6为基于图5的恒流稳压子电路的电路图；
28.图7为基于图5的电源输入信号输出子电路的电路图；
29.图8为基于图5的压力变送器的信号流向图；
30.图9为基于图5的压力变送器的整体连接电路图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
33.本实施例解决了现有技术中采用放大器放大微弱差分信号因电路不平衡导致差分电压信号不能精准变换成相对应的输出信号以及v/i信号转换的成本大、难度较高的问题。本实施例通过由u1.2、p2、r6、r7、u1.3构成的第一级差分放大单元，能够将传感器微弱差分信号进行放大处理。第一级差分放大单元a1：a1＝r7/(r6+r
p2
)，其中，r
p2
为可调电阻p2的阻值。由r11、r10、p1、r12构成的零位调整单元，位于第一级差分放大单元后端的电路上，不直接并联在传感器的电桥上，进而能够维持传感器本身的补偿特性，使得信号变送电路输出的信号精准度更高。
34.如图2所示，本实施例的信号变送电路包括信号放大调整子电路和信号转换子电路。信号放大调整子电路包括三个运算放大器u1.1、u1.2、u1.3，两个可调电阻p1、p2，五个电阻r6、r7、r10、r11、r12，以及五个电容c1、c2、c3、c6、c8。信号转换子电路包括运算放大器u1.4，三极管q1，线性稳压器u3，八个电阻r1、r2、r3、r4、r5、r13、r15、r17，三个电容c5、c7和c9。
35.如图3所示，信号放大调整子电路包含由u1.2、p2、r6、r7、u1.3构成的第一级差分放大单元以及由r11、r10、p1、r12构成的零位调整单元，u1.1的作用是将零位调整后的信号进行阻抗变换。电容c5、c7和c9起到信号滤波作用，以便消除杂波同时增加抗干扰能力。
36.对于电容和电阻的选取，本实施例提供一种具体的方式：五个电容c1、c2、c3、c6、c8均选取贴片电容104即0.1μf电容。r6选择贴片电阻201即200ω电阻；r7、r10选择贴片电阻202即2kω电阻；r11选择贴片电阻203即20kω电阻；r12选择贴片电阻514即51kω电阻。
37.如图4所示，信号转换子电路中的u1.4、r1、r2、r3、r4、r15、q1、r5配合能够将差分信号变换成相对应的单端信号，达到信号线性变换的目的。电阻r17和电容c9构成的稳定单元可防止电路产生自激。线性稳压器u3和电阻r13构成的限流保护单元使电流的最大值不超过预设值(22ma)，进而保护电路。预设值即的计算方法为最大导通电流im：im＝1.25v/r13≈22ma，1.25v为u3固有基准电压。
38.对于信号转换子电路输出电流i
out1
的计算方法：i
out1
＝(+vi～-vi)/r5，其中，+vi～-vi为进入信号转换子电路的差压信号。
39.信号转换子电路的各电子元件的选取如下：q1采用npn三极管，可以选取型号bd237，具有高集电极-发射极击穿电压特性，集射极击穿电压(vceo)是80v，集电极电流(ic)是2a。u1.4可以选择和u1.1、u1.2、u1.3相同型号的运算放大器。具有廉价通用的特点。
40.线性稳压器u3采用可调三端正电压ldo稳压器，由三端可调稳压集成电路lm317构成。它巧妙运用lm317的特殊构造来同时完成输出1.5ma恒流来为传感器供电，同时输出5v稳压电源给运算放大器提供稳定供电。具体为lm317lbdr2g可调稳压器。它能够在1.2v至37v输出电压范围内提供大于1.5ma的电流。易于使用且仅需2个外部电阻即可对输出电压进行设置。此外，它还采用了内部电流限制、过热关断和安全区补偿，极大降低被破坏的可能。使其基本不会被损坏。
41.对于电容和电阻的选取，本实施例提供一种具体的方式：r1、r2、r3、r4、r5选择贴片电阻203即20kω电阻；r13选择56ω电阻；r15选择贴片电阻103即10kω电阻；r17选择贴片电阻101即100ω电阻。c5、c7选取贴片电容104即0.1μf电容；c9选取贴片电容105即1μf电容。
42.信号变送电路中的运算放大器u1.1、u1.2、u1.3、u1.4采用廉价通用型运算放大器。例如：精密运放gs8594，具有低功耗的特点，其性能满足单电源电路，进而能够与传感器一起在单电源中工作。此外，gs8594还具有零漂移的特点，在整个可承受的温度范围内，漂移接近零，同时该运算放大器价格低廉且普遍，完全可替代精密昂贵的进口集成电路，来完成压力变送器所需的功能。也可以选择其他运放，只需满足额定工作电压大于7.5v,静态工作电流小于1.5ma即可。
43.信号变送电路的电子元件的具体连接方式如下：u1.2的同相输入端与c2、c3的其中一端相连，并作为信号变送的输入端+s，c2的另一端接地。u1.2的反相输入端与输出端相连，并与p2的其中一定片引脚和r10的一端相连。u1.3的反相输入端与r6、r7的其中一端相连，r7的另一端与u1.3的输出端以及c6、r1的其中一端相连，p2的另一定片引脚和动片引脚与r6的另一端相连。u1.3的同相输入端与c8的其中一端、c3的另一端相连，并作为信号变送电路的输入端-s。c8的另一端接地，并作为信号变送电路的输入端-i。u1.1的同相输入端与c6、r10的另一端以及p1的动片引脚相连。p1的其中一定片引脚与r12的一端相连，r12的另
一端接地。p1的另一定片引脚与r11的其中一端相连，r11的另一端与c1的其中一端相连，并作为信号变送电路的输入端+i，c1的另一端接地。u1.1的反相输入端和输出端相连，并与电阻r3的其中一端相连。u1.1的电压输入端作为信号变送电路的稳压输入端，u1.1的接地端接地。u1.4的同相输入端与r3的另一端、r4的其中一端相连，r4的另一端与r5、c7的其中一端相连，并作为信号变送电路的输出端out1。u1.4的反相输入端与r1的另一端、r2的其中一端相连。r2的另一端与r5的另一端接地，并与q1的发射极相连。u1.4的输出端与r15的其中一端相连，r15的另一端与q1的基极相连。q1的集电极与u3的可调端以及r13的其中一端相连，u3的输出端和r13的另一端相连，u3的输入端连接供电电压vcc。r17的其中一端与q1的基极相连，r17的另一端与c9的其中一端相连，c9的另一端与q1的发射极相连。c7的另一端与u3的输入端相连，c5的另一端接地。
44.本实施例的信号放大调整子电路对传感器的微弱差分信号进行放大，信号转换子电路再进行差压信号转换成电流信号的变换过程。。零位调整单元位于第一级差分放大单元的后面，不破坏传感器本身的电路平衡，信号转换子电路能将差分电压信号转换成相对应的恒流输出信号，且该信号与压力传感器感应到的压力值成线性关系。
45.实施例2
46.如图5所示，本实施例介绍了一种压力传感器，包括传感器、电源电路和信号处理电路。电源电路用以提供所需的电源。传感器用于在检测过程生成相应的检测信号。信号处理电路用于将检测信号转换为一个对应的电流信号。信号处理电路采用实施例1中的信号变送电路。
47.传感器由四个压变电阻组成的惠斯通电桥构成，惠斯通电桥的四个桥臂作为传感器的四个接线端，分别与信号变送电路的输入端+i、-i、+s和-s相连。
48.电源电路包括恒流稳压子电路和电源输入信号输出子电路。如图6所示，恒流稳压子电路包括线性稳压器u2、两个电阻r9、r16以及电容c4。恒流稳压子电路输出恒流1.5ma供传感器使用，恒压输出5v供运放使用。如图7所示，电源输入信号输出子电路包括自恢复保险丝f1、二极管d1、d2以及磁珠l1、l2，用于保护电路。
49.电源电路的电子元件的选取如下：线性稳压器u2选择和u3相同型号即lm317，巧妙地达到两种功能，一是给传感器提供1.5ma的恒流源，二是给运放提供5v恒压源。f1用于防止电流浪涌、过热造成的损坏，限制大电流流过，由于其可以在电路故障清除和电源断开后复位，因此可以减少维修次数。f1的型号可以采用asmd1206-005，保持电流0.05a。
50.d1为反向保护二极管，起到电路保护的作用，d1的型号可以选择1n4148，具有易于获得、价格低廉、通用性广的特点。d2为过压保护tvs二极管，保护电压为26v。可以选择型号smbj26aq，其反向截止电压(vrwm)为26v。d2可以选择其他型号的过压保护tvs二极管，但需要满足保护电压26v。磁珠l1、l2的直流阻抗为零，对高频具有一定的感抗，可以选择mmz1608q601，其工作温度在-20-90℃之间，满足日常使用环境。
51.对于电阻和电容的选取，本实施例提供一种具体的方式：r9选择贴片电阻821即820ω电阻；r16选择贴片电阻103即10kω电阻。c4选择贴片电容225即2.2μf电容。
52.电源电路中各电子元件的具体连接方式如下：u2的输入引脚与d1、d2的负极相连，u2的输出引脚与r9、r16的其中一端相连，并作为电源电路的稳压输出端。r16另一端接地，c4与r16并接，u2的可调引脚与r9的另一端相连，并作为电源电路的恒流输出端，输出电流+
i＝1.25v/r9，其中，1.25v为u2固有基准电压。d2的正极与信号变送电路的输出端out1连接，并作为压力变送器的信号输出端。d1的正极与f1的其中一端相连，f1的另一端作为压力变送器的电源输入端。u2的输入引脚与l1的其中一端连接，l1的另一端与d1、d2的负极相连。l2的其中一端与信号变送电路的输出端out1连接，另一端与d2的正极相连。
53.如图8所示，电源电路可为传感器提供1.5ma恒流源，为信号变送电路提供5v稳压源，信号变送电路将传感器的差分电压信号(检测信号)先放大处理，随后零位调整，最后线性变换成单端电流信号，通过电源电路输出一个标准的4～20ma电流信号。
54.本实施例利用一块通用廉价的四运放完美的完成了由传感器的差分信号转换成4-20ma的标准信号，并使得这个电流信号与压力传感器感应到的压力值成线性关系，提高输出电流信号的精准度。
55.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
56.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。