压力传感器的LED排光柱显示系统Word文件下载.docx
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我们将压力传感器输出的压力信号,经放大后去驱动LED发光,从被点亮的LED个数去判断压力大小。
这与从显示屏或刻度盘上指针位置读取压力大小的方法相比,具有读数快捷、直观的特点,并给入以优美的视觉效果。
特别适用于驾驶员夜间使用、远距离观察另外本系统电路简洁、两自平衡电桥的热零点漂移和热灵敏度漂移补偿效果好、调试方便、工作稳定,可用于非高精度显示压力太小的工作环境,如汽车行驶
时,油箱油面高度显示,各种压力机、空压机、油泵压力的显示等。
此外,本系统装置成本低廉,具有乐观的市场前景。
二、系统概况
图l所示为压力传感器的LED排光柱显示系统方框图及各单元间的相互关系。
图1系统单元方框图
l2V的直流稳压电源Vcc经过SB1热灵敏度补偿自平衡电桥后对压力传感器的力敏电桥进行激励。
压力传感器的输出压力信号经零点补偿自平衡电桥SB2后,以双端输出给三运算仪用放大器,放大到使满量程输出达到5V,再单端输出给比较器。
比较器将此信号和分压电阻上的基准电压信号输入给差动放大器当前者大于后者时,差动放大器
便输出正电平,接于该放大器后面的LED便导通并发光。
与LED相串联的是限流电阻。
依据自下而上排列的LED发光的个数,便可以确定被测压力与满量程压力(全部10个LED全发光)的相对比值。
因此本系统适用于不同满量程的压力传感器的压力测量。
总是将满量程时输出信号放大到5V,此时由l0个LED排组成的光柱剐好全部发光。
三、电源
电源为整个工作电路提供5V和l2V两种恒定电压,其中5V电压接于比较器的分压电阻串顶端。
分压电阻串的末端接地。
于是各分压电阻上形成从高到低的阶梯电压。
12V电压有3个作用:
①通过SB1自平衡电桥对传感器力敏电桥进行激励;
②为仅由1个LM324集成块构成的仪用放大电路提供电源电压;
③为由3个集成块组成的比较器提供电源电压。
交流市电220V,经6V、5W的变压器降压,经桥式整流,电容滤波,最后由集成稳压块7805稳压成5V直流输出。
同样,利用7812集成稳压块得到12V的直流输出。
四、压力传感器的热漂移补偿电路
图2左端所示为用自平衡电桥SB1和SB2消除热灵敏度漂移和热零点漂移电路。
这部分电路除P1至P5五个电位器外,全部元件插焊在一个直径45mm的圆形印刷线路板上。
此印刷线路板与压力传感器同时装入钢制外壳中,便使印刷线路板上属于自平衡电桥SB1和SB2的二极营与传感器保持较好的温度同步变化。
但实际上仍发现此印刷线路板上的二极管的温度比传感器芯片的温度变化快。
图2压力传感器的LED排光柱显示系统电路全图
自平衡电桥SB2用于热零点漂移补偿,其接入传感器电桥输出点的位置要根据实际情况而定。
由于力敏电桥桥臂电阻的阻值不完全相等,在不加压力时,传感器便有零点输出U0=V10-Vp0=0。
SB2应接到两输出端的低电位端,电位器P2接到高电位端。
改变电位器P2中央抽头的位置,肯定可以在某一点达到Vp0=V10,从而使零点输出U0=Vl0-Vp0=0。
比如现在力敏电阻R1和R2之间的输出端为低电位,自平衡电桥SB2应并联到力敏电阻R2上。
因SB2为等效高阻值,可避免R2短路而失去压阻效应。
SB2自平衡电桥的电位器P3为100KΩ,防止桥两端的短路。
进行热零点漂移补偿时,首先在0C下调整SB2的桥臂电阻,利用电位器Ps使SB2平衡,这时电位器P3两端无电位差。
再调整电位器P2中间抽头位置使零点输出为零,即U0=V10-Vp0=0。
接着将温度升高到50C,传感器因热零点漂移使V10和Vp0电位改变Vlt和Vp1。
同时自平衡电桥SB2失去平衡。
这时,改变P3抽头的位置,调整VP的电位:
Vp=Vp0+Vp1+Vp,其中Vp是抽头位置的变化引起的Vp电位的变化量。
使传感器的零点输出U0重新回零,即:
U0=V1-Vp=V10+Vlt-Vp0-
Vpt-Vp=Vlt-Vpt=Vp=0。
也就是此时Vp=V1t-Vpt,可消除传感器的热零点漂移。
自平衡电桥SB1用于补偿热灵敏度漂移,SB1应为小电阻电桥,这样流过三极管基极的电流不会影响SB2电桥平衡。
自平衡电桥SB1下边还应接一个电阻(4.1K),整个自平衡电桥SBI的电位提高,使传感器获得较高的激励电压。
另一方面又使自平衡电桥SB1流过较小的电流,减小了电路的功耗。
三极管T0的作用是使自平衡电桥SBl的温度补偿作用得以实现。
在0C下调整SB1桥臂电阻使它达到平衡,这时P1中间抽头位置不影响T0管的基极电流。
温度升高后SBl失去平衡,P1两端有电位差。
电位器P1的中央抽头位置的电位便与温度有关,从而导致T0管基极流的改变,于是发射极电流也随温度而变化,因此传感器的激励电压随温度而变化,使传感器的灵敏度得到温度补偿。
三极管T0的另一个作用是起射极跟随器作用:
I0=(1+)Ib,基极电流Ib很小,而发射极有较大的电流,因而传感器可以获得较大的激励。
如果没有三极管T0,要获得较大的传感器激励电流,必须由SB1自平衡电桥的电位器P1抽头流过较大的电流,致使自平衡电桥SB1无法在零度下调平衡。
T0管保证传感器有较大的电流流过,而电位器上流过较小的电流。
由于射极跟随器的Ve=Vb,基极电位受温度影响。
取决于P1电位器两端电位差与温度的关系以及中间抽头的位置。
因而传感器的激励电压Ve也同步随温度变化。
起到灵敏度的补偿作用。
进行热灵敏度漂移补偿(也就是满量程补偿)时,在零度下调节电位器P4使自平衡电桥SB1平衡。
并记录下满量程输出。
再升高到另一温度(如50C),调节电位器P1中间抽头位置使满量程输出不变,即可获得灵敏度(或满量程)的补偿效果。
五、放大电路
如图2所示,该放大电路包括由运放A1和A2构成的同相并联差动放大电路和后接的A3基本比例放大电路,从而构成仪用放大器。
它用于将传感器的双端差动输出信号(毫伏级)放大至满量程时正好达到5V电压输出,供给比较器。
先讨论基本比例放大电路A3。
来自同相并联差动放大电路的两路信号U1和U2,分别输入给A3的负端和正端。
根据迭加原理,A3的输出V0为:
V0=(-R6/R4)U1+R5/(R5+R3)(1+R6/R4)U2
(1)
下面将指出,传感器的压力信号只与(U2-U1)有关。
因此希望只放大U1和U2的差模信号而抑制其共模信号。
差模信号Vd为:
Vd=U2-U1,共模信号Vc为:
Vc=1/2(U2+U1),将式
(1)中的输入信号U1和U2用Vd和Vc表示,则:
V0=R6/R4(Vc-1/2Vd)+(R5/R5+R3)(1+R6/R4)(Vc+1/2Vd)=KVd=KcVc
其中差模增益K为:
K=1/2[R5/(R5+R3)(1+R6/R4)+R6/R4]
共模增益Kc为:
Kc=R5/(R5+R3)(1+R6/R4)-R6/R4
由以上两式可以看出,当输入电阻R3=R4且反馈电阻R6=R5时,共模增益Kc=0,而差模增益K=R3/R4,这就达到十分理想的情况。
将电阻严格挑选后,取R3=R4=30KΩ,R6=R5150KΩ。
基本比例放大电路的差模增益K=5,而共模增益Kc=0。
A3放大器的输出V0=KVd=K(U2-U1)。
当Vd=0时,V0=0,也就是说,对地电位为零。
V0可放大到伏特级,并与压力信号成正比。
对于同相并联差动放大电路来说,其两个输入端分别接自平衡电桥SB2的电位器P3的中间抽头和电位器P2的中间抽头,其电位分别为Vp和V2,其差U=Vp-V2,与压力成正比。
根据放大器的原理,可视两输入端为“虚短”,因此图2所示,A1和A2放大器负输入端的电位分别为U1=V2,U2'=Vp。
因此可调电位器Rw两端上的电位U1和U2即为V2
和Vp。
流过可调电位器Rw的电流为I=(Vp-V2)/Rw。
放大器的差模输出电压Vd(即为下级基本比例放大器A3的输入差模电压)为:
Vd=(R1+Rw+R2)I=(1+R1+R2/Rw)(Vp-V2)
(2)
也就是说,Vd只与(Vp-V2)差模有关,与其共模1/2(V2+Vp)无关。
因此有较高的共模抑制比。
改变Rw阻值便可以调节放大器的差模输出电压Vd,获得不同的差模增益。
前面已经指出,基本比例放大器A3的差模增益K=5,传感器的差模输出仅为毫伏级,经过由A1、A2、A3组成的仪用放大器后,应放大到满量程输出达5V电压就依靠可变电位器Rw来达到这一要求的。
因为同相关的差动放大电路要求结构对称,因此选择由LM324集成块提供的四运放(A1至A4)中的二个A1和A2,A3作后级基本比例放大电路。
当V2=Vp时,由式
(2)可见,Vd=0,但是,U1=U2=V2=Vp=1/2(V2+Vp)=Uc,也就是U1和U2及U1和U2有较大的共模信号,这是同相差动放大器的缺点。
虽然A1、A2把共模输入信号按1:
1比例传输到其输出端,也就是对A3有较大的共模输入,但是前面已指出,对后接的A3基本比例放大器来说,在电阻满足匹配条件下,共模增益K=O,也就是经过A3后,输出端V0便自动地将共模信号抑制掉。
因此输出端电压V0只与传感器的输出信号(VP-V2),也就是与被测压力成正比。
传感器的输出信号经过仪用放大器增益后,输入给比较器中的各运算放大器的同相输入端。
压力高时,同相输入端的电压也按比例升高。
如果压力传感器虽经过热零点漂移补偿后其输出信号仍然存在零点输出U0,这一零点输出也将被放大,这时将仪用放大器改变成图3所示的接法。
也就是在R5下端不直接接地,而接一个由A4放大器构成的电压跟随器。
这样把四运放LM324集成块的第4个运算放大器也利用起来。
此时放大器的输出V0可以表示为:
V0=K(Vp—V2)+V=-K(V2一Vp)+V
当压力为零时,传感器的零点输出为V20=Vp0=U0,此时让Vo=0,于是电平移动Vshift=KU0。
通过图3中A4同相输入端的电位器的调节,可以在输出信号V0中将传感器的零点输出抑制掉。
该仪用放大器适用于不同满量程的压力传感器。
无论满量程或最高限量程的输出值怎样不同,调节Rw电位器,改变放大器的增益,都可将满量程时仪用放大器的输出电压VO调节到5V电压。
因此本系统有广泛的适用性。
围3利用电平移动消除零点的改进电路
六、比较器和LED显示
由三块LM324提供的10个运算放大器组成比较器,再由10个LED排列成条形光柱来显示压力的大小。
阻值分别为40O的R7-R17,串联接于恒压源提供的5V电压与地之间,组成分压电阻串,形成阶梯基准电压。
电阻串的分压点分别与比较器中的各放大器的反相输入端相连接。
传感器的输出电压经放大电路放大后单端输出点同时与比较器中各放大器的同相输入端相连接。
以由下往上数第2个比较器B2为例,下面说明LED发光条件。
当被测压力介于满量程的1、10和2/10之间时,传感器的输出电压经放大后,V0介于0.5V和1V之间,也就是比较器中各放大器的同相输入端电压在O.5V和1V之间B1和B2放大器的反相输入端的电位分别为O.5V和1V。
因为V0>
0.5V,比较器B1的同相输入端电位高于其反相辅入端电位(O.5V),比较器B1输出正电平,电流流经第1个LED,使它发光。
但比较器B2同相输入端电位(小于1V)却低于反相输入端电位(1V),比较器B2输出负电平,第二个LED无电流流过因而不发光,这样,根据第一个LED发光,第一个LED不发光,可以判断传感器所测压力介于满量程的l/l0和2/10之间。
随所测压力增大,V0增大,发光二极管自下而上逐一发光。
为使各发光二极管安全工作,可串接R18至R27限流电阻,加以过流保护。
为保证LED点亮的个数与压力值成正比,串接电阻上形成的基准电压还可根据传感器的正比特性好坏进行调整。
传感器的输出特性曲线的线性度比较好时,各串接电阻可以选择相同值。
线性度不好时,可以按下述方法选择各阻值。
将压力从零至满量程分为lO档。
设压力传感器的输出特性曲线U-P的第一个压力档的斜率为tanɑ1=dU1/dP,第n个压力档的斜率为tanɑn=dUn/dP,则第n级串接电阻值可以取Rn=R1tanɑn/tanɑ1,于是各档次的基准电压便与相应档次的压力传感器的输出电压放大值相适应。
为样可以弥补传感器的线性度缺陷,保证LED点亮个数与被测量压力值严格成正比,提高了测量精度。
比较器中的放大器及LED的个数可以增加到2O个以上,则被显示的压力精度进一步提高。
当LED有2O个时,如果正比特性好,精度可以提高到正负5%。
此时形成基准电压的电阻串的阶梯电压差为5/20=0.25V。
参考文献
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信号与处理
Sighal&Process
3.孙以材、刘玉拳、孟度浩,《压力传感器的设计
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