专利名称：一种差动电阻式传感器检测电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及无源传感器激励和检测技术领域，尤其涉及一种差动电阻 式传感器检测电路。
背景技术：
差动电阻式传感器又称卡尔逊式传感器，是美国加州加利福尼亚大学的卡
尔逊教授在1932年研制成功的。图l是现有技术中差动电阻式传感器的工作原 理图。如图1所示，差动电阻式传感器是利用钢丝变形使其内部两个分线电阻 产生差动变化和钢丝总电阻随温度发生变化这两个原理设计而成的。在传感器 内部采用两根特殊固定方式的钢丝，经过预拉，张紧在支杆上。当仪器受到外 界的拉压变形时， 一根钢丝受拉，其电阻增加；另一根钢丝受压，张力减小，
其电阻减少。测量两根钢丝电阻比，可以求出传感器的变形量。这样的结构设 计，使两根钢丝的电阻在受变形时产生差动变化，目的是提高仪器的灵敏度， 并且使变形引起的电阻变化不影响温度的测量。温度引起的两根钢丝的电阻变 化是同方向的，就是当温度升高时两根钢丝的电阻都增大，而当温度降低时， 两根钢丝的电阻都减小。测量两根钢丝的电阻和，就可以求得传感器所处的环 境温度。
基于该原理制成的传感器主要有应力计，应变计，测缝计，钢筋计，渗压 计，温度计等。差动电阻式系列传感器由于测值稳定可靠、使用寿命长、安装 方便等优点，在大坝安全监测中得到了广泛的应用。
差动电阻式传感器检测电路就是要完成对电阻比(Rl/R2)和电阻和 (Rl+R2)的测量。钢丝的阻值较小，其电阻和一般为40Q 120Q，传感器的电缆芯线电阻会给测量结果带来很大误差，所以差动电阻式传感器多采用五线 制测量方式，以解决低内阻和芯线电阻对测量精度的影响。
图2是现有技术中差动电阻式传感器的等效电路模型原理图。如图2所示，
基本测量原理是给传感器施加恒稳电流激励，在电阻R1和R2分别产生压降，记 为U1和U2;分别对U1和U2做放大和模拟滤波处理，然后通过AD转化器将U1和U2
量化，记为N1和N2。这样便可求出电阻比
i i _ 71 一 Aa
电阻和的测量需要增加一个标准电阻Rst，按照上述方法可以获得一个与
之对应的AD转换值，记为NsT，则有
-=-=-^> i l + i 2 =-x《ST
6^7, iVS7. iVy,
目前的检测电路大都需要前置放大器的配合，因为施加的激励电流太大会 使传感器内阻发热而使阻值发生改变，影响测量结果； 一般采用小电流驱动， 而差动电阻式传感器的内阻比较小，所以U1和U2幅值较小，直接用模数转换 器采样难以达到精度要求，必然要引入前置运算放大器对信号进行放大。但是 运算放大器本身具有增益误差，其放大倍数是否恒定取决于比例电阻的精度和 温度系数，往往环境温度发生改变，电阻的温漂直接导致放大电路增益的改变， 这种改变直接影响电阻和的计算准确度。有的检测电路对运放进行了复用，即 在运放前增加了模拟开关电路，分时地把U1、 U2和Us,切换给放大电路，模数 转换器对放大电路的输出进行采样。模拟开关的导通电阻会等效增加传感器线 缆电阻，同时模拟开关端口切换和1/0漏电流都会对检测电路带来噪声。另外，. 模数转换器要保证采样精度，需要极低噪声的精密参考电压源，因为参考电压 值是直接参与推导计算的，所以电压源的选取不当也会影响测量精度。
目前的检测电路外围器件较多，成本较高，而且外围器件的噪声直接影响 测量精度，还需要软件方法(一般用五段线性插值法)对测量结果进行非线性
5修正，测量结果的稳定性和重复性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种差动电阻式传感器检测电路，能够解决差 动电阻式传感器内阻低难于测量和长导线线缆电阻影响明显的问题，而且检测 电路结构简单、精度高。
为达此目的，本实用新型采用以下技术方案
一种差动电阻式传感器检测电路，包括差动电阻式传感器、模数转换器、 微控制器、参考电阻R,和接地电阻Ro)w，其中，
差动电阻式传感器包括第一被测电阻R1和第二被测电阻R2，差动电阻式 传感器的第一被测电阻Rl的两根引线通过第二芯线和第三芯线与模数传感器 的模拟输入通道1正端(AINP1端)和模拟输入通道1负端(AINN1端)相连， 差动电阻式传感器的第二被测电阻R2的两根引线通过第三芯线和第四芯线与 模数传感器的模拟输入通道2正端(AINP2端)和模拟输入通道2负端(AI,2 端)相连；
参考电阻R,、第一芯线、第一被测电阻R1、第二被测电阻R2，第五芯线 和接地电阻RoM依次连接，形成差动电阻式传感器测量回路电流I;
参考电阻R,的分压用于作为模数转换器的参考电压源，与模数转换器的 正参考电压输入端(REFP端)和负参考电压输入端(REFN端)相连；
微控制器的输入输出端口与模数转化器的控制与数据端口连接，用于设置 模数转换器的增益、采样速率和控制两个差分输入通道的切换。
微控制器是MSP430系列低功耗单片机。
模数转换器是24位Delta-Sigma模数转换器，包括一个低漂移、低噪声 的仪表放大器和一个连接在单片集成数字滤波器上的高阶限幅自稳调制器，具 有两路差分输入转换通道，可选的内部或外部差分参考电源，可编程的l到128倍放大的可编程增益放大器(PGA)。
还包括3. 3伏供电器件，用于提供微控制器与模数转换器使用。 还包括5伏供电器件，用于提供差动电阻式传感器与模数转换器使用。 参考电阻是阻值为250欧、温漂系数为5ppm、精度为0.01%的精密电阻。 Rc。M是120欧姆电阻，用于提高模数转换器的模拟输入端的共模电压，以
降低输入噪声。
采用了本实用新型的技术方案，该检测电路使用新型的传感器与模数转换 器的连接方式，无需前置放大器对信号进行放大，模数转换器无需精密参考电 压源，直接使用系统电源对传感器进行激励，温漂、零漂等因素对检测精度影 响微乎其微，同时可以消除较长的传感器芯线电缆的等效电阻，实现自动化测
图l是现有技术中差动电阻式传感器的工作原理图。 图2是现有技术中差动电阻式传感器的等效电路模型原理图。 图3是本实用新型具体实施方式
中差动电阻式传感器检测电路图。
具体实施方式
以下结合附图并通过具体实施方式
来进一步说明本实用新型的技术方案。 本实用新型技术方案的主要思想是模数转换器(AD转换器，ADC)釆用TI 公司高度集成的24位Delta-Sigma模数转换器，此器件由一个低漂移、低噪声 的仪表放大器和一个连接在单片集成数字滤波器上的高阶限幅自稳调制器组 成，具有两路差分输入转换通道，可选的内部或外部差分参考电源，可编程的 1 128倍放大的PGA，特别适合本电路的需求。差动电阻式传感器的5根芯线直接与模数转换器相连，当传感器埋设到某 建筑物内部时，传感器到数据采集器之间可能有数百米电缆，电缆有5根芯线。
这5根芯线由于较长，会有芯线电阻存在，会对传感器内阻的测量引入误差。 差动电阻式传感器和模数转换器共用5V电源。差动电阻式传感器测量回路中串 接低温漂精密电阻参考电阻R,，参考电阻R,的分压值作为模数转换器的参考 电压。差动电阻式传感器内第一被测电阻R1和第二被测电阻R2通过等效电阻为 n的第一芯线和等效电阻为r5的第五芯线串联在差动电阻式传感器测量回路 中。差动电阻式传感器的等效电阻为r5的第五芯线与测量回路接地端串连接地 电阻Re。w，提高模数转换器输入的共模电压值。
图3是本实用新型具体实施方式
中差动电阻式传感器检测电路图。如图3 所示，微控制器采用MSP430系列低功耗单片机，微控制器和模数转换器都是 3.3V供电器件，微控制器输入输出端口 (I/O)可以直接和模数转换器控制与 数据端口连接，通过程序设置模数转换器的增益、采样速率及控制两个差分输 入通道的切换。系统5V电源与模数转换器的模拟电源相连，也作为差动电阻 式传感器的激励电源。差动电阻式传感器测量回路电流I依次经过比例参考电 阻R,，差动电阻式传感器中等效电阻为r,的第一芯线、第一被测电阻R1、第 二被测电阻R2，差动电阻式传感器中等效电阻为r5的第五芯线和接地电阻Rc。m。 比例参考电阻R,的分压作为模数转换器的参'考电压源，与模数转换器的REFP 端和REFN端相连。
模数转化器ADS1232的参考电压VKEF=VREFP-VREFN，数据手册要求V,不能小 于1.5V，故参考电阻R,的阻值不能小于测量回路的其他电阻阻值之和，所以 选取阻值为250欧、温漂系数为5ppm、精度为0. 01%的精密电阻作为参考电阻 RREF。差动电阻式传感器内阻R1的两根引线通过等效电阻为r2的第二芯线和等 效电阻为r3的第三芯线与模数转换器的AINP1和AINN1相连。差动电阻式传 感器内阻R2的两根引线通过等效电阻为r3的第三芯线和等效电阻为r,的第四芯线与模数转换器的AINP2和AINN2相连。差动电阻式传感器等效电阻为r, 的第一芯线到等效电阻为rs的第五芯线随电缆长度而变化，但不会超过20欧 姆，模数转换器的参考电压输入端和差分电压输入端的输入阻抗〉106欧姆，可 以认为是无穷大，所以差动电阻式传感器激励电流不会经过芯线电阻流向模数 转换器，在线缆电阻上不会产生压降，从而使线缆电阻与测量精度无关。接地 电阻R^用来提高模数转换器模拟输入端的共模电压，以降低输入噪声，接地 电阻Row选用120欧姆电阻。
下面描述差动电阻式传感器的测量过程
1、 初始化ADS1232，包括设置片内PGA (GAIN=2)，设置采样速率 (SPEED=80SPS)，进行偏置校验。
2、 使能差分模拟输入通道l，测出差动电阻式传感器第一被测电阻R1的 分压值U1，量化为N1。<formula>formula see original document page 9</formula>3、使能差分模拟输入通道2，测出差动电阻式传感器第二被测电阻R2的 分压值U2，量化为N2。
<formula>formula see original document page 9</formula>
4、求算电阻比<formula>formula see original document page 9</formula> I和V,均可在公式中消去,
I为测量回路电流，流经第一被测电阻Rl和第二被测电阻R2电流均为I。 可见该测量方法与回路电流和参考电压无关，可以直接省去一般模数测量电路需要的精密参考电压源。 5、求算电阻和
223 -1 / 223 -1 /
^ i l + = (iVl + W2) x x丄
^> i l + i 2 = (iVl + iV2) x /X，f, x丄
223 -1 /
-/ i+i 2 = (Aa + iV2) x
223 _1
流经精密参考电阻R,的电流和流经差动电阻式传感器的电流均为I，可 以直接在公式中消去。参考电阻R,阻值已知，且随温度变化极小，可以直接 用来求算差动电阻式传感器电阻和。
该测量电路及其测量方法具有结构简单和精度高的优点，经过电桥率定器 的标定，精度远远优于行业标准。电路不受传感器线缆长度影响，无需对所得 数据进行修正和补偿。电路由单片机控制，可实现智能化自动化测量，可直接 用于便携式差动电阻式传感器读数仪和自动化测量装置。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范 围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实 用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
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权利要求1、一种差动电阻式传感器检测电路，其特征在于，包括差动电阻式传感器、模数转换器、微控制器、参考电阻RREF和接地电阻RCOM，其中，差动电阻式传感器包括第一被测电阻R1和第二被测电阻R2，差动电阻式传感器的第一被测电阻R1的两根引线通过第二芯线和第三芯线与模数传感器的模拟输入通道1正端和模拟输入通道1负端相连，差动电阻式传感器的第二被测电阻R2的两根引线通过第三芯线和第四芯线与模数传感器的模拟输入通道2正端和模拟输入通道2负端相连；参考电阻RREF、第一芯线、第一被测电阻R1、第二被测电阻R2，第五芯线和接地电阻RCOM依次连接，形成差动电阻式传感器测量回路电流I；参考电阻RREF的分压用于作为模数转换器的参考电压源，与模数转换器的正参考电压输入端和负参考电压输入端相连；微控制器的输入输出端口与模数转化器的控制与数据端口连接，用于设置模数转换器的增益、采样速率和控制两个差分输入通道的切换。
2、 根据权利要求1所述的一种差动电阻式传感器检测电路，其特征在于， 微控制器是MSP430系列低功耗单片机。
3、 根据权利要求1所述的一种差动电阻式传感器检测电路，其特征在于， 模数转换器是24位Delta-Sigma模数转换器，包括一个低漂移、低噪声的仪 表放大器和一个连接在单片集成数字滤波器上的高阶限幅自稳调制器，具有两 路差分输入转换通道，可选的内部或外部差分参考电源，可编程的1到128 倍放大的可编程增益放大器。
4、 根据权利要求1所述的一种差动电阻式传感器检测电路，其特征在于， 还包括3. 3伏供电器件，用于提供微控制器与模数转换器使用。
5、 根据权利要求1所述的一种差动电阻式传感器检测电路，其特征在于，还包括5伏供电器件，用于提供差动电阻式传感器与模数转换器使用。
6、 根据权利要求l所述的一种差动电阻式传感器检测电路，其特征在于，参考电阻是阻值为250欧、温漂系数为5ppm、精度为0.01%的精密电阻。
7、 根据权利要求1所述的一种差动电阻式传感器检测电路，其特征在于， RcoM是120欧姆电阻，用于提高模数转换器的模拟输入端的共模电压，以降低 输入噪声。
专利摘要本实用新型公开了一种差动电阻式传感器检测电路，差动电阻式传感器的5根芯线直接与模数转换器相连，差动电阻式传感器和模数转换器共用5V电源，差动电阻式传感器测量回路中串接低温漂精密参考电阻，参考电阻的分压值作为模数转换器的参考电压，差动电阻式传感器内第一被测电阻和第二被测电阻通过第一芯线和第五芯线串联在差动电阻式传感器测量回路中，差动电阻式传感器的第五芯线与测量回路接地端串连接地电阻，提高模数转换器输入的共模电压值。采用了本实用新型的技术方案，能够解决差动电阻式传感器内阻低难于测量和长导线线缆电阻影响明显的问题，而且检测电路结构简单、精度高。
文档编号G01D5/16GK201429424SQ200920109359
公开日2010年3月24日 申请日期2009年6月25日 优先权日2009年6月25日
发明者孙建会, 熊成林, 鹤 王, 王万顺, 田冬成, 葛怀光, 虎 贺, 邓中俊 申请人:中国水利水电科学研究院;北京中水科水电科技开发有限公司