用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路的制作方法

本实用新型属于流体力学领域，具体涉及一种用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路。

背景技术：

在流体壁面剪应力测试仪中，恒流驱动电路的作用是输出一个稳定、高精度的恒定电流用于驱动热膜传感器，恒流驱动电路的关键技术在于高精度稳压和恒压到恒流转换。

现有恒流源模块由于稳压电路的精度，温漂等问题，不能达到热膜传感器需要的驱动电流精度。因此，有必要提供一种新的恒流驱动电路。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路。本实用新型要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本申请提供了一种用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路，其特征在于，包括：一次稳压电路、二次稳压电路和电压转电流电路，一次稳压电路、二次稳压电路、电压转电流电路依次连接。

在一个优选例中，一次稳压电路包括三端稳压芯片，二次稳压电路包括基准电压源，电压转电流电路运算放大器A3；

三端稳压芯片的引脚3经电阻R7接地，引脚2经电阻R6连接引脚3，引脚2经并联的电容C1和电容C2接地；以及

基准电压源的引脚1经电容C4和电阻R17连接引脚6，引脚2经二极管D1接地，引脚3经R3连接引脚8，引脚3经R4连接引脚6，引脚4经电阻R1连接引脚7，引脚4连接运算放大器A2的管脚2，引脚5连接运算放大器A2的管脚3，引脚5经电阻R2、二极管D2连接运算放大器A2的管脚6，引脚5经电容C3、电阻R5连接引脚6，引脚6经电阻R18连接运算放大器A1的管脚2，引脚7经电容C5连接运算放大器A1的管脚3，引脚7经电阻R8接地，引脚8连接运算放大器A1的管脚3；以及

晶体管B1，其基极经电阻R19连接运算放大器A1的管脚6，集电极连接电阻R2与二极管D2之间的节点，集电极还连接基准电压源的引脚3，发射极连接基准电压源的引脚1和引脚4；以及

运算放大器A3的管脚2依次经电阻R10、电阻R9连接基准电压源的引脚3，管脚2依次经电阻R11、电阻R12连接基准电压源的引脚7，管脚3经并联的电阻R13、R14、R15、R16连接基准电压源的引脚3，管脚3连接晶体管M1的漏极，管脚6连接晶体管M1的栅极；以及晶体管的源极M1经电阻R20接地。

在一个优选例中，三端稳压芯片的型号为LM317。

在一个优选例中，基准电压源的型号为LTZ1000。

在一个优选例中，运算放大器A1和运算放大器A2的型号为LT1012。

在一个优选例中，运算放大器A3的型号为LT1001。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本申请提供了一种用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路，该电路用于恒压到恒流的转换，并提供高精度、低温漂的电流，以满足热膜传感器需要的电流精度。

进一步地，在环境温度变化时，该恒流驱动电路可以保持高精度，低温漂的特性，使热膜传感器在不同环境下都可以正常工作。

可以理解，在本实用新型范围内中，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施方式和例子)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本实用新型实施方式中一种用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路的结构图；

图2为本实用新型实施方式中一种用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路的电路图；

图3为本实用新型实施方式中一种流体壁面剪应力测试仪热膜调理采集模块的结构图。

具体实施方式

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本实用新型做进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

本申请的实施方式涉及一种用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路，如图1所示，该电路包括一次稳压电路、二次稳压电路和电压转电流电路，其中一次稳压电路、二次稳压电路、电压转电流电路依次连接。

具体地，一次稳压电路包括三端稳压芯片及周边电阻，二次稳压电路包括基准电压源、外围电阻、高精密双运算放大器及三极管，电压转电流电路包括运算放大器、增强型N沟道MOS管和采样电阻列，基准电压源的V3～V7间电桥实现采样电阻压差微调。

具体地，所述用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路如图2所示，该电路包括：

三端稳压芯片，其引脚3经电阻R7接地，引脚2经电阻R6连接引脚3，引脚2经并联的电容C1和C2接地；以及

基准电压源，其引脚1经电容C4和电阻R17连接引脚6，引脚2经二极管D1接地，引脚3经R3连接引脚8，引脚3经R4连接引脚6，引脚4经R1连接引脚7，引脚4连接运算放大器A2的管脚2，引脚5连接运算放大器A2的管脚3，引脚5经电阻R2、二极管D2连接运算放大器A2的管脚6，引脚5经电容C3、电阻R5连接引脚6，引脚6经电阻R18连接运算放大器A1的管脚2，引脚7经电容C5连接运算放大器A1的管脚3，引脚7经电阻R8接地，引脚8连接运算放大器A1的管脚3；以及

晶体管B1，其基极经电阻R19连接运算放大器A1的管脚6，集电极连接电阻R2与二极管D2之间的节点，集电极还连接所述基准电压源的引脚3，发射极连接所述基准电压源的引脚1和引脚4；以及

运算放大器A3，其管脚2依次经电阻R10、电阻R9连接基准电压源的引脚3，管脚2依次经电阻R11、电阻R12连接基准电压源的引脚7，管脚3经并联的电阻R13、R14、R15、R16连接基准电压源的引脚3，管脚3连接晶体管M1的漏极，管脚6连接晶体管M1的栅极；以及晶体管的源极M1经电阻R20接地。

优选地，电阻R1为120Ω，电阻R2为70KΩ，电阻R3为70KΩ，电阻R4为13KΩ，电阻R5为1KΩ，电阻R6为390Ω，电阻R7为4.3KΩ，电阻R8为4.3KΩ，电阻R9为20KΩ，电阻R10为1KΩ，电阻R11为1KΩ，电阻R12为20KΩ，电阻R13、R14、R15、R16均为270Ω，电阻R18为10KΩ，电阻R19为1KΩ；电容C1为0.1uF，电容C2为10uF(电容C2的正极连接三端稳压芯片的引脚2，负极接地)，电容C3为0.002uF，电容C4为0.1uF，电容C5为0.1uF；

优选地，二极管D1的正极连接基准稳压源的引脚2，负极接地；二极管D2的正极连接运算放大器的管脚6，负极连接电阻R2；晶体管B1为双极性晶体管；晶体管M1为增强型N沟道MOS管，型号为IRF540。

优选地，三端稳压芯片的型号为LM317，基准电压源的型号为LTZ1000，运算放大器A1和A2的型号为LT1012，运算放大器A3的型号为LT1001。

具体地，所述用于流体壁面剪应力测试仪的恒流驱动电路的工作原理为：三端稳压芯片将开关电源输出电压VCC(>+15V)降压至+12V后加载于基准电压源的管脚3，为其提供驱动电压。基准电压源内部齐纳管加热后，经A1、A2双运算放大器、电阻电容、三极管等外围元件作用，在正参考电压端(引脚3)和参考电压负输出端(引脚7)之间输出基准电压。

由于电阻R8两端压降为基准电压源的引脚7对电源地的电压差，因此电阻R9、R10、R11、R12组成的分压电桥两端电压对地浮动，也就是说当三端稳压芯片输出电压发生波动时，基准电压源输出端压差不变，即V3-V7恒定。

电路上电后，利用运算放大器A3的开环增益作用，使晶体管M1导通(栅源漏电流为10nA可忽略)，根据运算放大器虚短原理，运算放大器A3同相输入端和反相输入端压差接近零，所以采样电阻列R13、R14、R15、R16压降等于分压电桥上半桥电阻R9、R10的压降，最终流过电阻R20的输出电流I为：

在一个实施例中，一种流体壁面剪应力测试仪热膜调理采集模块如图3所示，该模块包括：恒流驱动电路，信号放大电路，滤波电路，FPGA电路，以及处理器的电源电路。

其中，信号放大电路处于工作状态下的柔性热膜传感器受到壁面剪应力作用时会引起阻值的变化，因而通过传感器阻值得到壁面剪应力量值，常用的电阻测量法有两线法、三线法、四线法。四线法将电流回路与电压回路分开，电流回路采用恒流驱动方式，电压回路连接传感器两端焊点，直接测量传感器两端电压。

在四线法的测量中，后端运放芯片的输入阻抗足够大时，可认为电压回路基本没有电流流过，即通过传感器的电流与恒流源输出电流相等，电压回路的导线不产生压降，因此四线法很好规避了导线电阻、焊点接触电阻等问题的影响，测量精度高于两线法、三线法。

阵列化柔性热膜传感器采用串联方式工作，因此在四线法测量中，传感器两端输出电压均为浮地信号并采用差分输入方式，且存在较大的共模噪声，常用的单运放单端转差分电路难以满足要求，因此设计基于精密仪表运放的差分放大电路。

滤波电路，由于传感器输出信号较小，有用信息频率主要分布在1kHz以内，为避免测量过程中电阻热噪声、电路布线噪声和周围电磁干扰等噪声高频噪声对有效信号的影响，需要对经放大的传感器输出电压进行滤波。

滤波电路分为无源、有源滤波电路两大类。其中无源滤波电路结构简单，便于设计，但其通带增益及截止频率会随负载变化而变化，适用于信号处理要求不高的场合。有缘滤波电路一般由RC网络和运算放大器组成，其负载不影响电路的滤波特性，适用于对信号处理要求较高的场合，电路组成和设计比较复杂，需要直流电源供电情况下使用。

针对壁面剪应力测量系统的精密性要求，采用有源滤波方式进行滤波。

FPGA电路，由于柔性热传感器的有效信号较微弱，容易被噪声干扰，为实现流体壁面剪应力测量系统的实时数据采集、信号处理与显示，针对前端精密模拟电路输出信号，研发基于TMS320F281处理器搭载AD7609模数转换器的高速、高精度、多通道的数据采集电路。

所述热膜调理采集模块通过微处理器对边界层内的柔性热膜传感器信号进行采集、降噪、信号接收与传输等处理，要求速度快、实时性高，单片机等传统处理器无法满足上述要求，因此本数据采集电路系统选择DSP为核心器件，实现对A/D转化器的控制、数据采集、数据上位机传输等功能。系统选用美国TI公司的TMS320F2812型32位定点高速DSP处理器。

处理器的电源电路，电源设计是数据采集系统设计的重要组成部分，TMS320F2812的内核供电要求为+1.8V，I/O接口电压为+3.3V，上电顺序为内核先上电，I/O接口后上电，由于DSP内部部件的频繁开关转换会增大系统功耗，所以必须设计稳定、可靠的电源电路。AD7609的电源电压为5V，因此电源部分要同时设计1.8V、3.3V、5V电源接口。

所述热膜调理采集模块中选择美国国家半导体公司生产的双极型线性稳压芯片LM7805作为5V电源芯片，选择TI的双路低压差稳压器件TPS767D318[42]作为TMS320F2812的电源芯片。

需要说明的是，在本申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。