本次與大家分享的是世健和ADI聯(lián)合舉辦的《世健·ADI工業(yè)趴：放飛思路，解封你的超能力》主題活動的二等獎文章：《ADI芯片在工業(yè)自動化張力放大器中的應(yīng)用》。

作者：zhaojun_xf

01

概述

張力放大器可以同時接收兩個張力傳感器的信號，能夠把傳感器上的微小信號通過儀表放大器放大后進(jìn)入ADC，經(jīng)過一系列邏輯運算后，通過DAC轉(zhuǎn)換為0-10V或4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，可與PLC、顯示儀表等直接連接。

放大器操作由兩個按鍵+3個LED組成。通過按鍵操作后可獲取應(yīng)用工況的實際線性曲線和放大倍數(shù)等信息。該放大器并非直接通過硬件電路進(jìn)行信號放大的，實際上是硬件放大加軟件放大相結(jié)合的應(yīng)用。

02

張力傳感器

應(yīng)用在張力檢測的傳感器一般有兩種：一種是應(yīng)變式（惠斯通全橋）；一種是差動式（差動變壓器原理）。這兩種傳感器在市場上的應(yīng)用比較多。它們的基本原理如下：

應(yīng)變式

應(yīng)變式傳感器工作電源電壓5-12V，信號范圍2mV/V，工作原理如下圖，其特性如下：

? 傳感器直接貼在彈簧體上，結(jié)構(gòu)簡單。

?輸出電壓小。

?需要對穩(wěn)定變化進(jìn)行補(bǔ)償。

?不耐濕。

應(yīng)變式傳感器的工作原理

差動式

差動式傳感器工作電源電壓5V，信號范圍200mV，工作原理如下圖，其特性如下：

?傳感器部分非接觸，抵抗撞擊的能力強(qiáng)。

?與應(yīng)變式相比輸出電壓較高，抵抗噪聲能力強(qiáng)。

?幅度小時誤差小。

?需要對穩(wěn)定變化進(jìn)行補(bǔ)償。

差動式傳感器的工作原理

檢測荷重與張力的關(guān)系

張力T與傳感器上的檢測荷重F的關(guān)系如下圖所示。這個是水平狀態(tài)下，我們可以通過安裝角度和輥重獲取它們的關(guān)系。但是在實際應(yīng)用中，由于傳感器的安裝角度和包角等不確定性的存在，我們是無法直接計算獲取的，所以在使用之前必須校準(zhǔn)。

張力T與檢測荷重F的關(guān)系

傳感器的安裝

傳感器在安裝時，需要注意檢測輥與其他兩個輔助輥之間的包角和距離。同時壓座傳感器（SE系列）還需要注意進(jìn)料方向，必須與實際一致。

傳感器的安裝示意圖

03

放大器電路設(shè)計

不管是應(yīng)變式傳感器還是差動式傳感器，其輸出信號都是差分信號。不過這兩種信號的輸出范圍區(qū)別比較到，下面我們就以應(yīng)變式傳感器為例說明如果使用ADI的芯片設(shè)計張力放大器。如果需要使用差動式傳感器，只需要修改傳感器的放大倍數(shù)即可。

結(jié)構(gòu)圖

放大器由5個部分組成：電源部分（Power）、MCU部分（Mcu）、隔離電路（Iso）、傳感器放大及ADC（OPA）和模擬輸出部分（Out）等。這5個部分中，比較關(guān)鍵的是OPA和Out兩個部分，這兩個部分都是使用的ADI的芯片設(shè)計的，下面就只描述這兩個部分。

OPA

這部分的電路是把張力傳感器上的微弱模擬信號放大一定的倍數(shù)后，輸入到ADC中，再通過ADC的SPI接口與MCU相連接。儀表放大器使用軌道軌輸出AD8226，該芯片可以放大1-1000倍，單電源輸入2.2V-36V，使用MSOP封裝，非常方便小巧。

ADC使用8通道,16位，250kSPS的AD7689。

由于我們使用的傳感器是應(yīng)變式傳感器，電源為10V，故輸出信號為10×2mV/V = 20mV。張力傳感器根據(jù)安裝的方向不同，可以是壓力，也可以是拉力，所以，我們需要兼容兩個方向的應(yīng)用。故需要把儀表放大器上的信號電平太高到ADC檢測范圍的1/2位置，即2.5V，這個電平需要用專門的基準(zhǔn)電源芯片實現(xiàn)。故傳感器實際能夠使用的信號范圍為0-2.5V，設(shè)計需要預(yù)留部分空間，故信號范圍選擇在0-2.0V比較好，放大倍數(shù) = 2000mV / 20mV = 100。

ADC獲取傳感器放大后的信號后，通過SPI與MCU進(jìn)行通訊，MCU只需要周期性的讀取ADC的信號即可。這個信號還不能直接放大后通過DAC輸出，因為傳感器的安裝方向不同，安裝角度不同，其實際需要放大倍數(shù)也是不同的。所以，這里使用的方式是通過MCU運算后實現(xiàn)信號放大輸出。

工業(yè)上對模擬信號的范圍是有要求的，一般要么是0-10V，要么是4-20mA。要能夠輸出這兩種信號的集成芯片并不多，要么只有模擬電壓輸出，要么只有模擬電流輸出，ADI的AD5412是一款不錯的芯片，它能夠輸出模擬電壓或模擬電流。

AD5412的應(yīng)用電路非常簡單，它本身內(nèi)置基準(zhǔn)，我們這里把這個基準(zhǔn)引出，應(yīng)用作為ADC的電源，即能保證ADC和DAC基準(zhǔn)一致，又能節(jié)省一個基準(zhǔn)芯片，使得電路更加簡潔。不過需要注意由于AD5412的基準(zhǔn)輸出電流只有5mA，需要通過一個運放來放大驅(qū)動電流，比較常見的可以使用ADI的AD8605，由于電路簡單這里就不貼出來了。

04

放大器的應(yīng)用

完成了傳感器信號的放大和DAC模擬量的輸出，MCU實現(xiàn)的功能就比較簡單了，經(jīng)過兩次標(biāo)定獲取“零點”和“最大”，基本就獲取傳感器在當(dāng)前工況中的線性曲線了。

初始化數(shù)據(jù)

同時按下Zero和Span兩個按鍵2秒以上，直到Zero和Span兩個指示燈同時閃爍，此時松開兩個按鈕，初始化完成。

注意：執(zhí)行初始化后，放大器內(nèi)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)丟失，并恢復(fù)到出廠設(shè)置。

調(diào)零操作

檢測輥上不安裝任何材料，長按（2s以上）按鍵Zero，指示燈Zero常亮，松開按鍵，放大器進(jìn)入調(diào)零狀態(tài)。如果調(diào)零正常，指示燈熄滅；如果異常指示燈閃爍3次。

標(biāo)定操作

在檢測輥上懸掛對應(yīng)的砝碼，在端口EMF與GND之間連接好相應(yīng)的電阻，范圍為[1-10KΩ]，放大器將以此電阻與10KΩ的比值進(jìn)行標(biāo)定。例如：我們外接5KΩ的電阻，那么我們只需要滿量程一半重量的砝碼進(jìn)行標(biāo)定。不接外接電阻時，將以滿量程進(jìn)行標(biāo)定；如果直接短接這兩個端子將以滿量程的50%進(jìn)行標(biāo)定。外接電阻必須步進(jìn)為1KΩ，如果不是整數(shù)值，放大器將四舍五入進(jìn)行計量，所以盡量不要使用n.5KΩ附近的電阻。

長按（2s以上）按鍵Span，指示燈Span常亮，松開按鍵，放大器進(jìn)入跨度標(biāo)定狀態(tài)。如果標(biāo)定正常，指示燈熄滅；如果異常指示燈閃爍3次。

① 如圖在檢測輥中間懸掛對應(yīng)滿量程張力的砝碼；如果使用到了EMF端口，按比例掛砝碼。

② 按住Span并保持2秒，此時跨度指示燈常亮；松手，進(jìn)入跨度標(biāo)定。

免責(zé)聲明：本文僅代表作者個人觀點，與主辦方ADI、Excelpoint世健以及EEworld無關(guān)。