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(dòng)的二等獎(jiǎng)文章：《ADI芯片在工業(yè)自動(dòng)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(shí)接收兩個(gè)張力傳感器的信號(hào)，能夠把傳感器上的微小信號(hào)通過(guò)儀表放大器放大后進(jìn)入ADC，經(jīng)過(guò)一系列邏輯運(yùn)算后，通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換為0-10V或4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，可與PLC、顯示儀表等直接連接。

放大器操作由兩個(gè)按鍵+3個(gè)LED組成。通過(guò)按鍵操作后可獲取應(yīng)用工況的實(shí)際線性曲線和放大倍數(shù)等信息。該放大器并非直接通過(guò)硬件電路進(jìn)行信號(hào)放大的，實(shí)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(cè)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(dòng)式（差動(dòng)變壓器原理）。這兩種傳感器在市場(chǎng)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(hào)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(jiǎn)單。

?輸出電壓小。

?需要對(duì)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(dòng)式

差動(dòng)式傳感器工作電源電壓5V，信號(hào)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(shí)誤差小。

?需要對(duì)穩(wěn)定變化進(jìn)行補(bǔ)償。

差動(dòng)式傳感器的工作原理

檢測(cè)荷重與張力的關(guān)系

張力T與傳感器上的檢測(cè)荷重F的關(guān)系如下圖所示。這個(gè)是水平狀態(tài)下，我們可以通過(guò)安裝角度和輥重獲取它們的關(guān)系。但是在實(shí)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(wú)法直接計(jì)算獲取的，所以在使用之前必須校準(zhǔn)。

張力T與檢測(cè)荷重F的關(guān)系

傳感器的安裝

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

傳感器的安裝示意圖

03

放大器電路設(shè)計(jì)

不管是應(yīng)變式傳感器還是差動(dòng)式傳感器，其輸出信號(hào)都是差分信號(hào)。不過(guò)這兩種信號(hào)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(shuō)明如果使用ADI的芯片設(shè)計(jì)張力放大器。如果需要使用差動(dòng)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(gè)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(gè)部分中，比較關(guān)鍵的是OPA和Out兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分都是使用的ADI的芯片設(shè)計(jì)的，下面就只描述這兩個(gè)部分。

OPA

這部分的電路是把張力傳感器上的微弱模擬信號(hào)放大一定的倍數(shù)后，輸入到ADC中，再通過(guò)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(hào)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(gè)方向的應(yīng)用。故需要把儀表放大器上的信號(hào)電平太高到ADC檢測(cè)范圍的1/2位置，即2.5V，這個(gè)電平需要用專門的基準(zhǔn)電源芯片實(shí)現(xiàn)。故傳感器實(shí)際能夠使用的信號(hào)范圍為0-2.5V，設(shè)計(jì)需要預(yù)留部分空間，故信號(hào)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(hào)后，通過(guò)SPI與MCU進(jìn)行通訊，MCU只需要周期性的讀取ADC的信號(hào)即可。這個(gè)信號(hào)還不能直接放大后通過(guò)DAC輸出，因?yàn)閭鞲衅鞯陌惭b方向不同，安裝角度不同，其實(shí)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(guò)MCU運(yùn)算后實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大輸出。

工業(yè)上對(duì)模擬信號(hào)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(hào)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(cuò)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(jiǎn)單，它本身內(nèi)置基準(zhǔn)，我們這里把這個(gè)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(gè)基準(zhǔn)芯片，使得電路更加簡(jiǎn)潔。不過(guò)需要注意由于AD5412的基準(zhǔn)輸出電流只有5mA，需要通過(guò)一個(gè)運(yùn)放來(lái)放大驅(qū)動(dòng)電流，比較常見的可以使用ADI的AD8605，由于電路簡(jiǎn)單這里就不貼出來(lái)了。

04

放大器的應(yīng)用

完成了傳感器信號(hào)的放大和DAC模擬量的輸出，MCU實(shí)現(xiàn)的功能就比較簡(jiǎn)單了，經(jīng)過(guò)兩次標(biāo)定獲取“零點(diǎn)”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(shí)按下Zero和Span兩個(gè)按鍵2秒以上，直到Zero和Span兩個(gè)指示燈同時(shí)閃爍，此時(shí)松開兩個(gè)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(cè)輥上不安裝任何材料，長(zhǎng)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(cè)輥上懸掛對(duì)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(shí)，將以滿量程進(jìn)行標(biāo)定；如果直接短接這兩個(gè)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(jì)量，所以盡量不要使用n.5KΩ附近的電阻。

長(zhǎng)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(cè)輥中間懸掛對(duì)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(shí)跨度指示燈常亮；松手，進(jìn)入跨度標(biāo)定。

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