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