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本次与大家分享的是世健和ADI联合举办的《世健·ADI工业趴:放飞思路,解封你的超能力》主题活动的二等奖文章:《ADI芯片在工业自动化张力放大器中的应用》。
作者: zhaojun_xf
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概述
张力放大器可以同时接收两个张力传感器的信号,能够把传感器上的微小信号通过仪表放大器放大后进入ADC,经过一系列逻辑运算后,通过DAC转换为0-10V或4-20mA的标准信号输出,可与PLC、显示仪表等直接连接。
放大器操作由两个按键+3个LED组成。通过按键操作后可获取应用工况的实际线性曲线和放大倍数等信息。该放大器并非直接通过硬件电路进行信号放大的,实际上是硬件放大加软件放大相结合的应用。
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张力传感器
应用在张力检测的传感器一般有两种:一种是应变式(惠斯通全桥);一种是差动式(差动变压器原理)。这两种传感器在市场上的应用比较多。它们的基本原理如下:
应变式
应变式传感器工作电源电压5-12V,信号范围2mV/V,工作原理如下图,其特性如下:
• 传感器直接贴在弹簧体上,结构简单。
• 输出电压小。
• 需要对稳定变化进行补偿。
• 不耐湿。
应变式传感器的工作原理
差动式
差动式传感器工作电源电压5V,信号范围200mV,工作原理如下图,其特性如下:
• 传感器部分非接触,抵抗撞击的能力强。
• 与应变式相比输出电压较高,抵抗噪声能力强。
• 幅度小时误差小。
• 需要对稳定变化进行补偿。
差动式传感器的工作原理
检测荷重与张力的关系
张力T与传感器上的检测荷重F的关系如下图所示。这个是水平状态下,我们可以通过安装角度和辊重获取它们的关系。但是在实际应用中,由于传感器的安装角度和包角等不确定性的存在,我们是无法直接计算获取的,所以在使用之前必须校准。
张力T与检测荷重F的关系
传感器的安装
传感器在安装时,需要注意检测辊与其他两个辅助辊之间的包角和距离。同时压座传感器(SE系列)还需要注意进料方向,必须与实际一致。
传感器的安装示意图
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放大器电路设计
不管是应变式传感器还是差动式传感器,其输出信号都是差分信号。不过这两种信号的输出范围区别比较到,下面我们就以应变式传感器为例说明如果使用ADI的芯片设计张力放大器。如果需要使用差动式传感器,只需要修改传感器的放大倍数即可。
结构图
放大器由5个部分组成:电源部分(Power)、MCU部分(Mcu)、隔离电路(Iso)、传感器放大及ADC(OPA)和模拟输出部分(Out)等。这5个部分中,比较关键的是OPA和Out两个部分,这两个部分都是使用的ADI的芯片设计的,下面就只描述这两个部分。
OPA
这部分的电路是把张力传感器上的微弱模拟信号放大一定的倍数后,输入到ADC中,再通过ADC的SPI接口与MCU相连接。仪表放大器使用轨道轨输出AD8226,该芯片可以放大1-1000倍,单电源输入2.2V-36V,使用MSOP封装,非常方便小巧。
ADC使用8通道,16位,250kSPS的AD7689。
由于我们使用的传感器是应变式传感器,电源为10V,故输出信号为10×2mV/V = 20mV。张力传感器根据安装的方向不同,可以是压力,也可以是拉力,所以,我们需要兼容两个方向的应用。故需要把仪表放大器上的信号电平太高到ADC检测范围的1/2位置,即2.5V,这个电平需要用专门的基准电源芯片实现。故传感器实际能够使用的信号范围为0-2.5V,设计需要预留部分空间,故信号范围选择在0-2.0V比较好,放大倍数 = 2000mV / 20mV = 100。
ADC获取传感器放大后的信号后,通过SPI与MCU进行通讯,MCU只需要周期性的读取ADC的信号即可。这个信号还不能直接放大后通过DAC输出,因为传感器的安装方向不同,安装角度不同,其实际需要放大倍数也是不同的。所以,这里使用的方式是通过MCU运算后实现信号放大输出。
工业上对模拟信号的范围是有要求的,一般要么是0-10V,要么是4-20mA。要能够输出这两种信号的集成芯片并不多,要么只有模拟电压输出,要么只有模拟电流输出,ADI的AD5412是一款不错的芯片,它能够输出模拟电压或模拟电流。
AD5412的应用电路非常简单,它本身内置基准,我们这里把这个基准引出,应用作为ADC的电源,即能保证ADC和DAC基准一致,又能节省一个基准芯片,使得电路更加简洁。不过需要注意由于AD5412的基准输出电流只有5mA,需要通过一个运放来放大驱动电流,比较常见的可以使用ADI的AD8605,由于电路简单这里就不贴出来了。
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放大器的应用
完成了传感器信号的放大和DAC模拟量的输出,MCU实现的功能就比较简单了,经过两次标定获取“零点”和“最大”,基本就获取传感器在当前工况中的线性曲线了。
初始化数据
同时按下Zero和Span两个按键2秒以上,直到Zero和Span两个指示灯同时闪烁,此时松开两个按钮,初始化完成。
注意:执行初始化后,放大器内校准数据丢失,并恢复到出厂设置。
调零操作
检测辊上不安装任何材料,长按(2s以上)按键Zero,指示灯Zero常亮,松开按键,放大器进入调零状态。如果调零正常,指示灯熄灭;如果异常指示灯闪烁3次。
标定操作
在检测辊上悬挂对应的砝码,在端口EMF与GND之间连接好相应的电阻,范围为[1-10KΩ],放大器将以此电阻与10KΩ的比值进行标定。例如:我们外接5KΩ的电阻,那么我们只需要满量程一半重量的砝码进行标定。不接外接电阻时,将以满量程进行标定;如果直接短接这两个端子将以满量程的50%进行标定。外接电阻必须步进为1KΩ,如果不是整数值,放大器将四舍五入进行计量,所以尽量不要使用n.5KΩ附近的电阻。
长按(2s以上)按键Span,指示灯Span常亮,松开按键,放大器进入跨度标定状态。如果标定正常,指示灯熄灭;如果异常指示灯闪烁3次。
① 如图在检测辊中间悬挂对应满量程张力的砝码;如果使用到了EMF端口,按比例挂砝码。
② 按住Span并保持2秒,此时跨度指示灯常亮;松手,进入跨度标定。
免责声明:本文仅代表作者个人观点,与主办方ADI、Excelpoint世健以及EEworld无关。
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