ADI芯片在工业自动化张力放大器中的应用

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。

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