使用高精度仪表放大器进行遥感

仪表放大器（IA）是传感应用的主力。在本文中，我将探讨一些方法，当传感器与放大器物理分离时，利用这些放大器的平衡和出色的直流/低频共模抑制（CMR）与电阻传感器（例如应变计）一起使用。我将介绍提高此类增益级抗扰度的方法，同时降低它们对电源变化和元件漂移的敏感性。还将展示测量的性能值和结果，以显示精度范围，以便对最终用户应用进行快速评估。

细节

在传感器方面，惠斯通电桥（图1）的功能几乎没有竞争。电桥可以产生差分电压，该差分电压可预测地随着物理参数的变化而变化，其附带好处是提供温度和时间漂移抗扰度。差分电压位于大共模（CM）电压之上。为了放大来自电桥的小信号，使用仪表放大器。IA的优点在于，在桥元件负载很少或没有负载的情况下，它可以检测差分电压并将CM电压抑制到传统运算放大器几乎无法实现的程度，因为需要高度的外部电阻匹配。

图1.惠斯通电桥。

物理测量中涉及的电子设备通常远离被测量的物理参数。例如，应变计测量，例如埋在卡车称重站柏油路面下或桥梁结构内的应变计测量，不太可能位于用于读取测量值的电子设备旁边。例如，当处理双线四分之一桥应变计（如Omega公司的SGT-1/350-TY43）时，将传感器放置在远离传感放大器的位置（如图2所示），即使使用屏蔽双绞线传感器引线，也会产生不令人满意的结果。

图2.远程传感器设置会受到环境噪声拾取的影响。

问题在于，屏蔽双绞线不能免受长电缆传输的所有干扰。在这种情况下，不能依靠仪器仪表的均衡输入来消除CM电压拾取。正负放大器输入受长电缆拾取的干扰的影响不相同，并且输入包含CMR无法消除的不相关信号。因此，如图3所示，在电路输出端发现显著噪声并不奇怪，这是由于对CM噪声的这种不平衡响应。

图3.放大器输出端的 120 Hz 拾音（0.1 V/格，2 ms/格）有麻烦的拾音。

从CM（直流和干扰）成功提取小桥差分电压的一种解决方案是使用两对屏蔽或非屏蔽双绞线（UTP）。这样，两个IA输入得到平衡，并受到相同的CM噪声拾取。如图 4 所示。LT6370等器件具有出色的低频CMR （120 dB），可以可靠地抑制影响两个IA输入的因素。结果是在很远的距离上获得干净的输出波形，即使在嘈杂的环境中也是如此。

图4.使用两根非屏蔽双绞线进行遥感。

拥有LT6370的所有CMR马力，人们可以将这一想法更进一步，通过消除一对接线来简化配置，留下一个UTP。这个概念如图5所示，其中U2的输入保持平衡以获得良好的CMR。请注意，UTP 引线看起来与 U2 相同，并且接地阻抗相同（R2、R4）。

图5.用于遥感的单个 UTP。

对于图5所示的元件值，将有大约1 mA电流流过传感器R。传感器.使用U1的RG1值，该级在G = 10 V/V下运行，并提供R两端电压的10×副本传感器U1的主要任务是消除UTP长导线上存在的干扰，仅响应传感器电压，即传感器电阻乘以流过它的~1 mA电流。LT6370 出色的低失调电压和漂移以及出色的 CMR 使其成为不二之选。

惠斯通电桥的另一半由R5、R6和VR1组成，电流与电桥的传感器部分几乎相同。经过一些低通滤波后，U1输出端的传感器电压和VR1游标上的基准电压都会达到U2的差分输入端，以消除不需要的噪声。U2设置为高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大其正输入端的极小传感器电压与其负输入端的固定低噪声基准电压（源自LT6657-5基准电压源）的比较。U1输出准确表示施加到传感器上的测量应变，连接到感兴趣的元件或材料上，以驱动ADC或其他类似的信号处理。

连接到U2的REF引脚（如果不需要失调调整，则可以接地）的可选DAC和OPA（U4，U5）可用于提供输出失调调整和归零。通过使用DAC，可以将U2输出电压转换为适合所选ADC的所需基座或CM电平。例如，基准电压为5 V的ADC可以直接由U2驱动，其零输出设置为2.5 V，使用DAC驱动U2 REF输入。这样，0 V至2.5 V ADC模拟输入表示压缩，2.5 V至5 V信号表示张力应变。需要注意的是，驱动U2 REF引脚的器件（本例中为AD820）应保持低阻抗，以消除任何可能的增益误差。

以下是输出电压与传感器电阻以及输出电压与被测应变（ε）之间关系的函数表达式：

其中 ΔR传感器是应变引起的传感器电阻变化

 

 

 

哪里：

L 指传感器长度

ε是指被测应变的量

对于所选的传感器：

R传感器= 350 Ω

GF= 2

导致应变 （ε）：

LT6370具有极低的增益误差（G = 10 V/V时为<0.084%）和低输入失调电压（在整个温度范围内指定最大值为<50 μV），保证U2具有传感器电压的真实复制品，减去UTP拾取的干扰，以便与U2反相输入端产生的基准电压进行比较。LT6657-5 可创建一个稳定的、低噪声和低漂移的基准电压源，从而使整个电路不受电源电压变化的影响。特别重要的是LT6657-5的低1/f噪声，由于电路中的大增益，这可能会产生重大贡献。

将简单的RC低通滤波器（R9、C2和R10、C3）设置为U2每个输入端的滚降频率约为10 Hz，可以通过限制带宽来降低输出噪声。如图6所示，低（<10 Hz）LT6370 1/f噪声转折频率降低了1/f噪声的影响，从而提供了优势。此外，电流噪声密度图显示，通过利用输入端的相关噪声分量，保持两个输入阻抗平衡以实现最低的电流噪声影响要好得多。因此，R10的值减小到3.74 kΩ，以匹配4.75 kΩ的R9阻抗，因为VR1游标具有等效阻抗。

图6.LT6370 输入折合到电流 / 电压噪声密度。

总结

将桥式传感器放置在距离信号处理放大器一定距离的地方需要一个仪表放大器，该仪表放大器可以干净地提取测量的差分电压。LT6370 仪表放大器的属性使其能够通过长电缆成功处理来自远距离传感器的信号。LT6370 的制造工艺在生产测试期间调用片上加热器以保证过热漂移值，进一步增强了 LT6370 对远程监控应用的适用性，并延长了难以维修的安装中的使用寿命和产品寿命。

审核编辑：郭婷