可测上升流的海流传感器系统设计*

2015-03-26张永杰

传感器与微系统 2015年3期

张永杰

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥230009)

0 引言

21 世纪是海洋的世纪，作为一个海洋大国，中国政府高度重视海洋的开发，我国已明确提出建设海洋强国的战略目标［1］。上升流是海洋洋流的一种，当海水表层流场产生水平辐散时，海水表层以下产生沿直上升的海流，形成上升流。上升流把深水区大量的海水营养盐(磷酸盐、硝酸盐等)带到表层，为鱼类提供了丰富的饵料，所以，上升流显著的海区多是著名的渔场［2］。因此，研究上升流对开发海洋资源具有不可估量的价值。

目前国内外的海流观测仪器大都是在水平方向上考察流速，而专门针对上升流的测量仪器很少［3］。基于这种情况，前期，笔者已经设计出了一种可测上升流的三维海流传感器装置，该装置以电阻应变片为敏感元件，应变片电桥输出信号随海流的变化而变化，只需准确测量电桥输出信号，就能够精确地分析海流信息［3］。

上升流的流速非常小，大约只有10-4～10-2cm/s［2］，经海流传感器测量，上升流引起的电桥输出电压变化值在μV 数量级。为了精确采集海流传感器的微弱输出信号，在前期研究的基础上，本文设计了一种高精度的海流传感器信号采集系统。

1 方案对比与选择

对于微弱信号的测量，常用的方法是先对信号进行预处理，再进行A/D 转换［4］。实验的过程中发现，减少A/D转换前的预处理电路可以降低噪声，也就是减少模拟电路，增加数字电路，同时考虑减少元器件数量，减少干扰源。

在研究过程中，基于上述思路先后选择了三种方案。

1.1 采用AD7714

该调理电路的设计思路是仪表放大器和滤波电路构成信号预处理电路，处理后的信号由A/D 转换电路进行A/D转换。通过对实验数据的分析发现，预处理电路引入的噪声是主要的干扰源之一，因此，改进了该设计。

1.2 采用HX711

基于对第一种方案的分析，选择HX711A/D 转换芯片做进一步的实验。HX711 是一款高精度的24 位A/D 转换芯片，集成了差分放大器和24 位∑-Δ 型A/D 转换器。为了进一步降低噪声，同时还将稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路集成到芯片内部，减少外围电路元器件的数量，降低了系统的器件噪声。原理如图1 所示。

图1 HX711 电路原理图Fig 1 Principle diagram of HX711 circuit

实验结果表明:系统的测量值与真实值之间最大偏差为54 μV。考虑差分放大器的放大倍数为32，则系统能够识别的输入信号的精度为±0.85 μV。

1.3 采用AD7195

为进一步提高系统的精度和稳定性，选择采用AD7195型A/D 转换芯片。

与HX711 类似，AD7195 集成了低噪声前置增益级和24 位高精度的∑-Δ 型A/D 转换器。其内置的交流激励模块，可以用来消除惠更斯电桥中的感应直流失调电压。同时AD7195 内置了数字滤波器，能够提供50 Hz/60 Hz 噪声抑制。该器件需要5 V 模拟电源和2.7 ～5.25 V 的数字电源为系统供电，工作电流为6 mA。该芯片提供32 引脚LFCSP 封装，体积小，方便在海流传感器系统中的集成。

AD7195 的交流激励解决了直流激励应用遇到的许多热电偶、失调和漂移效应问题［5］。图2 概要说明了基于AD7195 的交流激励的工作原理。图中R10，R11，R12，R13是由箔式应变片构成的全桥。通过将AD7195 配置寄存器中的ACX 位置1 使能交流激励。AD7195 的激励电压在各相上变化，在相位1 时，通过和ACX2 来导通Q2，Q4晶体管，而此时Q1，Q3 晶体管关闭，电桥正向偏置。同理，在相位2 时，通过和ACX1 来导通Q1，Q3 晶体管，而此时Q2，Q4 晶体管关闭，电桥反向偏置。芯片复位后，交流激励的引脚在几毫秒内处于悬空状态。因此和

图2 全桥电路原理图Fig 2 Principle diagram of full-bridge circuit

利用交流激励，即使用MOSFET 来切换海流传感器的激励电压极性，电桥的激励电压反转，同时基准电压和模拟输入信号也反转，AD7195 取前后两次的转换结果，计算其平均值，从而消除失调和热影响。

PGA(programmable gain amplifier)模块的存在保证了小幅值信号可以直接输入AD7195 芯片，该信号在芯片内部被放大的同时，仍然能够保持出色的噪声性能。通过配置寄存器中的G0 位至G2 位，可以将AD7195 的增益设置为1，8，16，32，64，128。因此，当采用2.5 V 外部基准电压时，单极性电压输入范围为0 ～2.5 V 至0 ～19.53 mV;双极性电压输入范围则为±2.5 ～±19.53 mV。考虑到海流传感器的输出信号，合理利用A/D 转换器的量程，设置AD7195 前置差分放大器的放大倍数为32 倍。

通过灵活地设计和配置AD7195 芯片内部的数字滤波器，可以取得良好的滤波效果。芯片提供4 个滤波器选项，可以采用sinc3或sinc4滤波器工作，可以使能或禁用斩波，也可使能零延迟。通过对滤波器的不同配置，可以得到满足设计需要的输出数据速率，数据建立时间和50 Hz/60 Hz噪声抑制性能。为满足海流传感器的测量要求，采用sinc4滤波器，禁用斩波，使能零延迟，并将寄存器FS［9:0］设置为960，此时数据的输出速率为50Hz，数据的建立时间为80 ms，对50 Hz 的噪声抑制为120 dB。

2 电路设计

采用交流激励和比率测量技术设计了全桥电路，如图2所示。所谓比率测量就是A/D 芯片的参考源电压和激励源电压由同一电源芯片所提供［6］。利用传感器的输出信号与激励电压呈正比这一原理，比率测量技术克服了参考源和激励源电压性能对调理电路精度的影响。

经对比，电源转换芯片选择Analog Devices 公司的ADP3303 芯片。ADP3303 属于ADP330x 系列精密低压差稳压器，采用新颖的架构、改良的工艺和全新封装，ADI 公司的新型专用散热增强型封装可以在处理1 W 以下功耗时，无需外部散热器，印刷电路板上也无需大面积敷铜［7］，这样印制电路板面积可保持最小，可为设计节省空间。

为了将AD7195 模拟部分与数字部分之间的耦合降至最低，在电路设计时使模拟电源和数字电源彼此独立，各有单独的引脚排列。数字滤波器可抑制电源上的宽带噪声，但无法抑制那些频率为调制器采样频率整数倍的噪声［8］。因此，将一个R-C 滤波器与各模拟输入引脚相连，可以在该频率提供抑制。

3 实验与数据处理

为验证该实验电路能够满足μV 级电压信号的测量要求，设计了如图3 所示的实验装置。选用箔式应变片，4 只应变片对称布置在钛合金薄片的两面，并且构成全桥电路。通过数字千分尺对钛合金薄片的边缘施加位移量，进而产生应变，输出差分电压信号。

图3 实验装置Fig 3 Experimental device

可测上升流的海流传感器系统，在保证其对微弱信号检测能力的同时，也需要能够稳定地输出转换结果，为后续处理提供准确的数据。准确度是指测定结果与真实值之间的接近程度，测量的准确度高意味着系统误差小。在实验室条件下，采集一段时间的数据，最后对采集的数据进行整理和分析，评价系统的准确度。表1、表2 和表3 分别为上午8，9，10 时施加200 μm 位移时所测电压值。