专利名称：张力传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器领域，特别是涉及一种用于纺织、化纤行业的张力传感器。
背景技术：
基于传统的张力传感器原理，传统的传感器采用金属应变片作为压敏器件，用金属应变片组成电桥，施加激励电压后，电桥将压力通过传力杆的形变转换成电信号，后续信号处理电路对电信号进行整形放大等处理后，按比例输出需要的电压信号或电流信号。由于采用金属应变片作为压敏器件，因此金属应变片需要用黏合剂粘贴于金属基板上，由于选用的黏合剂及粘贴工艺的影响，会产生机械滞后、蠕变及零漂等问题，为了提高产品性能就必须增加后续信号处理电路的复杂程度，从而使张力传感器的整体性和稳定性变差。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种具有简单信号处理电路的张力传感器，使得产品整体的稳定性得到明显地提高。为解决上述技术问题，本实用新型包括基板和线路板，所述的基板上设有应变电桥；所述的线路板上设有信号处理电路和微处理器单元；所述的应变电桥与所述的信号处理线路相连，所述的信号处理电路包括电源电路、非线性补偿电路、滤波电路、差分放大电路和输出电路；所述的电源电路用于提供电源；所述的滤波电路的输入端与所述的应变电桥的输出端相连；所述的差分放大电路的输入端与所述的滤波电路的输出端相连；所述的差分放大电路的输出端分别与所述的输出电路的输入端和非线性补偿电路的输入端相连； 所述的非线性补偿电路与所述的应变电桥的输入端相连。作为本实用新型的一种优选方案，所述的信号处理电路还包括零点补偿电路；所述的零点补偿电路与所述的差分放大电路相连。作为本实用新型的一种优选方案，所述的线路板上还设有温度补偿电路；所述的温度补偿电路包括运算放大器，所述的运算放大器的负极端连接有集成在所述的应变电桥上的温敏电阻，正极端与所述的微处理器单元的输出端相连，输出端与所述的微处理器单元的输入端相连。作为本实用新型的一种优选方案，所述的电源电路包括第一稳压稳压电路和第二稳压电路；所述的第一稳压电路为所述的信号处理电路中的运算放大器提供电源；所述的第二稳压电路为所述的微处理器单元提供电源。作为本实用新型的一种优选方案，所述的输出电路的输出端设有保护电路。作为本实用新型的一种优选方案，所述的保护电路由稳压二极管组成。作为本实用新型的一种优选方案，所述的滤波电路为由三个电阻和三个电容组成的双T电桥滤波电路。作为本实用新型的一种优选方案，所述的基板由陶瓷材料制成。本实用新型的技术效果在于张力传感器的整体性能上有了很大提升，产品稳定性大大提高，由于陶瓷不会像金属一样被氧化，所以可以使用在较恶劣环境而不会影响使用寿命，也不会影响到产品的性能，这样就大大拓宽了产品的使用范围，相对传统压力传感器在同样恶劣的环境中使用而言，产品使用寿命大大加长，性能稳定性大大提高，相应也降低了使用成本、维护成本、减轻了环境污染等问题，也提高了使用该实用新型的企业的收益， 降低了社会成本。
以下结合附图和优选实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是本实用新型张力传感器的电路方框图。图2是本实用新型张力传感器的电路原理图。图3是本实用新型张力传感器中电源电路原理图。图4是本实用新型张力传感器中非线性补偿电路原理图。图5是本实用新型张力传感器中零点补偿电路原理图。图6是本实用新型张力传感器中滤波电路原理图。图7是本实用新型张力传感器中温度补偿电路原理图。图8是本实用新型张力传感器中输出电路原理图。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的张力传感器包括基板和线路板，所述的基板上设有应变电桥；所述的线路板上设有信号处理电路和微处理器单元；所述的应变电桥与所述的信号处理线路相连，所述的信号处理电路包括电源电路、非线性补偿电路、滤波电路、差分放大电路和输出电路；所述的电源电路用于提供电源；所述的滤波电路的输入端与所述的应变电桥的输出端相连；所述的差分放大电路的输入端与所述的滤波电路的输出端相连；所述的差分放大电路的输出端分别与所述的输出电路的输入端和非线性补偿电路的输入端相连；所述的非线性补偿电路与所述的应变电桥的输入端相连。所述的信号处理电路还包括零点补偿电路；所述的零点补偿电路与所述的差分放大电路相连。所述的线路板上还设有温度补偿电路；所述的温度补偿电路包括运算放大器，所述的运算放大器的负极端连接有集成在所述的应变电桥上的温敏电阻，正极端与所述的微处理器单元的输出端相连，输出端与所述的微处理器单元的输入端相连。本实用新型的电路原理图如图2所示。本实用新型由铝合金底座、铝合金上盖、陶瓷导纱轮、陶瓷传递杆、烧结有应变电桥的陶瓷基板、陶瓷垫块、线路板、引线及螺丝等部分组成。其中，陶瓷导纱轮和陶瓷传递杆，都采用改良工艺，经打磨抛光而成，表面几乎无沙眼等缺陷，大大改善了细纱的被磨损的几率。如图3所示，所述的电源电路的输入电压为1919VDC，输入电流大于20mA，包括第一稳压稳压电路和第二稳压电路。所述的第一稳压电路由晶体管Tl、二极管Dl和电阻R2组成，为所述的信号处理电路中的运算放大器提供电源，其输出电压为16. 9^17. 4VDC，其中， 二极管Dl起反极性保护作用。所述的第二稳压电路为固定电压三端集成稳压器78L05A，为所述的微处理器单元提供电源，其输出电压为5V±0.2VDC。从图中可知，开机限流电阻Rl 为47 Ω，那么最大电流Ipp = (29-0. 7)/47 = 0. 6A，小于额定电流1A，正常工作时的压降则为 0. 7V。本实用新型核心在于输出电平与张力成良好的线性关系。测试张力的应变电桥由于受各种原因(工艺，受力点位置，材料等等)影响，其输出与张力不是理想的线性关系，特别是在张力变大时应变电桥的输出会降低，因此需要非线性补偿电路将应变电桥的输出与张力矫正成正比例函数的线性关系。非线性补偿电路的原理如图4所示，从图中可知
ττ {' R34) { R3\ 了^ /' R34) ( R32 ‘) Τ7Λ
TJo = I 1 + ——χ - xLffl+ 1+——χ - χEM
、R33J {R3i + R32j 、RJiJ {F31 + R32J在上式中，激励电压Uo越高，应变电桥在相同的形变下，产生的电压就越高，输出也就越大，由以上公式，给出恒定的电压UA后，Uo就与UB成正比，也就是说UB越大，Uo也就越大，即应变电桥的输出电压越大时，对激励电压Uo的正补偿就越大，这样正好补偿了应变电桥在张力增大的后阶段斜率降低的缺陷，从而达到最终应变电桥的输出与张力成正比的目的。通过上式可知，可以通过调整电阻R34来改变曲线的斜率，通过调整电阻R32或 R31来调整线性补偿的程度，根据不同应变电桥做适当调整，不能过补偿也不能补偿不足。 经过试验得到如下参数R33=82K，R34=75K (可调)，R31=100K, R32=300K。图5所示的是零点补偿电路原理图，从图中可知
{' RZJ) T (RZl RZl R29\ 了7广 RZl R29 ΤΤΓ1 = 1 + ——IxUl-l ——+ ——χ——\xU2-——χ ——χ US V R26) {R26 R26 R30) R26 R30若设置参数时将R26=R29，R27=R30，将上式能简化为如下
R26J κ *可见调整US值，即可调整起始点电压值，而不会影响斜率，这样就可以通过调整零点补偿电路中的电阻R13，R14，R15和R16的值来调整US的值，进而调整起始点电压。 若将起始点电压设为0. IV ( 士0. IV)，经试验得到如下参数R13=200K (可调)，R14=470K， R15=100K, R16=39K。滤波电路如图6所示，该滤波电路是由三个电阻R35，R36，R37和三个电容C19， C20，C21组成的对称双T电桥滤波电路，对称双T电桥滤波电路的特点是R36=R37=R，
R35=R/2n, C20=C21=C, C19=2C/n,这里取n=l，其中心谐振频率是/0 =，按照图中的
R*C
参数可以算出f0=4. 5KHz，如此滤除一些机械振动引起的噪声信号。图7所示的是温度补偿电路，该温度补偿电路包括运算放大器，所述的运算放大器的负极端连接有集成在所述的应变电桥上的温敏电阻。从图中可知，微处理器单元发出一系列不同频率的信号通过电阻R9、R10和电容C9、C10的滤波在运算放大器IC2的正极端产生连续变化的电平，当此电平大于负极端的电平时，输出端就会输出高电平给微处理器单元，微处理器单元经过比较计算得出相应的温度补偿值，通过控制应变电桥的激励电压进行补偿。运算放大器IC2的负极端与集成在应变电桥的热敏电阻RE相连，因此热敏电阻
5RE检测应变电桥温度产生变化时，运算放大器IC2的负极端的电压也会发生变化。图8所示的是输出电路，该输出电路的输出端设有保护电路，该保护电路由稳压二极管D3组成，由于稳压二极管D3起到限制输出电压的作用，从而防止了因电压过高而使外部设备损坏的情况。该输出电路OUTPUT端的输出电压V= (1+R7/R8) *Vin=2. 2Vin, Vin的范围0-1. 14V。由于一般运算放大器的开环输出阻抗都很�。虼舜τ诒栈犯悍蠢∽刺碌氖涑鲎杩乖蚋。梢院雎圆患疲虼吮镜缏分械氖涑鲎杩咕涂杉扑阄�(R5+R6)/ (R7+R8)，R5和R6都远大于R7和R8，故本电路的总输出阻抗为(R5+R6)。本实用新型采用陶瓷(主要成分AL2O3)做基板，将金属压敏材料用850°C以上高温直接烧结在基板上，由于陶瓷材料所特有的优点，对机械滞后性、蠕变等有了极大的改善， 这样也简化了信号处理线路，大大提高了产品整体的稳定性。以上已对本实用新型创造的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
权利要求1.一种张力传感器，包括基板和线路板，所述的基板上设有应变电桥；所述的线路板上设有信号处理电路和微处理器单元；所述的应变电桥与所述的信号处理线路相连，其特征在于，所述的信号处理电路包括电源电路、非线性补偿电路、滤波电路、差分放大电路和输出电路；所述的电源电路用于提供电源；所述的滤波电路的输入端与所述的应变电桥的输出端相连；所述的差分放大电路的输入端与所述的滤波电路的输出端相连；所述的差分放大电路的输出端分别与所述的输出电路的输入端和非线性补偿电路的输入端相连；所述的非线性补偿电路与所述的应变电桥的输入端相连。
2.如权利要求1所述的张力传感器，其特征在于，所述的信号处理电路还包括零点补偿电路；所述的零点补偿电路与所述的差分放大电路相连。
3.如权利要求1所述的张力传感器，其特征在于，所述的线路板上还设有温度补偿电路；所述的温度补偿电路包括运算放大器，所述的运算放大器的负极端连接有集成在所述的应变电桥上的温敏电阻，正极端与所述的微处理器单元的输出端相连，输出端与所述的微处理器单元的输入端相连。
4.如权利要求1所述的张力传感器，其特征在于，所述的电源电路包括第一稳压稳压电路和第二稳压电路；所述的第一稳压电路为所述的信号处理电路中的运算放大器提供电源；所述的第二稳压电路为所述的微处理器单元提供电源。
5.如权利要求1所述的张力传感器，其特征在于，所述的输出电路的输出端设有保护电路。
6.如权利要求5所述的张力传感器，其特征在于，所述的保护电路由稳压二极管组成。
7.如权利要求1所述的张力传感器，其特征在于，所述的滤波电路为由三个电阻和三个电容组成的双T电桥滤波电路。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的张力传感器，其特征在于，所述的基板由陶瓷材料制成。
专利摘要本实用新型公开了一种张力传感器，包括基板和线路板，所述的基板上设有应变电桥；所述的线路板上设有信号处理电路和微处理器单元；所述的应变电桥与所述的信号处理线路相连，所述的信号处理电路包括电源电路、非线性补偿电路、滤波电路、差分放大电路和输出电路；所述的电源电路用于提供电源；所述的滤波电路的输入端与所述的应变电桥的输出端相连；所述的差分放大电路的输入端与所述的滤波电路的输出端相连；所述的差分放大电路的输出端分别与所述的输出电路的输入端和非线性补偿电路的输入端相连；所述的非线性补偿电路与所述的应变电桥的输入端相连。本实用新型的整体性能上有了很大提升，产品稳定性大大提高。
文档编号G01L5/10GK202305085SQ201120449799
公开日2012年7月4日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者姜春华, 甘海苗 申请人:上海兰宝传感科技股份有限公司
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