渦街流量計(jì)傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性技術(shù)在于3個(gè)方面:1、傳感器表體設(shè)計(jì)。當(dāng)流體經(jīng)過(guò)時(shí),產(chǎn)生穩(wěn)定的卡門(mén)渦街信號(hào);2、傳感器探頭的設(shè)計(jì)。將壓電陶瓷封裝在探頭內(nèi),卡門(mén)渦街信號(hào)作用于探頭時(shí),探頭內(nèi)的壓電陶瓷將渦街信號(hào)變成渦街電信號(hào);3、前置放大電路設(shè)計(jì)。將渦街電信號(hào)放大、濾波、整形變成相應(yīng)的脈沖信號(hào)。
渦街傳感器信號(hào)的采集與變換電路即前置放大電路。它的任務(wù)是將檢測(cè)元件(壓電陶瓷傳感器)提供的微弱電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器處理獲得有效的渦街脈沖頻率信號(hào),并將此信號(hào)經(jīng)電路處理成可供顯示儀表顯示的瞬時(shí)流量和累積流量(體積流量或質(zhì)量流量)。本系統(tǒng)使用的渦街傳感器是武漢市公司生產(chǎn)的PZT-5、PLN和PNTB型壓電陶瓷檢測(cè)頭,其結(jié)構(gòu)如圖3一1所示。
前置放大電路由電荷放大器、圖3-1渦街傳感器結(jié)構(gòu)交流放大器、二階有源低通濾波器、限幅器以及施密特整形器組成。設(shè)計(jì)時(shí)要求電路中所選擇的運(yùn)算放大器具有低漂移、寬頻帶、高增益和高輸入阻抗等特性。通過(guò)查閱大量運(yùn)算放大器的選型資料,并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)儀器電路,選出單增益放大器MAX4454、儀表放大器INA2321、低功耗運(yùn)算放大器TLC2254和TLC27L4進(jìn)行性能測(cè)試。依據(jù)不同的運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)了各自的渦街流量計(jì)信號(hào)采集電路試驗(yàn)板,通過(guò)試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn),MAX4454更適合濾波器設(shè)計(jì),用作電荷放大很不理想,而且該芯片價(jià)格昂貴,市場(chǎng)存貨少,采購(gòu)風(fēng)險(xiǎn)較大;mA2321是儀用放大器,具有差分輸入、單端輸出、高輸入阻抗和高共模抑制比的特性,是電荷放大的理想選擇,卻不適用于后級(jí)的濾波和整形電路;TLC2254雖然具有更高的輸入阻抗和軌對(duì)軌輸出功能,但其每個(gè)運(yùn)放35件A的靜態(tài)功耗是電池供電設(shè)備難以承受的。最終我們選擇了TI公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器TLC27L4,它不僅滿足上述要求,而且功耗很低,常溫下工作電流最大僅為15泌;工作電源范圍較寬,電源電壓低至3v仍可繼續(xù)工作;該運(yùn)放為單電源供電,雖然不像雙電源供電的運(yùn)放那樣有較寬的動(dòng)態(tài)范圍,但是可以通過(guò)提高電壓參考點(diǎn)至電源電壓的1/2處,避免波形在負(fù)半周期時(shí)出現(xiàn)飽和失真或截至失真。以下各節(jié)對(duì)前置放大電路各部分予以討論。
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