陕西省延安市富县光度计校准第三方仪器检测机构
计量校准领域简介
仪表放大器（IA）是检测应用的主力。本文将探讨一些利用仪表放大器的平衡和*直流/低频共模抑制（CMR）特性的方法，使得仪表放大器配合阻性传感器（例如应变计）使用，传感器与放大器在物理上分离。文中将提出一些提高此类增益级的抗噪性，同时降低其对电源变化和元件漂移的敏感性的方法。文章还会提供实测性能值和结果以展示精度范围，方便*终用户应用进行快速评估。STI计量校准实验室，通过合格评定*认可委员会认可，CNAS证书编号: L11274，配备了美国进口FLUKE高精度数字多功能源、FLUKE八位半高精度数字多用表、高精度测长机、小角度检查仪、高精度指示表仪、二等量块、E1等级砝码、百万分高精密天平、英国进口MICHELL高精密冷镜式露点仪、德国Weiss Technik高精度温湿度箱等国内外高端测量设备及一级、二级有证标准物质，涉及长度、力学、热学、化学、电学、无线电、光学等计量领域，可为食品药品行业、检验检测业、加工业、制造业、服务业、交通建筑业、水利水电等行业可开展各种测量设备的校准、检测、测试、维修等服务。
说到传感器，几乎没有什么能比得过惠斯登电桥（图1）。该电桥可产生差分电压，当物理参数变化时，差分电压会随之发生可预测的变化。差分电压还有抑制温度和时间漂移的附带好处。差分电压位于较大共模 (CM) 电压之上。使用仪表放大器来放大电桥提供的小信号。仪表放大器的优点在于，在电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抑制到传统运算放大器无法实现（因为要求外部电阻高度匹配）的程度。
智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器仪表行业产业链上游为核心零部件及核心技术，主要包括传感器、控制器、减速器、传感技术、智能控制等；中游为智能仪表产品，主要包括智能水表、智能电表、智能温控仪等；下游为应用领域，主要包括机械、汽车、电子、航空、通信等。热学计量：
工作用贵金属热电偶、工作用廉金属热电偶、铠装热电偶、工业铂热电阻、工业铜热电阻、标准玻璃温度计、工作用玻璃液体温度计、电接点玻璃水银温度计、体温计、金属膨胀式温度计、双金属温度计、压力式温度计、数字温度计、机械式（温）湿度计、数字式（温）湿度计、通风干湿表、湿度传感器、热电偶炉、恒温槽、干井炉、干燥箱、湿热试验设备、高低温试验箱、箱式电阻炉、水浴锅、高压灭菌器、盐雾试验箱、老化试验箱、生化培养箱、二氧化硫试验箱、模拟式温度指示调节仪、数字式温度指示调节仪、温度变送器、温度校准仪、温度控制仪、工业过程（测量）记录仪等
物理测量所用的电子设备常常远离被测物理参数。例如，埋在卡车称重站路面下方或桥梁结构内的应变计测量，不太可能位于读取测量结果的电子设备旁边。当使用双线四分桥接应变计（例如Omega公司的SGT-1/350-TY43）时，传感器放在远离检测放大器的地方，如图2所示，产生的结果不令人满意，即便传感器引线使用屏蔽双绞线也无效。
传感器是一种检测元件，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。根据数据显示，2019年我国传感器市场规模为2188.8亿元，2020年我国传感器市场规模为2510.3亿元，同比增长14.69%；预计2021年我国传感器市场规模可达2951.8亿元。
问题在于，屏蔽双绞线不是对长电缆线路上的所有干扰都能抑制。在这种情况下，不能依靠仪器的良好平衡输入来消除CM影响。长电缆拾取的干扰对放大器正负输入的影响是不均衡的，而且输入包含CMR无法消除的不相关信号。因此，如图3所示，由于对CM噪声（看似如此）的响应不平衡，在电路输出端发现明显噪声并不奇怪。
控制器是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。根据数据显示，2020年我国控制器市场规模达23746亿元，较2019年同比增长10.2%；据推测，2021年我国控制器市场规模可达27070亿元。
为了从CM（直流和干扰）中*提取很小的电桥差分电压，一种解决方案是使用两对屏蔽或非屏蔽双绞线 (UTP)。这样，仪表放大器的两个输入实现均衡，受到的 CM 噪声影响相同，如图 4 所示。诸如 LT6370 之类的器件具有*的低频 CMR (120 dB)，能够可靠地抑制困扰 IA 输入的噪声。结果，即使在嘈杂的环境中，远距离输出波形也很干净。交直流电压表（源）、交直流电流表（源）、交直流稳压源、电位差计、耐电压测试仪、钳形电流表、电流互感器、泄露电流测量仪、直流电阻箱、电阻表、质量低电阻表、绝缘电阻表、高阻计、接地电阻表、功率计（表）、功率分析仪、电能表、交流电能表/校准装置、多功能（标准）源、数字式和模拟式万用表、电感综合参数检测仪、电能质量分析仪、火花试验机、安规综合测试仪、频谱分析仪、网络分析仪、函数信号发生器、数字（存储）示波器、模拟示波器、失真度测量仪、阻抗测量仪、LCR测试仪、电容电桥、天馈线分析仪、Q表、交流电阻箱、电子计数器、时间继电器等。
对于图 5 所示的元件值，流过传感器 RSENSOR 的电流约为 1 mA。使用 U 1的 RG1 值，该级以 G = 10 V/V 运行，输出电压为 RSENSOR 上电压的10倍放大副本，约为 3.5 V。U1 的主要任务是消除 UTP 长导线上存在的且仅响应传感器电压的干扰，传感器电压等于传感器电阻乘以流经其中的约1 mA电流。LT6370 *的低失调电压和漂移，以及优异的CMR特性，使其成为显而易见的选择。
惠斯登电桥的另一半由 R5、R6 和 VR1 组成，其电流与电桥的传感器部分几乎相同。U1 输出端的传感器电压和VR1游标处的基准电压均经过低通滤波后达到 U2 的差分输入端，以消除干扰噪声。U2 设置为高增益（G = 1 + 24.2 kΩ/RG2 = 100 V/V），以放大正输入端上的非常小的传感器电压，而负输入端上是固定的低噪声基准电压，自基准电压源 LT6657-5 产生。U1输出代表实测的施加于传感器（其附着于目标元件或材料）的应变，以驱动 ADC 或其他类似的信号处理。
可选 DAC 和 OPA（U4、U5）连接到 U 2的 REF 引脚（如果不需要偏移调整，可以将其接地），可用于提供输出偏移调整和调零。使用 DAC 可以将U2 输出电压移动到适合所选 ADC 的基准或 CM 电平。例如，基准电压为 5V 的 ADC 可以直接从U2驱动，使用 DAC 驱动 U2REF 输入，将其零输出设置为 2.5V。这样，0 V 至 2.5 V ADC 模拟输入代表压缩应变，2.5 V 至 5 V 信号代表拉伸应变。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。
LT6370 的低增益误差（G = 10 V/V时小于0.084%）和低输入失调电压（全温度范围内*值小于50 μV），保证U2获得传感器电压的真实副本，减去UTP拾取的干扰，与 U2 反相输入端产生的基准电压进行比较。LT6657-5 产生稳定、低噪声、低漂移的基准电压，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 1/f 噪声很低，这点意义重大，因为电路的增益很大。
U2 每个输入端的简单RC低通滤波器（R9、C2和R10、C3）的滚降频率设置为约 10 Hz，输出噪声可以通过限制带宽来降低。
如图 6 所示，LT6370 的 1/f 噪声转折频率很低（<10 Hz），1/f 噪声的影响很小，这是一个优势。此外，电流噪声密度图显示，利用输入端噪声的相关分量，保持两个输入阻抗平衡以使电流噪声影响*低要好得多。因此，由于 VR1 的游标具有等效阻抗，R10 的值降至 3.74 kΩ，以与 4.75 kΩ 的 R9阻抗匹配。
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