一种电流型二线制光照强度变送器的设计

摘要：现阶段对电流型二线制光照强度变送器的研究还相对较少，设计的光照强度变送器普遍存在精度不高，线性度不好，性能不够稳定，不能输出标准4～20 mA电流信号的问题。介绍了一种电流型二线制光照强度变速器的设计，其结构由光照强度转电压电路、电压范围转换电路、电压转电流电路以及稳压电源产生电路组成。实验结果表明该变送器具有精度高、线性度好、功耗低，能够稳定可靠地输出标准4～20mA电流的特点。
关键词：电流型；光照强度；二线制；变送器；高精度

由于电流信号抗干扰能力强，目前工业上广泛采用4～20mA电流信号来传输模拟量，所以现阶段广泛应用的变送器主要以电流型变送器为主。而根据电流型变送器所外接线的多少，一般可以把电流型变送器分为电流型三线制变送器和电流型二线制变送器。电流型三线制变送器一般外接三根线，分别是两根电源线与一根电流输出线；电流型二线制变送器则一般外接两根线，两根均为电源线，电源电流即为所要输出的电流。电流型三线制变送器存在着很明显的缺点，其传输信号必须用3根线，且为了降低信号干扰，通常线缆中还需要加屏蔽线，所以当需要进行长距离传输时，其线缆成本较高，且安装也比较复杂，这在很大程度上限制了其在工业领域的应用。相比之下，电流型二线制变送器只需要用简单的双绞线就可以进行信号传输，且双绞线受干扰较小，不需要额外添加屏蔽线，当进行远距离传输时，电流型二线制变送器相比电流型三线制变送器具有突出的成本优势，所以现阶段对电流型二线制变送器的研究具有重要意义。
目前国内外已经有一些针对温度、湿度等物理量的电流型二线制变送器的研究，而针对光照强度的电流型二线制变送器的研究则相对较少。由于光照强度与温度、湿度等物理量之间的差异性，很多时候不能将针对温度湿度等物理量的电流型二线制变送器电路直接应用于电流型二线制光照强度变送器上。另外，目前已有设计的一些光照强度变送器普遍存在精度不高，线性度不好，性能不够稳定，不能输出标准4～20mA电流信号的问题。为此，这里设计了一种电流型二线制光照强度变送器，其具有精度高、线性度好、功耗低的特点，能够稳定可靠地输出标准4～20 mA电流信号，从而有效地解决了前面介绍的问题。

1 变送器系统组成
如图1所示，电流型二线制光照强度变送器电路，其结构主要包括光照强度转电压电路，电压范围转换电路，电压转电流电路，稳压电源产生电路4部分。

光照强度转电压电路主要实现将硅光电池产生的极其微弱的电流信号转化为后面可处理的0～5 V输出电压；电压范围转换电路则将0～5 V电压信号转换为0．4～2 V电压信号；电压转电流电路实现将0．4～2 V电压转化为4～20 mA电流信号；稳压电源产生电路则实际上利用了产生的4～20 mA电流为前端光照强度转电压电路、电压范围转换电路提供稳定的供电电压，从而能最大限度减小外接电源供电电压变动对变送器性能的影响。
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2 变送器电路设计
2．1 光照强度转电压电路
如图2所示，硅光电池将光照强度转化为一个极其微弱的电流，该电流与光照强度成正比。由运算放大器UC1同相输入端与反相输入端虚断可知，硅光电池产生的电流主要流经反馈电阻R1，这样就在运算放大器UC1输出端形成输出电压，该输出电压信号经过运算放大器UC2后进行隔离放大，所以在运算放大器UC2输出端可以得到一输出电压，该输出电压与光照强度成正比。通过调整电阻R1、R2、R3阻值可以将输出电压调整为标准的0～5V。

公式推导如下：
由运放的虚短虚断可知：

式中：I为硅光电池产生的电流，V1为输出电压。
通过调整R1、R2、R3的阻值，可以得到标准的输出电压为0～5 V。
2．2 电压范围转换电路
如图3所示，上述光照强度转电压电路得到了标准的0～5 V输出电压，该电压通过运算放大器UC3及电阻R4、R5、R6、R7构成的同相比例放大电路后可以变换得到0～1．6 V电压。而经过分压电路，可调电位器W1的滑动端处可以得到一个电压，该电压与前面得到的0～1．6 V电压通过由运算放大器UC4及电阻R9、R10、R11、R12、R13构成的同相加法电路后可以在运算放大器UC4输出端得到0．4～2V的电压。

具体公式推导如下：
由虚短虚断可知：


选择合适的R5、R6、R7阻值，可以使得为0～1．6V。
由同相求和运算电路可知，当R9∥R10∥R11=R12∥R13时，

式中：Vref为可调电位器滑动端得到的分压值。
选择合适的R8、R9、R10、R11、R12、R13阻值以及调节可调电位器，可得Vout2=0．4～2V。[p]
2．3 电压转电流电路
如图4所示，仔细分析可知，运算放大器UD1输出端通过电阻R17、三极管Q1、电阻R18、电阻R19、电阻R15反馈回运算放大器UD1的同相输入端构成了负反馈支路。由运放虚短虚断的特点可以知道，当电阻R14与电阻R15阻值相等时，电阻R19两端压降正好等于电压范围转换电路的输出电压0．4～2 V，所以如果取R19为100Ω，然后R15>>R19，那么最终电路中总电流就约等于流经电阻R19的电流，即4～20mA。

具体公式推导如下：
由虚短虚断可知：

取R15远大于R19，且取R19=100，则I=4～20mA。
2．4 稳压电源产生电路
如图5示，电流源使得稳压电源产生电路的输入电流稳定，从而保证其输出电压稳定，即给前端供电的供电电压稳定。稳压二极管D1将在运算放大器UD2正相输入端产生一个2．5 V的基准电压，然后通过由运算放大器UD2、电阻R20、R21构成的放大电路对该基准电压进行放大，从而在运算放大器UD2输出端得到约12V的电压。

具体公式推导为：
由运放虚短虚断可得，

因为Vdd=2．5 V，所以选择合适的电阻R20、R21阻值，就可以得到所要求的输出电压值VDD。
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3 实验及结果
在上述电流型二线制光照强度变送器电路中，运放UC1、UC2、UC3、UC4选用OPA481，运放UD1、UD2选用MC33172。运放是电路种主要功耗元件，OPA481及MC33172均为高精度低功耗单电源运放，选用它们可以最大限度地提高转换精度，同时满足电路总功耗小于4 mA的要求(因为电路由外接电源供电，输出最小电流为4mA，电路正常工作前提是电路总功耗必须小于4 mA)。另外电流源D3选用LM234，稳压二极管D1选用LM285-2.5，二极管D2选用1N437，三极管Q1可以选用2N3904。一般电阻均选用精度为1％的精密电阻。硅光电池选用南通大华公司生产的SPS3030，该硅光电池转换线性度好，且受温度影响极小，选用它可以提高变送器电路的转换精度。由于电路中采用了稳压电源产生电路为前端运放电路供电，所以能够最大限度地减少外接电源电压波动对变送器电路造成的影响。
按照上述电路做好PCB板，然后使用上述所选取元器件搭接电路，当光照强度从0～200 klux(光照强度单位)变化时，测量变送器输出端电流大小，实验结果如图6所示。

图6中，横轴表示光照强度，单位为klux；纵轴表示输出电流，单位为mA。实验结果显示该电路很好地实现了将0～200 klux光照强度信号到4～20 mA电流信号的线性转换。其转换精度较高(误差约为1％)，线性度好(近似直线)，能稳定可靠将光照强度转换为4～20 mA电流输出，最终实现了预期目标。

4 结束语
文中详细介绍了电流型二线制光照强度变送器的设计，实验表明设计的变送器精度较高、线性度好、功耗低、性能稳定，在工业中具有良好的应用前景。