醫(yī)用眼科前房高精度侵入式壓力傳感器

醫(yī)用眼科前房高精度侵入式壓力傳感器.硬件方案

忙到飛起？（可能是我磨蹭吧）

之前寫過這個東西，后面又斷斷續(xù)續(xù)的寫了其他的一些東西，這篇文章是盡量的給出一個詳細的電路設(shè)計。但是后面又看到不少好玩的東西我就都寫進去了，所以文章和以往一樣沒有那么純粹，而且一些具體的參數(shù)性調(diào)節(jié)的計算可能不會寫很多，不過之后都會補上的。

一個電子設(shè)計其實大多數(shù)的時候都是圍繞著一個關(guān)鍵的器件展開工作的，這次的設(shè)計就是以一個壓力的傳感器展開。

最簡單的電橋包括由4條支路(又稱橋臂)形成的閉封回路(即橋體)和輔助設(shè)備(見圖。后者主要有電源和檢測儀表各支路由電參數(shù)元件組成，它們的4個連接點A、B、C、D稱作頂點。電源接在兩個相對頂點間，檢測儀表接在另兩個相對頂點間。橋式測量電路于1833年首先由S,H.克里斯蒂發(fā)明。當(dāng)時電橋一詞系指連接兩個相對頂點的支路，特別是圖中的檢測儀表支路，如同在相對頂點間架設(shè)的一座小橋。后來，電橋這一名詞被用來泛指整個線路。復(fù)雜的電橋還包括更多數(shù)量的橋臂。

電橋有兩種工作方式。

平衡方式。檢測儀表支路兩端的電位差為零，且該支路中的電流為零，因而檢測儀表又稱指零儀表。如以被測元件為一個橋臂，而其他各臂由標(biāo)準(zhǔn)元件組成，則當(dāng)電路平衡時，可讀出或計算出被測參數(shù)的量值。工作在平衡方式的電橋，特點之一是測量結(jié)果不受電源電壓高低和變化的影響。這種工作方式多用于對測量準(zhǔn)確度要求較高的情況。

不平方式。檢測儀表支路兩端的電位差不為零，該支路中有電流通過。檢測儀表的指示數(shù)是被測參數(shù)變化的函數(shù)。這種工作方式多用于非電量的電測量和生產(chǎn)過程的檢測中。電橋主要用于測量電路元件(如直流電阻、交流電感、電容、電阻等)的量值、變化量，也用于測量轉(zhuǎn)換為電參數(shù)的非電量

我們使用的這個歐姆龍是第一種模式

在使用以前需要知道引腳怎么連接

正好嘉立創(chuàng)有這樣的封裝

搬我文章以前的圖了，大概測量的圖就是這樣，要連接4個口

因為電橋的話是差分的電壓輸出，而且必須要加一個恒壓提供激烈，不然傳感器本體是出不來什么信號的，即使它再小，也沒有。

我個人是用AD620多，這里也放一個測量用的電路

是一個3Kg的壓力電橋，后面的AD705是一個緩沖器，就是給REF的。這個AD705是沒有見過的。

停產(chǎn)了呀

看這個輸入的偏置電流就知道是個FET器件的運放

然后需要一個恒流源的電流，這些是具體的計算

恒流

增益

注意，要加一個恒流源的電路，需要使用一個運放

運放反相和正相輸入端電壓總是相等 運放反相和正相輸入端沒有電流輸入

只需要在正相輸入端提供穩(wěn)定參考電壓，反相連接限流電阻和負載，就可以實現(xiàn)簡易的恒流源。恒流源的電流大小只和限流電阻阻值有關(guān)系，與負載阻值沒關(guān)系。調(diào)節(jié)負載阻值不會改變電流大小，但是會改變運放輸出端的電壓。

知乎老哥的一個文章不錯

參考電壓3V，限流電阻10KΩ，意味著恒流源電流為0.3mA（300uA）。負載阻值從100Ω到9.9kΩ可調(diào)。

特別的，在100Ω情況下，運放輸出端電壓為3V（3.02V）。

還有一個搭配三極管的電路也很好~

電阻R2起到對運放的保護作用，這個值不能太大，一般取值10R左右。（一點小經(jīng)驗吧，我們設(shè)計的產(chǎn)品中一般都有加）； 電阻R3為三極管提供一個基極電流； 電阻R4位采樣電阻，RL為負載電阻； 電阻R5起緩沖限流的作用，一般選取1K~100K之間（也有些電路沒加這個電阻）。 原理是：實際原理是當(dāng)采樣電阻R4的電壓變化時，直接反饋到運放的反相輸入端，它與同相輸入端電壓的差值被運放放大，輸出控制三極管的基極電流，改變?nèi)龢O管的內(nèi)阻，從而改變發(fā)射極與集電極間的電壓降，從而使采樣電阻的電壓保持不變，以達到負載電流恒定的目的。 電路的缺點： 雖然，三極管發(fā)射極電流與集電極電流近似相等，但實際上，發(fā)射極的電流還包含了基極電流。

可以看出，運放輸出級使用三極管時，輸出電流會產(chǎn)生基極電流分量這一誤差。如果此時還不滿足電路精度要求，可將三極管改成MOS管。 MOS管屬于壓控器件，柵極需要的電流很小。IRL和IR4可以非常的接近，相比三極管而言，電流的精度提升了。

升級；一點點

這個也是一個，穩(wěn)定的電壓通過一個R1轉(zhuǎn)換成電流

在這樣推薦的電路圖中，儀表放大器如德州儀器LMV324具有四個運算放大器，可用于增益調(diào)節(jié)。R3應(yīng)采用具有良好溫度特性的金屬膜電阻器。

此外，還需要根據(jù)要使用的增益調(diào)整連接在R10上的Ref 電壓值。

例如：

如果增益= 21，則Ref= 1.0 [V]，

如果增益=201，則需要Ref= 1.5 [V]。

本來是想好好的寫到尾的，但是沒有辦法，文檔里面的知識太多了。

20年前的文檔，后面是有仿真的結(jié)果的，也說明了這里到底是什么設(shè)計

現(xiàn)在的，方案還是一樣

INA系列具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓漂移的特點。大多數(shù)應(yīng)用不需要外部偏移調(diào)整。顯示了用于調(diào)整輸出失調(diào)電壓的可選電路。

施加到 Ref 引腳的電壓被添加到輸出信號中。運算放大器緩沖器在 Ref 引腳處提供低阻抗，以保持良好的共模抑制。

這就是提供一個泄露使用的通道

輸入阻抗極高，約為 10^9 Ω。然而，必須為兩個輸入的輸入偏置電流提供一條路徑。該輸入偏置電流通常為 –10 nA（電流從輸入引腳流出）。高輸入阻抗意味著該輸入偏置電流隨著輸入電壓的變化而變化很小。 輸入電路必須為該輸入偏置電流提供一條路徑才能正常運行。如果沒有偏置電流路徑，輸入會浮動到超過共模范圍的電位，并且輸入放大器將飽和。如果差分源電阻較低，則可以將偏置電流返回路徑連接到一個輸入。 我是想著就用歐姆龍的傳感器，然后也是使用Ti 的 INA 儀表放大器，然后是LMC6482，里面一個運放做恒流源，一個做同向放大器（或是是REF的偏移器，需要我調(diào)試），系統(tǒng)也是喜歡一個穩(wěn)健的電源以及一個MCU和一個顯示器和交互的按鍵啥的？還需要一個上位機。 還是把以前的圖拿來，繼續(xù)的分析

原理圖是這樣繪制

先簡單的來把電橋雞兒運放塞一起

使用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)簽讓它看起來好看一些，注意電橋上面的電源是下面運放給的

然后核心器件是電橋，所以這里就按照參考設(shè)計搭建，但是這個恒流源也不難。

現(xiàn)在的問題是還有一個運放，是做REF還是同相放大器呢？

可以先看一個換算

大概就是這樣

按照這個來看，就是0~10mV之間的

模擬信號從壓力傳感器傳遞過來的轉(zhuǎn)換為通過Arduino Due板的采集速率為50毫秒（20Hz).

采樣次數(shù) = 采樣頻率 × 時間（秒） 在這種情況下，采樣頻率為20Hz，時間為50毫秒，將時間轉(zhuǎn)換為秒： 時間 = 50毫秒 = 0.05秒 現(xiàn)在，使用公式計算采樣次數(shù)： 采樣次數(shù) = 20Hz × 0.05秒 = 1次采樣

這個是原版論文里面的采樣率也就是20Hz。

內(nèi)部電路確保外部壓力測量范圍不會產(chǎn)生大的電壓足以損壞Arduino。這是實現(xiàn)通過內(nèi)置在壓力傳感器中的惠斯通電橋。然后電壓以精確的增益放大。使用儀表放大器，設(shè)置靈敏度的的壓力測量。

再看看，前面是INA，走線等長差分，下面是運放搞得恒流源。不對，兩個順序換一下，第二個是INA，因為很明顯有增益電阻，然后接著是一個LDO，給運放接電，倆電容實在是搶眼?？粗侵苯铀麐尩慕恿藗€電阻在輸出口上，應(yīng)該是還有一個二極管，小信號的，但是跨在芯片之間。

然后限制輸出使用兩個限制器電路；一個為上界，另一個為其他為期望壓力下界范圍內(nèi)。

上界和下界由由于Arduino的內(nèi)部ADC，但靈敏度測量值的大小可以通過調(diào)整儀表放大器的反饋電阻。這內(nèi)部Arduino的ADC將模擬信號數(shù)字化信號在用戶定義的采樣率。

那就按照是3.6V吧

放大倍數(shù) = 輸出電壓范圍 / 輸入電壓范圍 在這種情況下，輸出電壓范圍是3.6V，輸入電壓范圍是5mV。 放大倍數(shù) = 3.6V / 5mV = 720

需要一個精密的電阻+一個電位器

大概輸出的擺幅在-2.5~2.5之間是最好的

看著參考設(shè)計最后是給了一個1V DC的參考，這里就最后一個運放就這樣用。

OK，大概就是這樣，需要緩沖的地方設(shè)置成1V

大概就先這樣，還有很多的細節(jié)我沒有繪制上，不過最重要的還是布線

這張圖我是覺得有學(xué)習(xí)的地方，其一級是精密的運放，那么為了整體的性能，下一級就是放一個低噪音的運放了。

劉總出來挨打

我看的設(shè)計書里面這個也有大量的論述（就幾頁而已）

在找芯片的時候，看見了國產(chǎn)的潤石，基本上是常見的領(lǐng)域都有替代了。

我朋友圈吐槽的時候被抓到了，怪不得感覺潤石的文檔一股子TI味

是我的菜

感覺參數(shù)還是很好看的，F(xiàn)ET的應(yīng)該是

是經(jīng)典的三運放結(jié)構(gòu)

封裝沒有SOIC

這些就不說了，一股子的TI味道（好喜歡）

這個芯片值得好好研究

我仿真了一下，原來是這個電路可以提供一個非常小的電壓

pV

還是非常小的pV級別的

上面的電壓和這個Vos會加在一起，要校準(zhǔn)芯片的直流性能

RS8541是一款低功耗、零漂移、軌對軌輸入輸出的精密運算放大器，它的工作電壓范圍在2v到5.5v，失調(diào)電壓為±7uV，失調(diào)電壓溫漂為±0.08uV/℃的，它具有低至40uA的靜態(tài)電流，這些特性保證了它的高精度和低功耗。電源抑制比為110db，共模抑制比為120dB，提高了抗電源噪聲和共模干擾的能力，130dB的高開環(huán)增益也保證了運放的高精度。Rs8541的這些特性也使其廣泛應(yīng)用于各種傳感、儀表、醫(yī)療器械以及精密計量設(shè)備等。

也就是看右上角的這個框圖，也就是低阻+運放構(gòu)成的一個直流校準(zhǔn)系統(tǒng)（我瞎說的）

下面是我看的一個拆機的視頻，感覺有很多要需要的地方。

首先就是一些芯片可以提起繪制好，為了升級，以及使用GH的小接口

充電和復(fù)位安裝在一起，看起來也是比較合理的

然后在做展示的時候使用這樣的動畫效果

這個是接口的細節(jié)，DJI的硬件也是喜歡這樣的搞

記得留下很多的測試點，在測試點上面寫好絲印

這個是一個驗?zāi)虻臋C器，LCD的屏幕很小巧

PCB是繪制的真漂亮啊

然后就是欣賞PCB

這個是一個我沒有見過的傳感器

測試時，首先尿液順著結(jié)構(gòu)浸潤試紙的膜塊上，膜塊會跟你尿液中的物質(zhì)發(fā)生顏色變化，顏色深淺與尿液中的相應(yīng)物質(zhì)的濃度成正比，然后膜塊受到 LED 光源照射會產(chǎn)生不同的反射光，不同的反射光也就是對應(yīng)尿液中不同的生化成分的含量（到這里你其實已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，這部分檢測原理本質(zhì)上就是對光的吸收和反射，也就是光電比射原理），然后彩色傳感器接受反射光轉(zhuǎn)化為電信號 --->再通過 MCU 計算處理輸出到屏幕上。同時，如果你手機綁定了 HiPee，結(jié)果也會通過 WiFi 同時推送到你手機上。

這個是上面的方案圖

還有爆炸的裝配圖

我一直以為是彩色的屏幕最好，沒想到普通的屏幕用到恰到好處也很美

審核編輯：湯梓紅