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性調節(jié)的計算可能不會寫很多，不過之后都會補上的。

一個電子設計其實大多數的時候都是圍繞著一個關鍵的器件展開工作的，這次的設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)和輔助設備(見圖。后者主要有電源和檢測儀表各支路由電參數元件組成，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的一座小橋。后來，電橋這一名詞被用來泛指整個線路。復雜的電橋還包括更多數量的橋臂。

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，而其他各臂由標準元件組成，則當電路平衡時，可讀出或計算出被測參數的量值。工作在平衡方式的電橋，特點之一是測量結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。檢測儀表的指示數是被測參數變化的函數。這種工作方式多用于非電量的電測量和生產過程的檢測中。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，也用于測量轉換為電參數的非電量

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，就可以實現簡易的恒流源。恒流源的電流大小只和限流電阻阻值有關系，與負載阻值沒關系。調節(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。

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。（一點小經驗吧，我們設計的產品中一般都有加）； 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，改變三極管的內阻，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，可用于增益調節(jié)。R3應采用具有良好溫度特性的金屬膜電阻器。

此外，還需要根據要使用的增益調整連接在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，后面是有仿真的結果的，也說明了這里到底是什么設計

現在的，方案還是一樣

INA系列具有低失調電壓和低失調電壓漂移的特點。大多數應用不需要外部偏移調整。顯示了用于調整輸出失調電壓的可選電路。

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

使用網絡標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計搭建，但是這個恒流源也不難。

現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換為通過Arduino Due板的采集速率為50毫秒（20Hz).

采樣次數 = 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，將時間轉換為秒： 時間 = 50毫秒 = 0.05秒 現在，使用公式計算采樣次數： 采樣次數 = 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。

內部電路確保外部壓力測量范圍不會產生大的電壓足以損壞Arduino。這是實現通過內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。

上界和下界由由于Arduino的內部ADC，但靈敏度測量值的大小可以通過調整儀表放大器的反饋電阻。這內部Arduino的ADC將模擬信號數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 = 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 = 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習的地方，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，看見了國產的潤石，基本上是常見的領域都有替代了。

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

感覺參數還是很好看的，FET的應該是

是經典的三運放結構

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，失調電壓為±7uV，失調電壓溫漂為±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用于各種傳感、儀表、醫(yī)療器械以及精密計量設備等。

也就是看右上角的這個框圖，也就是低阻+運放構成的一個直流校準系統(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

這個是一個驗尿的機器，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，首先尿液順著結構浸潤試紙的膜塊上，膜塊會跟你尿液中的物質發(fā)生顏色變化，顏色深淺與尿液中的相應物質的濃度成正比，然后膜塊受到 LED 光源照射會產生不同的反射光，不同的反射光也就是對應尿液中不同的生化成分的含量（到這里你其實已經發(fā)現了，這部分檢測原理本質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