新型應(yīng)變儀及其微機(jī)化測試系統(tǒng)

新型應(yīng)變儀及其微機(jī)化測試系統(tǒng)

1　傳統(tǒng)應(yīng)變儀的設(shè)計(jì)思路及存在的問題

　　應(yīng)變儀是測量應(yīng)變信號的儀器，應(yīng)變測量的基本原理是用金屬應(yīng)變片感受物體表面應(yīng)變，由于阻值變化引起電橋不平衡，產(chǎn)生差動信號，經(jīng)放大處理后，顯示出應(yīng)變值。
　　電橋輸出信號是μV級的，以往將這一微弱信號進(jìn)行有效處理是很困難的，直流放大器零漂、噪聲嚴(yán)重，無法有效地放大μV級信號，在這種情況下，應(yīng)變儀普遍采用交流電橋?qū)Υ瞬顒有盘栠M(jìn)行調(diào)制，用交流放大器放大后，再解調(diào)、輸入指示裝置。由于不同頻率的交變負(fù)載對調(diào)制頻率要求不同，繼而后繼處理電路亦有較大差別，因此應(yīng)變儀依據(jù)被測信號頻率，嚴(yán)格分為靜態(tài)、靜動態(tài)、動態(tài)應(yīng)變儀。由于存在分布參數(shù)（主要是分布電容），交流電橋頻率無法太高，這限制了交流電橋測量應(yīng)變信號的上限頻率（1．5kHz），并且測試過程中分布電容的微小變化即導(dǎo)致橋路不平衡。在測試應(yīng)變信號超過1．5kHz的情況下，必須采用直流電橋，直流放大器，這就是超動態(tài)應(yīng)變儀，由于直流放大器的零漂嚴(yán)重，該類儀器性能不高。
　　由于靜態(tài)應(yīng)變儀的信號檢測電路較繁雜，成本較高，因此，在多路測試時(shí)，通過配備預(yù)調(diào)平衡箱以共用一臺應(yīng)變儀，這又帶來了嚴(yán)重的技術(shù)問題。因?yàn)轭A(yù)調(diào)平衡箱的多路開關(guān)設(shè)在電橋上，接觸電阻的微小變化，都將造成較大的偏差。
　　總之，在集成電路工藝不發(fā)達(dá)，高性能運(yùn)放尚未出現(xiàn)的條件下，制作的應(yīng)變儀性能都較差，影響了實(shí)驗(yàn)應(yīng)力電測法的可靠性。

2　電子技術(shù)的發(fā)展及對檢測儀器的影響

　　微電子技術(shù)的發(fā)展直接促進(jìn)了檢測儀器的發(fā)展。80年代，第4代運(yùn)放引入了斬波自穩(wěn)零電路，大大降低了失調(diào)電壓，其典型產(chǎn)品有HA2900，ICL7650等，其中Intersil公司研制的ICL7650是CMOS器件，輸入失調(diào)電流、失調(diào)電壓、偏置電流極小，輸入阻抗極大，開環(huán)差模電壓和共模抑止比很大，有效抑制了零漂，同時(shí)由于采用了CMOS工藝，功耗低、溫漂及噪聲小，很適宜于放大μV級信號；其單位頻寬為2MHz，可有效放大10kHz交流信號，已遠(yuǎn)超過以往動態(tài)應(yīng)變儀的上限頻率。因此，它的出現(xiàn)否定了以往的靜態(tài)、動態(tài)應(yīng)變儀的技術(shù)路線；同時(shí)儀表常用集成電路，如穩(wěn)壓器，A／D芯片，LED，LCD驅(qū)動電路也大量涌現(xiàn)，并且成本較低，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變儀低成本高性能設(shè)計(jì)創(chuàng)造了有利條件。

3　新型應(yīng)變儀的設(shè)計(jì)方案

　　3．1　新型應(yīng)變儀的技術(shù)路線
　　基于電子技術(shù)的進(jìn)展，應(yīng)變儀的基本技術(shù)路線相應(yīng)的變化應(yīng)該是：用直流電橋代替交流電橋，用高性能放大器（ICL7650）取代交流放大器；用數(shù)字顯示或自動數(shù)據(jù)采集取代機(jī)械式的指示裝置；在測量多路應(yīng)變信號時(shí)，直接使用多路放大，而棄用預(yù)調(diào)平衡箱；由于高性能運(yùn)放有較高的頻響，因此應(yīng)變儀不再有靜態(tài)、動態(tài)之分，而是靜、動態(tài)通用；應(yīng)變儀集數(shù)字指示和模擬輸出于一體，模擬輸出電平與通用A／D卡匹配，以構(gòu)成微機(jī)化自動測試系統(tǒng)。

　　3．2　整機(jī)結(jié)構(gòu)
　　圖1為儀器的整機(jī)設(shè)計(jì)框圖。儀器設(shè)置了8路測量放大電路，一個(gè)單刀八擲開關(guān)，一個(gè)三位半數(shù)字電壓表。這樣，儀器可用于多達(dá)8路的靜態(tài)測試，不必接預(yù)調(diào)平衡箱，也可將信號輸出到磁帶機(jī)或A／D卡。

　　3．3　測量放大電路設(shè)計(jì)
　　測量放大電路是應(yīng)變儀的核心部分，其任務(wù)是將微弱的差動信號放大到合適的電平，同時(shí)提高信噪比。放大電路設(shè)計(jì)為差動輸入，單端輸出，任一量程上下限對應(yīng)輸出信號幅值達(dá)到±5V，這樣，儀器可直接與通用A／D卡或磁帶機(jī)等記錄裝置相連。圖2為簡化的電路原理圖。

　　測量放大電路主要由4部分組成。模塊1為差動放大部分，I1和I2為差動輸入信號，其差動放大倍數(shù)為（R1＋R2＋R3）／R2。模塊2為差動放大、共模抑止電路，調(diào)整可變電阻R7可基本消除輸入端共模電壓。由于電橋輸出端一般有較嚴(yán)重的共模電壓干擾，將模塊1和模塊2組合，可獲得理想的差動放大、共模抑止的效果。模塊3為2階低通濾波器，是一種無限增益多路反饋型濾波器。該型濾波器可實(shí)現(xiàn)較高的放大倍數(shù)，分擔(dān)整個(gè)測量放大電路的部分增益。采用濾波電路的必要性在于，一方面輸入信號中存在高頻的電磁感應(yīng)噪聲，另外，ICL7650運(yùn)放是斬波自穩(wěn)零型運(yùn)放，它在切換采樣、穩(wěn)零電路時(shí)引入了脈沖信號，因此需在后級電路中加以平滑。模塊4量程選擇和靈敏度調(diào)整電路，可實(shí)現(xiàn)2，4，10等3種放大增益，圖2中B0，B1為增益控制端。
　　運(yùn)放器件均選用ICL7650芯片，工作電壓為±7V，由2片78L07芯片提供。
　　整個(gè)測量放大電路增益分配合理，提高了電路工作的穩(wěn)定性。

　　3．4　抗干擾設(shè)計(jì)
　　儀器的輸入信號為μV級，又有變壓器、電源電路等強(qiáng)電部分，同時(shí)信號通路為多路，因此抗干擾問題較突出。在儀器設(shè)計(jì)和使用中采取了以下抗干擾措施：
　�、俨捎昧愎材ｋ姌颍�配合測量放大電路的共模抑制電路可基本消除共模干擾；
　　②變壓器、電源電路、放大電路分開。強(qiáng)電與弱電分離是一般抗干擾措施，儀器中將電源和放大電路分為2塊印制版制作，有效避免了強(qiáng)電信號對弱電信號的干擾；
　�、鄯糯箅娐芳右云帘�；
　�、懿季�設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照信號由弱到強(qiáng)的順序布局，以避免大信號對小信號的級間干擾，采用一點(diǎn)共地技術(shù)；
　�、轀y試系統(tǒng)與被測對象等電位技術(shù)。

4　整機(jī)性能測試

　　我們對所研制的應(yīng)變儀進(jìn)行了全面的性能測試，包括靜態(tài)測試精度、靜態(tài)穩(wěn)定性、靜態(tài)線性度和一定頻響范圍內(nèi)幅頻和相頻特性。實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)變儀靜態(tài)測試精度達(dá)到0．5μV，實(shí)驗(yàn)室條件下其靜態(tài)穩(wěn)定性良好，2h內(nèi)儀器顯示值不跳動，在全量程范圍內(nèi)，線性度誤差小于0．2％；在5kHz之內(nèi)，應(yīng)變儀的增益衰減小于5％，相移基本為線性，因此在0～5kHz頻段，應(yīng)變儀可實(shí)現(xiàn)無失真?zhèn)鬏敗?BR>
5　用應(yīng)變儀構(gòu)成自動測試系統(tǒng)

　　5．1　應(yīng)變儀構(gòu)成的自動測試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
　　該應(yīng)變儀可做為靜態(tài)應(yīng)變儀使用，也可以做為電橋適配器，適用于電阻型傳感器，儀器提供了多路輸入、輸出功能，配合PC的數(shù)據(jù)處理和控制能力可以構(gòu)成較復(fù)雜的自動測試系統(tǒng)。其系統(tǒng)配置一般含：電阻型傳感器，可用于溫度、位移、應(yīng)變、壓力等測量，ΔR／R＜0．01為宜；電橋盒，四端子即可，用于直流電橋；應(yīng)變儀，做為電橋適配器；多路開關(guān)及A／D。

　　5．2　應(yīng)變測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　根據(jù)測試過程的基本要求，集成軟件包包含了如下模塊：
　�、�8路靜態(tài)應(yīng)變測量模塊，包括采樣頻率設(shè)定、調(diào)零、標(biāo)定、實(shí)時(shí)測量顯示、磁盤存取、打印輸出等功能模塊；
　�、趩温沸盘枌�(shí)時(shí)采集和分析模塊，包括時(shí)域信號實(shí)時(shí)顯示、FFT變換、幅頻圖顯示等功能模塊；
　�、燮矫鎽�(yīng)力分析模塊，對應(yīng)變化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，包括主應(yīng)力計(jì)算和平面應(yīng)力圖繪制；
　　④材料拉伸試驗(yàn)功能模塊，包括過程數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)繪制拉伸曲線、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)平滑濾波、計(jì)算材料性能參數(shù)等。

6　結(jié)束語

　　本文提出了應(yīng)變儀設(shè)計(jì)的新的技術(shù)路線，即用直流電橋取代交流電橋，靜動態(tài)合一，多路放大電路取代預(yù)調(diào)平衡箱，數(shù)字指示和計(jì)算機(jī)采樣兼顧。根據(jù)這一技術(shù)路線，設(shè)計(jì)制做了一臺8通道靜動態(tài)測試通用的應(yīng)變儀。儀器設(shè)置了400με，1000με，2000με3個(gè)量程，放大倍數(shù)分別為10000，4000，2000。實(shí)驗(yàn)表明該儀器使用方便、精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬且成本較低。
　　應(yīng)用該應(yīng)變儀配合PC、A／D卡和相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)了一套自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)已用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)演示和科研工作。
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