基于雙恒流源的應變采集電路設計

彭麗萍，胡宗舉

(1．黃岡師范學院 數(shù)理學院，湖北 黃州 438000；2．武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070)

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基于雙恒流源的應變采集電路設計

彭麗萍1，胡宗舉2

(1．黃岡師范學院 數(shù)理學院，湖北 黃州 438000；2．武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070)

針對目前恒壓源應變采集系統(tǒng)的不足，提出了一種新穎的基于雙恒流源法雙端半橋測量原理的應變采集方案。論證和分析該恒流源電路用于應變采集的優(yōu)點，給出了利用該測量原理設計的應變采集系統(tǒng)。實驗室測試及在某大型風機葉片形變測試中運行表明，該應變采集系統(tǒng)具有較高的測量精度、穩(wěn)定性、抗干擾性和可靠性。

應變采集；雙恒流源；雙端半橋測量

應變檢測在工程上具有十分重要應用，它屬于微弱信號測量，需要檢測出幾十微歐的電阻值變化。普通電阻應變片的測量電路及傳感器中的變換電路大多是采用惠斯通電橋電路，當電橋的平衡被打破時，電橋的輸出電壓與應變片電阻變化值變成非線性關系[1]，由于受這種非線性關系的影響，導致測量精度大大降低。本文采用雙恒流源作為激勵的半橋采集方案，消除了非線性誤差的影響，在保證數(shù)據(jù)可靠性的前提下，大大提高了數(shù)據(jù)采集精度。

1 恒壓橋式電路測量理論

應變測量中的恒壓電橋如圖1所示，假設AB橋臂接工作應變片(即R1)，BC橋臂接溫度補償片(即R2)，CD和DA橋臂接相同電阻，電橋的供電電壓為UAC，應變片的靈敏度系數(shù)為K，應變?yōu)棣拧＜僭O初始平衡時應變片靈敏度系數(shù)為K，應變?yōu)棣拧＜僭O初始平衡時為等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R，則此時輸出電壓應為零。當應變片阻值發(fā)生變化時，輸出電壓也相應變化。測試時，若應變片阻值R1增量為ΔR1，溫度補償片的R2的增量ΔR2。假設應變和電阻變化率之間的關系式：ΔR/R=Kε

圖1 恒壓電橋

由經(jīng)驗公式得輸出電壓為[2-3]：

(1)

當ε1=-ε2時，非線性誤差將自動抵消，這是半橋測試中的大多數(shù)情形。即相鄰橋臂的應變輸出對稱，使用恒壓橋則不會出現(xiàn)非線性誤差。

若電橋初始不平衡時，此時研究單個應變片對電路的影響，即假設當ΔR2=0，則有

(2)

由式(2)可以看出恒壓電橋的輸出Uo與應變片的電阻變化率ΔR/R(或應變ε)成非線性關系。當應變較小時，兩者之間成近似線性關系；對于較大應變情況下高精度測量時，則會表現(xiàn)出靈敏度誤差。

2 電橋及激勵形式的選擇

由上述理論可知恒壓電橋的非線性問題是影響應變采集的一個重要因素，本設計采用了改進型恒流電橋作為前端數(shù)據(jù)信號采集電路，在恒流電橋電路中可以分為單恒流源和雙恒流源兩種測量電路，見圖2(a)和2(b)。

圖2 兩種應變測試原理圖

我們首先考慮圖2(a)單恒流源中有接觸電阻Rs和長導線電阻R1，應變片電阻Rg，由理論推導可得到[4-5]:

ΔU=IgRg·Kε=UKε

(3)

其中K為應變片靈敏度系數(shù)，ε為應變。由式(3)可以看出接觸電阻和長導線電阻對測量結(jié)果無影響，而且此電路的電壓輸出(ΔU)和應變(ε)呈理想的線性關系，此電路的靈敏度為：

(4)

注：U為應變片的端電壓。

若給單恒流源增加一個相同的恒流源，就組成了雙恒流源橋式電路，如圖2(b)所示，其中有如下關系式：

(5)

在理想情況下恒流源的各性能指標均相同， Rg1和Rg2均為相同材質(zhì)的測量片，即Ig1=Ig2=I，Rg1=Rg2=R，則得：

(6)

比較可知，單、雙恒流源均無恒壓源所表現(xiàn)的非線性問題，而且恒流源電路非常適用于大應變的測量，只要應變片量程范圍允許，該測量應變的范圍是不受限制的[6-7]，也特別適用于以半導體應變片為敏感元件的測量系統(tǒng)。本設計為了消除非線性誤差和共模噪聲對系統(tǒng)的影響，采用了雙恒流源激勵半橋電路進行數(shù)據(jù)采集。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路設計

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將用于對風機葉片的疲勞性測試，主要功能有應變信號的采集、信號的調(diào)理轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的信號進行存儲，并通過無線方式發(fā)送給網(wǎng)關，采集系統(tǒng)框如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

恒流源的設計是整個電路設計的關鍵。我們可以采用三極管搭建鏡像電流源或微電流源，由于由三極管組成的電流源無法提供大負載電流，因此我們采用電壓電流轉(zhuǎn)換的方式來實現(xiàn)大負載電流輸出。本設計采用“電流-電壓-電流”的三級設計方法來實現(xiàn)，第一級電流通過基準電流源來實現(xiàn)，第二級電壓通過分壓電阻實現(xiàn)，第三級電壓電流變換通過分流電阻來實現(xiàn)，其中恒流源采用帶100 uA雙基準恒流源的芯片REF200，通過放大電路將其提供的電流放大提供約為10 mA的電流源Iout，電路如圖4所示。由放大器理論可知輸出電流為：

(7)

圖4 恒流源電路圖設計

由此式可知輸出電流的大小主要由R4、R5確定。電流源Iout輸出后流經(jīng)圖5所示的應變片Re1、Re2，當應變片受到應力作用，導致其電阻值產(chǎn)生變化，從而使a點或者b點的電壓產(chǎn)生微弱變化，因此ab兩端的電壓差Vo，將反應應變變化的宏觀變化。

圖5 應變片接口電路

本設計采用恒流源模式帶動負載，要求設計時考慮電源的負載能力。在既定方案Iout為10 mA條件下，隨負載阻值變化，如表1所示。

表1 恒流源輸出負載參數(shù)變化表

圖6 電壓阻值比例圖

通過圖6可知，在負載阻值小于130 Ω的時候，電壓和阻值呈正比例關系，且比值一致，這表明我們的恒流源有良好的線性度。因此本設計應變片阻值選擇為120 Ω，REF200供電電源為15 V，可以確保應變片輸出具有良好的線性度和充足的裕量。輸出信號后級放大電路采用了差分放大器電路，如圖7所示。此電路利用差分輸入的特性，可以抑制共模噪聲對電壓信號的干擾，使采集信號獲得較高的抑制共模干擾能力和較高的輸入阻抗。同時還考慮帶寬、輸出信號擺幅、共模電壓范圍和電源電壓范圍等影響。

圖7 采集系統(tǒng)中的放大電路

經(jīng)過放大器后，信號通過RC濾波，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器AD1248，它提供了八路單端(或四路差分)輸入的∑—Δ型A/D轉(zhuǎn)換器，其性能能滿足構(gòu)建高精度的雙恒流源應變采集電路,轉(zhuǎn)換分辨率可達24位，且?guī)в?28倍的程控增益放大器，最大可程控采樣率為2 MSPS。電路如圖8所示。

圖8 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號經(jīng)由RF射頻模塊發(fā)送至接收終端進而傳遞給PC上位機軟件進行處理。上位機軟件基于NI公司的LABVIEW平臺編寫，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、處理、顯示與儲存。其中數(shù)據(jù)處理部分按式(8)、(9)將采集到的電壓值轉(zhuǎn)換成應變值。

(8)

(9)

注：式中ε為待測應變

4 結(jié)果分析

為驗證數(shù)據(jù)采集的可靠性，該系統(tǒng)已成功用于某大型風機葉片 (有效半徑37.5 m、功率1 500 kW) 應變測量項目試驗。試驗得AD轉(zhuǎn)換器在采樣率為1 MSPS， 128倍增益時，轉(zhuǎn)換結(jié)果的有效分辨率可以控制在18位,此時的電壓分辨率為0.1 mV。如圖9所示，是應變片在靜態(tài)條件下采集得到的電壓變化值，表明系統(tǒng)采集的電壓分辨率能夠達到0.1 mV。

圖9 靜態(tài)條件下的電壓采集圖形

通過上位機軟件所得到的圖形記錄如圖10所示，其采樣頻率為50Hz，此時得采樣精度最高可達0.5 με，經(jīng)驗證系統(tǒng)的零點漂移能夠控制在±4με/4 h和±1με/ ℃。

圖10 應變采集結(jié)果圖

雙恒流源電路應用于高精度應變采集系統(tǒng)之中，由于不存在非線性問題，因而具有其獨特的優(yōu)越性。本文分析了雙恒流源雙端半橋測量原理，并設計應變采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路。通過將該系統(tǒng)的用于風機葉片疲勞性監(jiān)測平臺之中，獲得了較高的測量精度、穩(wěn)定性、抗干擾性和可靠性。

[1] 習友寶，古天祥.基于雙恒流源法的高精度應變測量技術[J].電子科技大學學報,2005,34(3):407-409,432.

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[7] Brent Maundy, Stephan J. G. Gift. Strain Gauge Amplifier Circuits[J]. Transactions on instrumention and measurement,2009,(2).

(王菊平)

The design of strain acquisition circuit based on Twin-Constant-Current Source

PENG Li-ping1, HU Zong-ju2

1.College of Mathematics and Physics，Huanggang Normal University，Huangzhou 438000，Hubei，China;2．School of Information Engineering， Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China)

Aiming at the shortcomings of the constant voltage source strain acquisition system, we came up with a novel strain acquisition technology based on the double-side half-bridge measurement principle of the constant current source. Demonstration and analysis of the constant current source circuit was used for strain collection, and the advantages of the measuring principle were given by using the design of multi-channel strain acquisition system. Lab test and the running in a large fan blade deformation test show that the strain acquisition system has high measurement precision, stability, anti-interference and reliability.

strain acquisition; Twin-Constant-Current Source; double-side half-bridge measurement principle

TN7

A

1003-8078(2014)03-0042-05

2014-02-26 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2014.03.10

彭麗萍，女，湖北黃岡人，講師，碩士，研究方向為物理學。

黃岡師范學院2013年自科重點項目(2013017203)。