多通道應(yīng)變儀自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐麗嬌，　劉翔，　吉小軍

(上海交通大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系， 上?！?00240)

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實(shí)驗(yàn)研究

多通道應(yīng)變儀自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐麗嬌，劉翔，吉小軍

(上海交通大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系， 上海200240)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)變測(cè)量?jī)x標(biāo)定方式采用單通道手動(dòng)操作，存在標(biāo)定過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率較低等問題，設(shè)計(jì)了一種以Cortex-M3為控制核心的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可將標(biāo)準(zhǔn)電阻信號(hào)輸出加載到被標(biāo)定電橋的輸入端，比對(duì)被標(biāo)定電橋的輸出與理論值，自動(dòng)計(jì)算被標(biāo)定電橋的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效完成自動(dòng)標(biāo)定任務(wù)，標(biāo)定精度達(dá)到0.5%。

關(guān)鍵詞：多通道應(yīng)變儀； 信號(hào)源發(fā)生器； 應(yīng)變測(cè)量; 自動(dòng)標(biāo)定； 惠斯登電橋

0引言

應(yīng)變測(cè)量技術(shù)在現(xiàn)代測(cè)試系統(tǒng)中占據(jù)著十分重要的地位，大型礦山基建的關(guān)鍵承力部件、機(jī)械動(dòng)力部件等在開發(fā)和使用過程中，都需要通過多點(diǎn)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制[1]，以確保設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程的安全性。在多通道應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試儀的使用過程中，其標(biāo)定是一項(xiàng)極其重要的工作?，F(xiàn)有的應(yīng)變測(cè)量?jī)x標(biāo)定方式一般采用單通道手動(dòng)操作方式，標(biāo)定過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。因此，開發(fā)出一款成本低、精度高、通道多的自動(dòng)標(biāo)定儀具有重要的實(shí)用意義。

本文以TI的Cortex-M3系列MCU為控制核心，采用低接觸電阻的繼電器，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶溫度補(bǔ)償、支持八通道同步接入的應(yīng)變儀自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)[2]。系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變信號(hào)輸入到應(yīng)變儀，并獲取應(yīng)變儀的輸出信號(hào)，將其與理論值進(jìn)行比對(duì)，通過標(biāo)定算法來獲取應(yīng)變儀的各項(xiàng)性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定目的。

1電橋測(cè)量原理

應(yīng)變片[3]是利用金屬電阻絲在力的作用下伸長(zhǎng)壓縮，引起其阻值變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)量。采用如圖1所示的惠斯登電橋電路，可將應(yīng)變引起的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化來進(jìn)行測(cè)量[4-5]。按電橋中實(shí)際工作感知應(yīng)變的工作片數(shù)量，電橋的工作方法包括1/4橋、1/2橋、全橋測(cè)量法3種，以這3種電橋?yàn)楹诵牡膽?yīng)變片測(cè)量設(shè)備應(yīng)用廣泛。

圖1　惠斯登電橋電路

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多通道應(yīng)變儀自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)硬件主體為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變信號(hào)源，其內(nèi)部主要由阻值切換、組橋、MCU控制、八通道輸出4個(gè)模塊組成。

應(yīng)變信號(hào)源采用金屬膜電阻來模擬應(yīng)變信號(hào)。結(jié)合常見應(yīng)變片阻值規(guī)格和應(yīng)變儀的工作模式，應(yīng)變信號(hào)源的功能設(shè)計(jì)如下：能模擬4種常用基準(zhǔn)電阻(100、120、350、1 000 Ω)應(yīng)變片的應(yīng)變信號(hào)；能調(diào)節(jié)全量程范圍(±5%)內(nèi)的應(yīng)變輸出；3種組橋功能：1/4橋、1/2橋、全橋；八通道信號(hào)輸出。

2.1阻值切換模塊設(shè)計(jì)

阻值切換模塊主要用于產(chǎn)生不同阻值來模擬應(yīng)變信號(hào)。信號(hào)源應(yīng)變模擬范圍為±5%，在量程內(nèi)設(shè)有5個(gè)應(yīng)變模擬點(diǎn)，模擬點(diǎn)1—5分別為-5%、-2.5%、0、2.5%、5%。結(jié)合4種基準(zhǔn)阻值，共需要輸出20種不同阻值。模擬點(diǎn)處的理想阻值見表1。

在電路設(shè)計(jì)中，采用了將電阻進(jìn)行串聯(lián)疊加的方法來模擬輸出表1中的這些阻值。應(yīng)變阻值切換電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

將圖中R1-1端和R1-2端、R4-1端和R4-2端之間電阻串聯(lián)起來，即將2個(gè)虛線框分別視作整體，記為電橋橋臂R1、R4。另外兩橋臂R2和R3結(jié)構(gòu)相同，分別有R2-1、R2-2、R3-1、R3-2端。

表1　應(yīng)變模擬點(diǎn)處的理想阻值

圖2　應(yīng)變阻值切換電路

繼電器有常開和常閉2種狀態(tài)，圖中所示繼電器K1—K4均打向常閉端，所以，所有電阻r均被短路，于是有R1=R4=R。若將繼電器K1打向常開端，則K1對(duì)應(yīng)的上下2個(gè)r就不會(huì)被短路，會(huì)有R1=R4=R+r。同理，R1和R4可以實(shí)現(xiàn)輸出R、R+r、R+2r、R+3r、R+4r五種不同阻值，如果對(duì)R和r取不同阻值，就可以實(shí)現(xiàn)上述20種電阻輸出了。不同基準(zhǔn)阻值下的R和r取值見表2。

表2　不同基準(zhǔn)阻值下的R和r取值　Ω

2.2組橋模塊設(shè)計(jì)

組橋模塊的作用是將上一模塊產(chǎn)生的電阻組成相應(yīng)的3種電橋。為了便于說明，對(duì)電橋各端名稱作了約定：EXC、AGND、DX+、DX-(圖1)。

每個(gè)電阻組都配備3種不同電橋(其中1/2橋有2種形式)。若單獨(dú)設(shè)計(jì)每個(gè)電橋，則共需16個(gè)電橋單元，那電路定會(huì)很復(fù)雜龐大，所以在設(shè)計(jì)中可以通過巧妙復(fù)用電阻元件來達(dá)到目的，從而在保證功能的前提下盡可能地降低硬件成本。繼電器控制陣列的電橋模式控制電路如圖3所示。

由繼電器G1—G6來改變電路間的拓?fù)潢P(guān)系，得到相應(yīng)的電橋形式，繼電器控制邏輯真值見表3。其中，0表示打向常閉端，1表示打向常開端。

2.3通道切換模塊設(shè)計(jì)

考慮到內(nèi)部組橋電路采用了多個(gè)元件共用的設(shè)計(jì)方式,并未將每個(gè)橋路設(shè)計(jì)成互不相干的獨(dú)立模塊,所以，在設(shè)計(jì)8條通道的時(shí)候,考慮采用了并聯(lián)式電路，在使用中采用分時(shí)復(fù)用的方法。通道切換電路原理如圖4所示。

圖3　電橋模式控制電路

輸出橋型電橋模式繼電器邏輯真值G1G2G3G4G5G61/4橋0100101/2橋1100101/2(2)橋010110全橋111011

圖4　通道切換電路原理

2.4MCU控制模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件控制核心選用TI的Cortex-M3系列MCU，并通過USB協(xié)議和上位機(jī)通信。MCU模塊的作用是接收上位機(jī)的指令，根據(jù)指令準(zhǔn)確執(zhí)行相應(yīng)命令，驅(qū)動(dòng)硬件輸出相應(yīng)的電阻值、橋型，并使能相應(yīng)的通道，MCU控制流程如圖5所示。

本系統(tǒng)主要使用M3的3個(gè)通用口(PD、PJ、PH)，都設(shè)置為輸出模式。因繼電器的數(shù)量較多，所以,應(yīng)把防抖動(dòng)及抗誤動(dòng)作作為設(shè)計(jì)要求，故在所有繼電器的控制引腳前都加了鎖存器，以保持控制信號(hào)穩(wěn)定。

圖5　MCU控制流程

設(shè)計(jì)中采用的鎖存器型號(hào)為MM74C373，該型號(hào)的鎖存器具有8條通道，可為8個(gè)繼電器提供控制信號(hào)。設(shè)計(jì)中一共采用了7個(gè)鎖存器，PJ和PH口協(xié)同控制7個(gè)鎖存器的狀態(tài)：輸入信號(hào)時(shí)，將鎖存器設(shè)置為全通，結(jié)束操作后將其保持鎖存狀態(tài)。PD口用于給鎖存器的8條通道輸送電平，以便用鎖存器的輸出控制后續(xù)的繼電器組，MCU控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　MCU控制結(jié)構(gòu)

2.5系統(tǒng)硬件的溫度補(bǔ)償

本系統(tǒng)中的信號(hào)源對(duì)信號(hào)精度有較高要求，為了避免溫度變化造成系統(tǒng)較大誤差，故采用了軟件法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

在恒溫箱創(chuàng)造的恒溫環(huán)境中，將各電路元件視作一個(gè)整體，測(cè)定并估計(jì)其整體溫度系數(shù)，即PPM值(溫度每變化一個(gè)單位,電阻隨之變化的值)：測(cè)定元件在t0=25 ℃時(shí)的電阻值，記其為Q0；測(cè)定元件在5，15，35，45 ℃下的電阻值，記相應(yīng)的溫度與阻值分別為t1—t4及Q1—Q4。估算PPM值的線性回歸方程如式(1)所示，由最小二乘法求解，即可得到其PPM值。

(1)

溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫范圍為-55～125 ℃，滿足本系統(tǒng)的應(yīng)用要求[7-9]?？紤]到硬件電路具有一定面積，故采用了4個(gè)溫度傳感器，其布局如圖7所示。黑色實(shí)心正方體代表溫度傳感器，虛線正方形代表元件單元，取其幾何中心作為其坐標(biāo)。

溫度估計(jì)算法如下：首先由控制核心通過I2C總線讀取4個(gè)傳感器的讀數(shù)，然后采用基于距離加權(quán)的線性插值算法估計(jì)給定電阻單元處的溫度。

(1) 選定一個(gè)溫度傳感器為原點(diǎn)，與其在順時(shí)針方向相鄰的傳感器所在方向?yàn)閄軸正向，與其在逆時(shí)針方向相鄰的傳感器所在方向?yàn)閅軸正向，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。

圖7　溫度傳感器布局

(2) 根據(jù)構(gòu)建坐標(biāo)系時(shí)所選擇的3個(gè)傳感器的讀數(shù)估計(jì)原點(diǎn)處溫度梯度的值，然后根據(jù)原點(diǎn)處的溫度以及待估計(jì)元件單元中心點(diǎn)的坐標(biāo)，估計(jì)其在當(dāng)前坐標(biāo)系下的溫度。

(3) 對(duì)其余3個(gè)溫度傳感器，重復(fù)步驟(1)、步驟(2)，獲得4個(gè)不同坐標(biāo)系下溫度的估計(jì)值，分別記為P1—P4；獲得在不同坐標(biāo)系下元件單元中心點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，分別記為d1—d4。

(4) 給定元件單元處的溫度最終估計(jì)公式，如式(2)所示。

(2)

基于元件單元處的溫度數(shù)據(jù)，電阻實(shí)際值估計(jì)如式(3)所示。其中ΔT為溫度變化值(以室溫25 ℃為基準(zhǔn)溫度)。

(3)

通過上述溫度補(bǔ)償算法[10]，系統(tǒng)即可準(zhǔn)確修正信號(hào)源輸出信號(hào)的量值。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)與下位機(jī)2個(gè)部分[11]。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能：① 通過GUI實(shí)現(xiàn)信號(hào)源參數(shù)設(shè)置；② 讀取應(yīng)變儀的測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算應(yīng)變儀的重復(fù)性、準(zhǔn)確度及靈敏度；③ 自動(dòng)生成標(biāo)定測(cè)試報(bào)告。下位機(jī)基于MCU完成了信號(hào)產(chǎn)生的控制邏輯。上位機(jī)基于Python Qt開發(fā)，下位機(jī)基于μC/OS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)[12-13]，上、下位機(jī)通過USB協(xié)議進(jìn)行通信。上位機(jī)圖形界面如圖8所示，系統(tǒng)軟件通過圖形界面實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理以及測(cè)試結(jié)果的可視化。

考慮到被標(biāo)定設(shè)備數(shù)據(jù)輸出格式的多樣性，在設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件架構(gòu)時(shí)，對(duì)被標(biāo)定設(shè)備數(shù)據(jù)輸入單元進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)：被標(biāo)定設(shè)備需以動(dòng)態(tài)庫(kù)的形式提供USB協(xié)議數(shù)據(jù)輸入事件的處理函數(shù)，該函數(shù)返回固定格式的測(cè)試數(shù)據(jù)。這樣，系統(tǒng)即可高效讀取應(yīng)變儀的輸出值。系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

圖8　上位機(jī)圖形界面

圖9　系統(tǒng)軟件流程

每次標(biāo)定開始前，需要通過上位機(jī)GUI設(shè)定信號(hào)源的參數(shù)：基準(zhǔn)電阻值、應(yīng)變范圍、電橋模式以及輸出通道。設(shè)置完成后，將自定義的通信參數(shù)字[14]通過USB協(xié)議傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)控制系統(tǒng)硬件完成信號(hào)產(chǎn)生與應(yīng)變測(cè)試。最后讀取被標(biāo)定設(shè)備的輸出值，由所得數(shù)據(jù)分別依式(4)—式(6)計(jì)算出待標(biāo)定設(shè)備的靈敏度[15]、重復(fù)性以及精確度。

設(shè)ΔX為2次測(cè)量值之間的差值，ΔL為2次理論輸入值的差值，則靈敏度可表示為

(4)

(5)

設(shè)H為理論真值，W為測(cè)量值與真值之間的差值，則精度可表示為

(6)

4實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為了評(píng)估系統(tǒng)性能，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。取用幾臺(tái)適合的多通道應(yīng)變儀，這些應(yīng)變儀包括了1/4橋、1/2橋(2種)、全橋4種不同的電橋模式以及4種不同的基準(zhǔn)電阻，并有±5%的應(yīng)變范圍。測(cè)試步驟如下：

(1) 在上位機(jī)面板上設(shè)置基準(zhǔn)電阻、電橋模式、應(yīng)變范圍，并傳輸?shù)较挛粰C(jī)，驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變信號(hào)源產(chǎn)生應(yīng)變信號(hào)。

(2) 將上述信號(hào)加載至應(yīng)變儀的輸入端，應(yīng)變儀會(huì)給出測(cè)量值。

(3) 利用所得數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到該設(shè)備的各項(xiàng)性能參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試10次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4，表中顯示的數(shù)據(jù)為其均值。此外，為了標(biāo)定方便而為1/2橋設(shè)定了2種模式，但其本質(zhì)相同，測(cè)試數(shù)據(jù)也一致，故并成一欄。

表4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，電橋的供電為5 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：① 模擬應(yīng)變信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路放大后，電橋的輸出隨著阻值應(yīng)變的細(xì)微增大而有明顯變化，故應(yīng)變儀的靈敏度良好；② 電橋輸出與應(yīng)變量呈明顯的線性關(guān)系，線性度強(qiáng)。由應(yīng)變儀輸出，并按其比例系數(shù)可計(jì)算出實(shí)際測(cè)量的阻值。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得系統(tǒng)最大標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.003，重復(fù)性較好；測(cè)量精度較高，為0.5%。

5結(jié)語

多通道應(yīng)變儀標(biāo)定系統(tǒng)具有多功能的特點(diǎn)，能夠標(biāo)定4種基準(zhǔn)電阻、3種電橋模式、8條通道的應(yīng)變儀，數(shù)據(jù)處理模塊能高效輸出應(yīng)變儀的關(guān)鍵性能指標(biāo)，避免了人工計(jì)算的繁瑣，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間。系統(tǒng)用戶界面操作方便快捷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效簡(jiǎn)化標(biāo)定過程，提高標(biāo)定工作效率，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試的標(biāo)定自動(dòng)化。

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Design of auto-calibration system for multi-channel strain gauge

XU Lijiao,LIU Xiang,JI Xiaojun

(Department of Instrument Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)

Abstract:In view of problem of wasting time and energy and low efficiency in calibrating process of existing calibration method of strain gauges which adopts single-channel manual operation mode, an auto-calibration system based on cortex-M3 MCU was designed，hardware and software design of the system were introduced in details. The system can output standard resistance signal to input terminal of calibration bridge , and can automatically compute precision of calibrate bridge through comparison value between actual outputs and theoretical outputs. The experimental results show that the system can perform auto-calibration of strain gauge efficiently with calibration precision at 0.5%.

Key words:multi-channel strain gauge; signal generator; strain measurement; auto-calibration; Wheatstone bridge

中圖分類號(hào)：TD178

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-03-07 15:16

作者簡(jiǎn)介：徐麗嬌(1991-)，女，江蘇蘇州人，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧綄?shí)時(shí)系統(tǒng)在現(xiàn)代傳感技術(shù)中的應(yīng)用，E-mail：xlj214@126.com。通信作者：吉小軍(1969-)，男，山西太原人，副教授，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代傳感技術(shù)及系統(tǒng),E-mail:jxj127@sjtu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51475306)。

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-01-25；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

文章編號(hào)：1671-251X(2016)03-0031-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.007

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1516.007.html

徐麗嬌，劉翔，吉小軍.多通道應(yīng)變儀自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(3)：31-35.