便攜式差阻式讀數(shù)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江蘇省徐州市擷秀中學(xué)（高中） 楊雯睿

1 前言

在巖土監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，用來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)部性態(tài)的儀器主要有兩類(lèi)，差阻式儀器和鋼弦式儀器。國(guó)內(nèi)在水工混凝土建筑物內(nèi)部埋設(shè)監(jiān)測(cè)儀器，首選的是差阻式儀器，特別是鋼筋混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫及溫度的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在施工期需要對(duì)所安裝的儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，在自動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行后需要對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)值進(jìn)行比對(duì)。本文設(shè)計(jì)的差阻式讀數(shù)儀能夠?qū)崿F(xiàn)電阻比、電阻和的測(cè)量，讀數(shù)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量電路簡(jiǎn)單，功耗極低，電池供電，方便攜帶，應(yīng)用前景廣泛。

2 差阻式儀器的測(cè)量原理

差阻式儀器內(nèi)部采用兩根特殊固定方式的鋼絲，受到外界的拉壓變形時(shí)，一根鋼絲受拉，電阻增加；另一根鋼絲受壓，電阻減少。測(cè)量?jī)筛摻z電阻的比值，可以求出儀器的變形量。由于溫度引起的兩根鋼絲的電阻變化是同方向的，測(cè)定兩根鋼絲的串聯(lián)電阻，可以求得外界溫度對(duì)儀器的影響。差阻式儀器的測(cè)量原理如圖1所示，其中R1、R2為鋼絲電阻，R1+R2<=125Ω，0.8<=R1/R2<=1.2，目前廣泛采用五芯電纜引長(zhǎng)的差阻式儀器，r1～r5為水工電纜的芯線(xiàn)電阻，Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Is為直流恒流源，由于測(cè)量U1、U2、U3的電路的輸入阻抗極高，所以r2、r3、r4上沒(méi)有電流，可以得出：

由于Rs已知，通過(guò)式(1)(2)，就可以求出電阻比Z和電阻值R，消除了長(zhǎng)電纜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖1 五芯儀器測(cè)量原理

五芯儀器測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 五芯儀器測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)

3 讀數(shù)儀硬件設(shè)計(jì)

本讀數(shù)儀的電路非常簡(jiǎn)單，沒(méi)有使用單片機(jī)，圖2是讀數(shù)儀的硬件結(jié)構(gòu)圖，主要包括電源電路、恒流源、刀盤(pán)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、儀表放大器、MAX7129ADC、4位半LCD等。

圖2 讀數(shù)儀的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 Max7129電壓測(cè)量電路原理圖

3.1 MAX7129

MAX7129是美國(guó)Maxim公司生產(chǎn)的4位半液晶顯示單片A/D轉(zhuǎn)換器，具有高精度、高分辨力、微功耗、外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。它可以直接驅(qū)動(dòng)4位半LCD顯示器，最大顯示值±19999。ICL7129有200mV和2V兩個(gè)量程，屬于雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)50Hz干擾有較強(qiáng)的抑制能力，加上其自調(diào)零的性能，使其最高分辨力達(dá)10μV，精度高達(dá)±0.005%，可以滿(mǎn)足差阻式儀器的測(cè)量要求（見(jiàn)圖4）。

電路工作電源為VCC+=4.5V，VCC-=-4.5V，由電源電路產(chǎn)生，詳見(jiàn)3.4節(jié)。

電路為了抑制50Hz的串模干擾，采用100kHz的石英晶體振蕩器。

量程選擇管腳Pin37懸空，所選量程為200mV，此時(shí)測(cè)量分辨力達(dá)10μV，精度高達(dá)±0.005%，可以滿(mǎn)足差阻式儀器的測(cè)量要求。在200mV量程下，MAX7129的電壓測(cè)量結(jié)果如式(3)所示：

3.2 電阻比測(cè)量電路

結(jié)合公式(1)、(3)和圖1，可以得出電阻比測(cè)量電路示意圖如圖4所示。

圖4 電阻比測(cè)量電路示意圖

其中，用1.2mA的恒流源來(lái)激勵(lì)差阻式儀器，可以忽略電流激勵(lì)帶來(lái)的儀器鋼絲電阻溫度變化的影響。

AD620為高精度儀表放大器，它的放大倍數(shù)由1、8腳間的電阻Rg決定的，通過(guò)調(diào)整200歐的電位器，可以使AD620的放大倍數(shù)為10.0000，這樣通過(guò)MAX7129在4位半LCD上的讀數(shù)就是五芯儀器的電阻比。

AD620的輸入阻抗和MAX7129IN+端和IN-端間的輸入阻抗都很高，可以消除長(zhǎng)電纜對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.3 電阻值測(cè)量電路

結(jié)合公式(2)、(3)和圖1，可以得出電阻值測(cè)量電路示意圖如圖5所示。其中，Rs采用1KΩ精度為±0.01%的精密電阻，這樣通過(guò)MAX7129在4位半LCD上的讀數(shù)就是五芯儀器的電阻值R1+R2，測(cè)量精度可以滿(mǎn)足差阻式儀器電阻值的測(cè)量要求。

3.4 刀盤(pán)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

讀數(shù)儀有且僅有兩個(gè)工作狀態(tài)，一個(gè)是測(cè)量電阻比的狀態(tài)，一個(gè)是測(cè)量電阻值的狀態(tài)。刀盤(pán)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的作用類(lèi)似于常用數(shù)字萬(wàn)用表上的檔位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，通過(guò)檔位的轉(zhuǎn)換，切換電路PCB上導(dǎo)線(xiàn)的連接方式，使得測(cè)量電路在測(cè)量電阻比的狀態(tài)和測(cè)量電阻值的狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，具體電路不再贅述。

圖5 電阻值測(cè)量電路示意圖

3.5 電源電路

讀數(shù)儀采用9V疊層電池供電，電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路原理圖

電源開(kāi)關(guān)是自鎖型雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，按下后，通過(guò)T2給其它模塊提供VCC+=4.5V、VCC-=-4.5V的工作電源，U1A是電壓比較器，通過(guò)調(diào)整E2和R2的數(shù)值，可以設(shè)置定時(shí)關(guān)機(jī)時(shí)間，防止電源開(kāi)關(guān)忘關(guān)導(dǎo)致電池的耗盡。

3.6 恒流源電路

讀數(shù)儀采用1.2mA的恒流源去激勵(lì)差阻式儀器，可以忽略電流激勵(lì)帶來(lái)的五芯儀器鋼絲電阻溫度變化的影響，恒流源電路如圖7所示，其中，Z1是1.2V精密電壓基準(zhǔn)源，R11為精密電阻，電流源輸出電流Is的值見(jiàn)式(5)：

圖7 恒源流電路原理圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試該讀數(shù)儀的精確度，采用電力工業(yè)部巖土工程儀器質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的SQL型電橋率定器對(duì)讀數(shù)儀進(jìn)行測(cè)試，如表2所示，測(cè)試環(huán)境溫度為20±2℃。對(duì)比表1和表2可見(jiàn)，讀數(shù)儀的分辨力和精度均滿(mǎn)足差阻式儀器的測(cè)量要求。

表2 讀數(shù)儀比測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的差阻式讀數(shù)儀能夠?qū)崿F(xiàn)電阻比、電阻值的測(cè)量，讀數(shù)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定可靠，硬件電路簡(jiǎn)單，無(wú)需編寫(xiě)軟件，性?xún)r(jià)比高，功耗極低，電池供電，一枚 6F22 電池(疊層 9V)可工作半年，方便攜帶，在巖土監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較好的應(yīng)用前景。

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