動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及誤差測(cè)試

陳 誠(chéng)，李建青，馬爭(zhēng)爭(zhēng)，戴亞文，陳子鵬

（1.武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢430070；2.中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 信息工程學(xué)院，武漢430073）

應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代工程項(xiàng)目研究和實(shí)施過(guò)程中一項(xiàng)必不可少的重要技術(shù)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和研究意義[1]。 傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包含應(yīng)變信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大、硬件濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等5 大模塊[2]。 此類(lèi)傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，通常在室溫條件下該應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)量性能穩(wěn)定且誤差較低[3]。 在實(shí)際工程應(yīng)用中時(shí)，由于溫度場(chǎng)變化復(fù)雜，系統(tǒng)電路中電阻的溫漂特性就會(huì)對(duì)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的精確度產(chǎn)生較大的影響[4]。 在應(yīng)變測(cè)量電路設(shè)計(jì)中，電路中電阻溫漂問(wèn)題一直未能得到很好的解決。 對(duì)此，針對(duì)應(yīng)變測(cè)量電路中的溫漂問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款基于程控式放大器AD8231，24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD1256，RAM 處理器的高精度應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)方案， 通過(guò)電路優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了溫漂補(bǔ)償，從而提高測(cè)量精度的目的。

1 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)輸出及激勵(lì)源設(shè)計(jì)

整個(gè)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1 所示。 當(dāng)機(jī)械構(gòu)件受力產(chǎn)生形變時(shí)[5]，應(yīng)變片會(huì)產(chǎn)生阻值變化由應(yīng)變采集轉(zhuǎn)換模塊完成應(yīng)變信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行放大處理，再由硬件濾波電路對(duì)放大輸出信號(hào)進(jìn)行硬件濾波處理，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[6]，最終由STM32F103VCT6 控制器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，并反饋給上位機(jī)完成信息交互[7]。

圖1 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Strain measurement system design block diagram

1.1 1/4 惠更斯橋路信號(hào)輸出

測(cè)量試驗(yàn)中， 使用1/4 惠更斯橋路模擬應(yīng)變測(cè)量過(guò)程中的信號(hào)輸出采集端， 輸出10-6V 量級(jí)的微應(yīng)變信號(hào)。 在1/4 惠更斯橋路中使用型號(hào)為BX120-3AA 的高精度電阻式應(yīng)變片， 應(yīng)變柵尺寸為6.6 mm×3.6 mm，標(biāo)準(zhǔn)阻值為120 Ω[8]。 考慮到惠更斯橋路中電阻阻值的溫漂問(wèn)題， 在1/4 橋路部分添加了雙調(diào)零補(bǔ)償電路來(lái)減小因電阻溫漂特性所帶來(lái)的測(cè)量誤差，并以此保證在應(yīng)變采集轉(zhuǎn)換過(guò)程中信號(hào)的穩(wěn)定性，如圖2 所示。

圖2 1/4 惠更斯橋路的雙調(diào)零補(bǔ)償電路Fig.2 1/4 Huygens Bridge Road’s dual-zero compensation circuit

1.2 激勵(lì)源的選擇和測(cè)試

應(yīng)變測(cè)量中要求激勵(lì)源具有低噪聲、 高穩(wěn)定性、足夠的負(fù)載調(diào)整率、足夠的輸出功率等特點(diǎn)[9]。在此，采用低噪聲（最大噪聲為3.5 μV）、低溫漂（A級(jí)，最大10-6/℃；B 級(jí)，最大3×10-6/℃）的ADR431 作為激勵(lì)源為整個(gè)系統(tǒng)提供激勵(lì)電壓； 由LT1761ES5_5，LT3461ES6 為ADR431 提 供 穩(wěn) 定 供電電壓，以此減小激勵(lì)源紋波，保證供電電壓穩(wěn)定。對(duì)激勵(lì)電源進(jìn)行室溫和變溫條件下的電壓測(cè)試試驗(yàn)。 數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖3 所示。

圖3 激勵(lì)電源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.3 Excitation power supply measured data processing results

由圖3（a）可見(jiàn)，在室溫條件下的輸出電壓值較穩(wěn)定，其最大電壓為2.497988 V，最小電壓為2.497960 V，輸出電壓波動(dòng)幅值僅為0.000028 V；由圖3（b）可見(jiàn)，當(dāng)溫度從室溫升高至60 ℃時(shí)，激勵(lì)源的輸出電壓值同樣十分穩(wěn)定，輸出電壓波動(dòng)幅值僅為0.000131 V。 測(cè)試結(jié)果顯示， 該激勵(lì)電壓源精度高、溫漂低，能夠滿足精密應(yīng)變測(cè)量的需求。

2 基于INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試

2.1 系統(tǒng)的放大和濾波模塊的設(shè)計(jì)

應(yīng)變測(cè)量中應(yīng)變信號(hào)一般是微應(yīng)變級(jí)別的信號(hào)，使用一般的數(shù)據(jù)采集電路根本無(wú)法識(shí)別。 因此需要對(duì)橋路的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理。

放大處理電路中，選用德州儀器公司的儀表放大器INA333 搭建放大電路。 該芯片具有微功耗、零漂移、軌到軌的特性，其輸入噪聲僅為漂移電壓僅為0.1 μV/℃，0.01%建立時(shí)間僅為15 μs， 并且可通過(guò)外接增益電阻來(lái)設(shè)置其放大倍數(shù)。 為了保證應(yīng)變測(cè)量的精度，在橋路輸出信號(hào)進(jìn)入INA333 之前增加差分濾波電路，對(duì)初始放大信號(hào)進(jìn)行濾波處理；經(jīng)過(guò)INA333 放大后的信號(hào)再由TLC濾波器進(jìn)行硬件濾波處理，為后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理提供保障。 放大濾波電路的硬件設(shè)計(jì)如圖4 所示。

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其分析

在完成INA333 應(yīng)變系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，對(duì)NA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行（室溫28 ℃）測(cè)試試驗(yàn)。 將INA333應(yīng)變測(cè)量電路放置在DHG-9031A 恒溫箱中以保持室溫條件，設(shè)置應(yīng)變輸入為0，通過(guò)串口助手來(lái)記錄室溫條件下的采集數(shù)據(jù)。 其數(shù)據(jù)處理結(jié)果及實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)表1。

圖4 IN333 放大濾波電路的硬件設(shè)計(jì)Fig.4 Hardware design of the IN333 amplification filter circuit

表1 INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Measured data of INA333 strain measurement system

由表可知， 在室溫條件下此應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的3次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有很好的可重復(fù)性。 同時(shí)，室溫條件下測(cè)量誤差僅為0.102～0.135 mV， 對(duì)應(yīng)的應(yīng)變誤差為0.5004～0.675 με； 表明基于INA333 的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在室溫條件下能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

為模擬實(shí)際應(yīng)用中復(fù)雜的溫度環(huán)境，對(duì)此應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了變溫條件下的應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)，溫度變化區(qū)間為28～60 ℃。 測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由表可知，在變溫條件下的系統(tǒng)誤差為6.902 mV，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變誤差為34.51 με。也就是說(shuō)，當(dāng)溫度變化較大時(shí)， 即使應(yīng)變測(cè)量輸入為0， 系統(tǒng)也存在著34.51 με 的“虛假”輸出。

INA333 外接增益電阻的溫度特性曲線如圖5所示。 由圖可見(jiàn)，增益電阻阻值的變溫變化趨勢(shì)與此應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差測(cè)試結(jié)果的變化趨勢(shì)一致。 由于IN333 放大器具有低溫漂高精度的特性，可認(rèn)為系統(tǒng)溫漂來(lái)自外接增益電阻溫漂。

圖5 1 kΩ 增益電阻的實(shí)測(cè)溫度特性曲線Fig.5 Measured temperature characteristic curve of 1 kΩ gain resistor

3 基于AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及測(cè)試

3.1 系統(tǒng)的放大和濾波模塊的設(shè)計(jì)

針對(duì)外接增益電阻溫漂過(guò)大導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)溫漂過(guò)大的問(wèn)題，在此從結(jié)構(gòu)設(shè)優(yōu)化計(jì)方面提出一套基于程控式AD8231 放大器的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。

AD8231 放大器微功耗、零漂移、軌到軌儀表放大器（輸入噪聲僅為，漂移電壓僅為0.05 μV/℃）。 同時(shí)，AD8231 不需要外接增益電阻來(lái)設(shè)置增益倍數(shù)， 可通過(guò)對(duì)CS，A0，A1，A2 引腳的適當(dāng)配置來(lái)設(shè)置增益倍數(shù)，有效規(guī)避外接增益電阻帶來(lái)的溫漂過(guò)大的問(wèn)題。此外，還可利用AD8231 內(nèi)置的運(yùn)算放大器搭建應(yīng)變?yōu)V波電路，通過(guò)簡(jiǎn)化應(yīng)變測(cè)量電路設(shè)計(jì)以降低系統(tǒng)的溫漂。 AD8231 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6 所示，放大濾波電路硬件設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖6 AD8231 放大器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.6 Internal structure of the AD8231 amplifier

圖7 改進(jìn)后的放大濾波電路的原理Fig.7 Principle of improved amplifier filter circuit

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其分析

首先， 對(duì)AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行室溫測(cè)試和變溫測(cè)試試驗(yàn)， 試驗(yàn)步驟與INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試步驟持一致。

室溫28 ℃條件下基于AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)表2。由表2 可知，在室溫條件下的3 次測(cè)量結(jié)果具有很好的重復(fù)性，且系統(tǒng)測(cè)量誤差僅為0.014～0.038 mV， 對(duì)應(yīng)的應(yīng)變誤差為0.07～0.19 με。 與INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)相比，在室溫條件下AD8231 系統(tǒng)測(cè)量誤差減小了71.85%～86.2%。

同時(shí)， 對(duì)AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了變溫條件下的應(yīng)變測(cè)量試驗(yàn)，溫度變化區(qū)間為28～60 ℃。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

由表1 可知，INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在變溫條件下的系統(tǒng)誤差為6.902 mV， 對(duì)應(yīng)的應(yīng)變誤差為34.51 με。 也就是當(dāng)溫度變化較大的時(shí)候，即使應(yīng)變測(cè)量輸入為0 時(shí)，系統(tǒng)也存在著34.51 με 的“虛假”輸出。

表2 AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 System error experimental data of AD8231 strain measurement system

由表2 可知，AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在變溫條件下的系統(tǒng)誤差為0.233～0.310 mV， 對(duì)應(yīng)的應(yīng)變誤差為1.165～1.52 με。 此結(jié)果表明AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在變溫區(qū)間的測(cè)試精度得到大幅度提升，與INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)相比，其溫漂改善了95.59%～96.62%。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)， 并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和分析研究， 找到了主要溫漂來(lái)源——外接增益電阻；針對(duì)溫漂過(guò)大的問(wèn)題提出了程控式AD8231 應(yīng)變測(cè)量方案。 通過(guò)這2 系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比， 表明AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠很好地解決放大電路中外接增益電阻溫漂產(chǎn)生的應(yīng)變測(cè)量誤差問(wèn)題，同時(shí)優(yōu)化了應(yīng)變測(cè)量電路的設(shè)計(jì)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，AD8231 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度在變溫條件下，可以達(dá)到1.52 με，與INA333 應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)相比， 其溫漂改善了95.59%～96.62%，對(duì)解決實(shí)際工程中精密應(yīng)變測(cè)量的溫漂問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。