新型应变仪及其微机化测试系统0胶辊

新型应变仪及其微机化测试系统

新型应变仪及其微机化测试系统 2011年12月10日 来源： 1　传统应变仪的设计思路及存在的问题　　应变仪是测量应变信号的仪器，应变测量的基本原理是用金属应变片感受物体表面应变，由于阻值变化引起电桥不平衡，产生差动信号，经放大处理后，显示出应变值。　　电桥输出信号是μV级的，以往将这一微弱信号进行有效处理是很困难的，直流放大器零漂、噪声严重，无法有效地放大μV级信号，在这种情况下，应变仪普遍采用交流电桥对此差动信号进行调制，用交流放大器放大后，再解调、输入指示装置。由于不同频率的交变负载对调制频率要求不同，继而后继处理电路亦有较大差别，因此应变仪依据被测信号频率，严格分为静态、静动态、动态应变仪。由于存在分布参数（主要是分布电容），交流电桥频率无法太高，这限制了交流电桥测量应变信号的上限频率（1．5kHz），并且测试过程中分布电容的微小变化即导致桥路不平衡。在测试应变信号超过1．5kHz的情况下，必须采用直流电桥，直流放大器，这就是超动态应变仪，由于直流放大器的零漂严重，该类仪器性能不高。　　由于静态应变仪的信号检测电路较繁杂，成本较高，因此，在多路测试时，通过配备预调平衡箱以共用一台应变仪，这又带来了严重的技术问题。因为预调平衡箱的多路开关设在电桥上，接触电阻的微小变化，都将造成较大的偏差。　　总之，在集成电路工艺不发达，高性能运放尚未出现的条件下，制作的应变仪性能都较差，影响了实验应力电测法的可靠性。2　电子技术的发展及对检测仪器的影响　　微电子技术的发展直接促进了检测仪器的发展。80年代，第4代运放引入了斩波自稳零电路，大大降低了失调电压，其典型产品有HA2900，ICL7650等，其中Intersil公司研制的ICL7650是CMOS器件，输入失调电流、失调电压、偏置电流极小，输入阻抗极大，开环差模电压和共模抑止比很大，有效抑制了零漂，同时由于采用了CMOS工艺，功耗低、温漂及噪声小，很适宜于放大μV级信号；其单位频宽为2MHz，可有效放大10kHz交流信号，已远超过以往动态应变仪的上限频率。因此，它的出现否定了以往的静态、动态应变仪的技术路线；同时仪表常用集成电路，如稳压器，A／D芯片，LED，LCD驱动电路也大量涌现，并且成本较低，为实现应变仪低成本高性能设计创造了有利条件。3　新型应变仪的设计方案　　3．1　新型应变仪的技术路线　　基于电子技术的进展，应变仪的基本技术路线相应的变化应该是：用直流电桥代替交流电桥，用高性能放大器（ICL7650）取代交流放大器；用数字显示或自动数据采集取代机械式的指示装置；在测量多路应变信号时，直接使用多路放大，而弃用预调平衡箱；由于高性能运放有较高的频响，因此应变仪不再有静态、动态之分，而是静、动态通用；应变仪集数字指示和模拟输出于一体，模拟输出电平与通用A／D卡匹配，以构成微机化自动测试系统。　　3．2　整机结构　　图1为仪器的整机设计框图。仪器设置了8路测量放大电路，一个单刀八掷开关，一个三位半数字电压表。这样，仪器可用于多达8路的静态测试，不必接预调平衡箱，也可将信号输出到磁带机或A／D卡。图1　应变仪的整机框图　　3．3　测量放大电路设计　　测量放大电路是应变仪的核心部分，其任务是将微弱的差动信号放大到合适的电平，同时提高信噪比。放大电路设计为差动输入，单端输出，任一量程上下限对应输出信号幅值达到±5V，这样，仪器可直接与通用A／D卡或磁带机等记录装置相连。图2为简化的电路原理图。图2　测量放大电路　　测量放大电路主要由4部分组成。模块1为差动放大部分，I1和I2为差动输入信号，其差动放大倍数为（R1＋R2＋R3）／R2。模块2为差动放大、共模抑止电路，调整可变电阻R7可基本消除输入端共模电压。由于电桥输出端一般有较严重的共模电压干扰，将模块1和模块2组合，可获得理想的差动放大、共模抑止的效果。模块3为2阶低通滤波器，是一种无限增益多路反馈型滤波器。该型滤波器可实现较高的放大倍数，分担整个测量放大电路的部分增益。采用滤波电路的必要性在于，一方面输入信号中存在高频的电磁感应噪声，另外，ICL7650运放是斩波自稳零型运放，它在切换采样、稳零电路时引入了脉冲信号，因此需在后级电路中加以平滑。模块4量程选择和灵敏度调整电路，可实现2，4，10等3种放大增益，图2中B0，B1为增益控制端。　　运放器件均选用ICL7650芯片，工作电压为±7V，由2片78L07芯片提供。　　整个测量放大电路增益分配合理，提高了电路工作的稳定性。　　3．4　抗干扰设计　　仪器的输入信号为μV级，又有变压器、电源电路等

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