新型應變儀及其微機化測試系統

1　傳統應變儀的設計思路及存在的問(wèn)題

　　應變儀是測量應變信號的儀器，應變測量的基本原理是用金屬應變片感受物體表面應變，由于阻值變化引起電橋不平衡，產(chǎn)生差動(dòng)信號，經(jīng)放大處理后，顯示出應變值。
　　電橋輸出信號是μV級的，以往將這一微弱信號進(jìn)行有效處理是很困難的，直流放大器零漂、噪聲嚴重，無(wú)法有效地放大μV級信號，在這種情況下，應變儀普遍采用交流電橋對此差動(dòng)信號進(jìn)行調制，用交流放大器放大后，再解調、輸入指示裝置。由于不同頻率的交變負載對調制頻率要求不同，繼而后繼處理電路亦有較大差別，因此應變儀依據被測信號頻率，嚴格分為靜態(tài)、靜動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)應變儀。由于存在分布參數（主要是分布電容），交流電橋頻率無(wú)法太高，這限制了交流電橋測量應變信號的上限頻率（1．5kHz），并且測試過(guò)程中分布電容的微小變化即導致橋路不平衡。在測試應變信號超過(guò)1．5kHz的情況下，必須采用直流電橋，直流放大器，這就是超動(dòng)態(tài)應變儀，由于直流放大器的零漂嚴重，該類(lèi)儀器性能不高。
　　由于靜態(tài)應變儀的信號檢測電路較繁雜，成本較高，因此，在多路測試時(shí)，通過(guò)配備預調平衡箱以共用一臺應變儀，這又帶來(lái)了嚴重的技術(shù)問(wèn)題。因為預調平衡箱的多路開(kāi)關(guān)設在電橋上，接觸電阻的微小變化，都將造成較大的偏差。
　　總之，在集成電路工藝不發(fā)達，高性能運放尚未出現的條件下，制作的應變儀性能都較差，影響了實(shí)驗應力電測法的可靠性。

2　電子技術(shù)的發(fā)展及對檢測儀器的影響

　　微電子技術(shù)的發(fā)展直接促進(jìn)了檢測儀器的發(fā)展。80年代，第4代運放引入了斬波自穩零電路，大大降低了失調電壓，其典型產(chǎn)品有HA2900，ICL7650等，其中Intersil公司研制的ICL7650是CMOS器件，輸入失調電流、失調電壓、偏置電流極小，輸入阻抗極大，開(kāi)環(huán)差模電壓和共模抑止比很大，有效抑制了零漂，同時(shí)由于采用了CMOS工藝，功耗低、溫漂及噪聲小，很適宜于放大μV級信號；其單位頻寬為2MHz，可有效放大10kHz交流信號，已遠超過(guò)以往動(dòng)態(tài)應變儀的上限頻率。因此，它的出現否定了以往的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應變儀的技術(shù)路線(xiàn)；同時(shí)儀表常用集成電路，如穩壓器，A／D芯片，LED，LCD驅動(dòng)電路也大量涌現，并且成本較低，為實(shí)現應變儀低成本高性能設計創(chuàng )造了有利條件。

3　新型應變儀的設計方案

　　3．1　新型應變儀的技術(shù)路線(xiàn)
　　基于電子技術(shù)的進(jìn)展，應變儀的基本技術(shù)路線(xiàn)相應的變化應該是：用直流電橋代替交流電橋，用高性能放大器（ICL7650）取代交流放大器；用數字顯示或自動(dòng)數據采集取代機械式的指示裝置；在測量多路應變信號時(shí)，直接使用多路放大，而棄用預調平衡箱；由于高性能運放有較高的頻響，因此應變儀不再有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)之分，而是靜、動(dòng)態(tài)通用；應變儀集數字指示和模擬輸出于一體，模擬輸出電平與通用A／D卡匹配，以構成微機化自動(dòng)測試系統。

　　3．2　整機結構
　　圖1為儀器的整機設計框圖。儀器設置了8路測量放大電路，一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，一個(gè)三位半數字電壓表。這樣，儀器可用于多達8路的靜態(tài)測試，不必接預調平衡箱，也可將信號輸出到磁帶機或A／D卡。

　　3．3　測量放大電路設計
　　測量放大電路是應變儀的核心部分，其任務(wù)是將微弱的差動(dòng)信號放大到合適的電平，同時(shí)提高信噪比。放大電路設計為差動(dòng)輸入，單端輸出，任一量程上下限對應輸出信號幅值達到±5V，這樣，儀器可直接與通用A／D卡或磁帶機等記錄裝置相連。圖2為簡(jiǎn)化的電路原理圖。

　　測量放大電路主要由4部分組成。模塊1為差動(dòng)放大部分，I1和I2為差動(dòng)輸入信號，其差動(dòng)放大倍數為（R1＋R2＋R3）／R2。模塊2為差動(dòng)放大、共模抑止電路，調整可變電阻R7可基本消除輸入端共模電壓。由于電橋輸出端一般有較嚴重的共模電壓干擾，將模塊1和模塊2組合，可獲得理想的差動(dòng)放大、共模抑止的效果。模塊3為2階低通濾波器，是一種無(wú)限增益多路反饋型濾波器。該型濾波器可實(shí)現較高的放大倍數，分擔整個(gè)測量放大電路的部分增益。采用濾波電路的必要性在于，一方面輸入信號中存在高頻的電磁感應噪聲，另外，ICL7650運放是斬波自穩零型運放，它在切換采樣、穩零電路時(shí)引入了脈沖信號，因此需在后級電路中加以平滑。模塊4量程選擇和靈敏度調整電路，可實(shí)現2，4，10等3種放大增益，圖2中B0，B1為增益控制端。
　　運放器件均選用ICL7650芯片，工作電壓為±7V，由2片78L07芯片提供。
　　整個(gè)測量放大電路增益分配合理，提高了電路工作的穩定性。

　　3．4　抗干擾設計
　　儀器的輸入信號為μV級，又有變壓器、電源電路等強電部分，同時(shí)信號通路為多路，因此抗干擾問(wèn)題較突出。在儀器設計和使用中采取了以下抗干擾措施：
　�、俨捎昧愎材ｋ姌�，配合測量放大電路的共模抑制電路可基本消除共模干擾；
　�、谧儔浩�、電源電路、放大電路分開(kāi)。強電與弱電分離是一般抗干擾措施，儀器中將電源和放大電路分為2塊印制版制作，有效避免了強電信號對弱電信號的干擾；
　�、鄯糯箅娐芳右云帘�；
　�、懿季�(xiàn)設計中嚴格按照信號由弱到強的順序布局，以避免大信號對小信號的級間干擾，采用一點(diǎn)共地技術(shù)；
　�、轀y試系統與被測對象等電位技術(shù)。

4　整機性能測試

　　我們對所研制的應變儀進(jìn)行了全面的性能測試，包括靜態(tài)測試精度、靜態(tài)穩定性、靜態(tài)線(xiàn)性度和一定頻響范圍內幅頻和相頻特性。實(shí)驗表明，應變儀靜態(tài)測試精度達到0．5μV，實(shí)驗室條件下其靜態(tài)穩定性良好，2h內儀器顯示值不跳動(dòng)，在全量程范圍內，線(xiàn)性度誤差小于0．2％；在5kHz之內，應變儀的增益衰減小于5％，相移基本為線(xiàn)性，因此在0～5kHz頻段，應變儀可實(shí)現無(wú)失真傳輸。

5　用應變儀構成自動(dòng)測試系統

　　5．1　應變儀構成的自動(dòng)測試系統的基本結構
　　該應變儀可做為靜態(tài)應變儀使用，也可以做為電橋適配器，適用于電阻型傳感器，儀器提供了多路輸入、輸出功能，配合PC的數據處理和控制能力可以構成較復雜的自動(dòng)測試系統。其系統配置一般含：電阻型傳感器，可用于溫度、位移、應變、壓力等測量，ΔR／R＜0．01為宜；電橋盒，四端子即可，用于直流電橋；應變儀，做為電橋適配器；多路開(kāi)關(guān)及A／D。

　　5．2　應變測試系統軟件設計
　　根據測試過(guò)程的基本要求，集成軟件包包含了如下模塊：
　�、�8路靜態(tài)應變測量模塊，包括采樣頻率設定、調零、標定、實(shí)時(shí)測量顯示、磁盤(pán)存取、打印輸出等功能模塊；
　�、趩温沸盘枌�(shí)時(shí)采集和分析模塊，包括時(shí)域信號實(shí)時(shí)顯示、FFT變換、幅頻圖顯示等功能模塊；
　�、燮矫鎽�力分析模塊，對應變化結構的應力分析，包括主應力計算和平面應力圖繪制；
　�、懿牧侠�伸試驗功能模塊，包括過(guò)程數據采集、實(shí)時(shí)繪制拉伸曲線(xiàn)、數據存取、數據平滑濾波、計算材料性能參數等。

6　結束語(yǔ)

　　本文提出了應變儀設計的新的技術(shù)路線(xiàn)，即用直流電橋取代交流電橋，靜動(dòng)態(tài)合一，多路放大電路取代預調平衡箱，數字指示和計算機采樣兼顧。根據這一技術(shù)路線(xiàn)，設計制做了一臺8通道靜動(dòng)態(tài)測試通用的應變儀。儀器設置了400με，1000με，2000με3個(gè)量程，放大倍數分別為10000，4000，2000。實(shí)驗表明該儀器使用方便、精度高、穩定性好、動(dòng)態(tài)范圍寬且成本較低。
　　應用該應變儀配合PC、A／D卡和相應軟件設計了一套自動(dòng)測試系統。該系統已用于實(shí)驗室教學(xué)演示和科研工作。
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