李日忠 黃俊斌 譚 波 顧宏?duì)N

(海軍工程大學(xué)兵器工程系 武漢 430033)

1 引言

各種大型結(jié)構(gòu)體(如大型船體,橋梁建筑等)通常需要監(jiān)測其結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài),結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)監(jiān)測一般通過測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變[1～2]、振動[3]、溫度[4]等物理量來實(shí)現(xiàn)。目前,測量應(yīng)變常采用的傳感器是應(yīng)變電阻,通過測量安裝在結(jié)構(gòu)體上的應(yīng)變電阻阻值來獲得結(jié)構(gòu)的應(yīng)變大小,應(yīng)變電阻阻值Rx=R0+Δ R,Δ R為應(yīng)變電阻受應(yīng)變后的電阻值變化量,通常認(rèn)為Δ R正比于應(yīng)變ε,應(yīng)變的測量精度由Δ R的測量精度決定。

2 常用測量方案

一般用電阻橋來實(shí)現(xiàn)電阻的高精度測量[5～6],常用的測量應(yīng)變電阻阻值的方案如圖1所示。

圖1中,采用電阻橋來測量應(yīng)變電阻Rx的阻值,其中R1=R2=R3=R0,電阻橋直流偏置電壓Vb,儀表放大器(In-amp)的增益為G,儀表放大器輸出電壓:

圖1 應(yīng)變電阻測量方案

儀表放大器輸出電壓Vs經(jīng)低通濾波器(Lowpass filter)濾波后由ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,送入CPU中處理,整個系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動化測量和控制。這是目前最常用的結(jié)構(gòu)體應(yīng)變測量方案,能滿足一般的測量要求,但如果對應(yīng)變測量精度要求高時,此方案存在兩個方面的問題:1)環(huán)境電磁干擾[2],應(yīng)變電阻R x和測試電路的連接電纜一般較長,容易引入環(huán)境的電磁干擾,在一些惡劣的電磁環(huán)境(如艦船、電站等)中,這種干擾尤為明顯,而且干擾噪聲的頻率低(如50Hz工頻干擾),難以用濾波器濾除;2)儀表放大器存在輸入失調(diào)電壓,且隨環(huán)境溫度變化,給測量帶來直流誤差[7～8],雖然目前高性能的儀表放大器輸入失調(diào)電壓很小,但在測量精度要求高的場合,其誤差影響仍不可忽略。文獻(xiàn)[8]提出了一種多通道測量方案來消除放大器失調(diào)誤差引起的測量誤差,但方案中應(yīng)變片等元件的布設(shè)過于復(fù)雜,不利于工程應(yīng)用。本文提出用相關(guān)檢測技術(shù)來測量應(yīng)變電阻阻值,能有效抑制環(huán)境電磁干擾和放大器的直流誤差。

3 相關(guān)檢測方案

為了減小環(huán)境電磁干擾和儀表放大器輸入失調(diào)電壓的影響,可以給電阻橋加交流調(diào)制電壓,使得應(yīng)變電阻阻值變化量 Δ R引起的電壓信號Vs頻率與環(huán)境電磁干擾和儀表放大器輸入失調(diào)電壓的頻率顯著不同,從而可以用相關(guān)檢測技術(shù)精確的測量出Δ R。采用相關(guān)檢測技術(shù)的測量方案如圖2所示,偏置電壓Vb改為交流信號電壓,由DSP按特定頻率生成。圖2中儀表放大器輸出Vo由3部分構(gòu)成:

其中,Vs(t)為信號電壓,Vn(t)為各種電磁干擾和電路噪聲引起的噪聲電壓,Vd為儀表放大器輸入失調(diào)電壓引起的直流誤差電壓。設(shè)偏置電壓Vb(t)=Vb0cos(ωst+φ0),則信號電壓

圖2 相關(guān)檢測技術(shù)測量應(yīng)變電阻的方案

4 相關(guān)運(yùn)算求解 Δ R

DSP中,將ADC采集到的儀表放大器輸出信號Vo(t)和一對正交參考信號Vr1(t)=cos(ωst)和Vr2(t)=sin(ωst)作相關(guān)運(yùn)算。Vo(t)和余弦參考信號Vr1(t)的相關(guān)函數(shù):

5 測量系統(tǒng)噪聲分析

結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變是個準(zhǔn)靜態(tài)物理量,為了獲得精確的測量結(jié)果,在測量系統(tǒng)中要盡可能的抑制噪聲、干擾和各種測量誤差。用電阻橋測量應(yīng)變電阻的測量系統(tǒng)中,影響測量準(zhǔn)確性的因素主要有電阻熱噪聲、放大器噪聲(在低頻段主要體現(xiàn)為1/f噪聲)、環(huán)境電磁干擾、放大器直流誤差等,由于放大器的1/f噪聲、環(huán)境工頻電磁干擾、放大器直流誤差都集中在低頻段,和應(yīng)變信號頻率接近,用圖1方案中放大器后接低通濾波器的方法很難獲得很高的信噪比。

在圖2的相關(guān)檢測方案中,將需要測量的應(yīng)變電阻信息調(diào)制到角頻率ωs頻段,從而避開了低頻的1/f噪聲、環(huán)境工頻電磁干擾和放大器直流誤差,測量精度得以提高。相關(guān)運(yùn)算等效于一個帶寬非常窄的帶通濾波器,在相關(guān)時間T足夠長的情況下,從式(4)可以看出,低頻噪聲、干擾、直流誤差和參考信號的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果趨近零,從而能顯著抑制這些噪聲和干擾,提高測量精度。

6 結(jié)語

從以上分析可知,采用相關(guān)檢測技術(shù)的應(yīng)變電阻測量方案(圖2)相比常用的測量方案(圖1)能顯著抑制電路1/f噪聲、環(huán)境工頻電磁干擾和放大器直流誤差,測量精度得以提高。

另外,從成本方面考慮,雖然圖2的方案要增加一個DAC電路,電路成本有所提高,但此方案不需要調(diào)節(jié)電路直流零位,自動化測量程度提高;抗環(huán)境電磁干擾能力強(qiáng),對連接傳感器(應(yīng)變電阻)的電纜及其布線要求降低。所以,采用相關(guān)檢測技術(shù)的測量方案能大幅度降低人工成本和電纜成本,整體成本得以降低。

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