陳 誠，李建青，馬爭爭，戴亞文，陳子鵬

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

應變測量技術是現(xiàn)代工程項目研究和實施過程中一項必不可少的重要技術，具有很高的應用價值和研究意義[1]。 傳統(tǒng)的應變測量系統(tǒng)設計主要包含應變信號采集與轉(zhuǎn)換、信號放大、硬件濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等5 大模塊[2]。 此類傳統(tǒng)的應變測量系統(tǒng)，通常在室溫條件下該應變測量系統(tǒng)的系統(tǒng)測量性能穩(wěn)定且誤差較低[3]。 在實際工程應用中時，由于溫度場變化復雜，系統(tǒng)電路中電阻的溫漂特性就會對應變測量系統(tǒng)的精確度產(chǎn)生較大的影響[4]。 在應變測量電路設計中，電路中電阻溫漂問題一直未能得到很好的解決。 對此，針對應變測量電路中的溫漂問題，設計了一款基于程控式放大器AD8231，24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD1256，RAM 處理器的高精度應變測量系統(tǒng)方案， 通過電路優(yōu)化實現(xiàn)了溫漂補償，從而提高測量精度的目的。

1 應變測量系統(tǒng)的信號輸出及激勵源設計

整個應變測量系統(tǒng)的設計如圖1 所示。 當機械構件受力產(chǎn)生形變時[5]，應變片會產(chǎn)生阻值變化由應變采集轉(zhuǎn)換模塊完成應變信號到電信號的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過放大電路進行放大處理，再由硬件濾波電路對放大輸出信號進行硬件濾波處理，通過A/D 轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量[6]，最終由STM32F103VCT6 控制器對采集數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理，并反饋給上位機完成信息交互[7]。

圖1 應變測量系統(tǒng)設計框圖Fig.1 Strain measurement system design block diagram

1.1 1/4 惠更斯橋路信號輸出

測量試驗中， 使用1/4 惠更斯橋路模擬應變測量過程中的信號輸出采集端， 輸出10-6V 量級的微應變信號。 在1/4 惠更斯橋路中使用型號為BX120-3AA 的高精度電阻式應變片， 應變柵尺寸為6.6 mm×3.6 mm，標準阻值為120 Ω[8]。 考慮到惠更斯橋路中電阻阻值的溫漂問題， 在1/4 橋路部分添加了雙調(diào)零補償電路來減小因電阻溫漂特性所帶來的測量誤差，并以此保證在應變采集轉(zhuǎn)換過程中信號的穩(wěn)定性，如圖2 所示。

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

1.2 激勵源的選擇和測試

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

圖3 激勵電源實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.3 Excitation power supply measured data processing results

由圖3（a）可見，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，輸出電壓波動幅值僅為0.000028 V；由圖3（b）可見，當溫度從室溫升高至60 ℃時，激勵源的輸出電壓值同樣十分穩(wěn)定，輸出電壓波動幅值僅為0.000131 V。 測試結(jié)果顯示， 該激勵電壓源精度高、溫漂低，能夠滿足精密應變測量的需求。

2 基于INA333 應變測量系統(tǒng)的設計及測試

2.1 系統(tǒng)的放大和濾波模塊的設計

應變測量中應變信號一般是微應變級別的信號，使用一般的數(shù)據(jù)采集電路根本無法識別。 因此需要對橋路的輸出信號進行放大處理。

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%建立時間僅為15 μs， 并且可通過外接增益電阻來設置其放大倍數(shù)。 為了保證應變測量的精度，在橋路輸出信號進入INA333 之前增加差分濾波電路，對初始放大信號進行濾波處理；經(jīng)過INA333 放大后的信號再由TLC濾波器進行硬件濾波處理，為后續(xù)的數(shù)字信號處理提供保障。 放大濾波電路的硬件設計如圖4 所示。

2.2 實測數(shù)據(jù)及其分析

在完成INA333 應變系統(tǒng)設計后，對NA333 應變測量系統(tǒng)進行（室溫28 ℃）測試試驗。 將INA333應變測量電路放置在DHG-9031A 恒溫箱中以保持室溫條件，設置應變輸入為0，通過串口助手來記錄室溫條件下的采集數(shù)據(jù)。 其數(shù)據(jù)處理結(jié)果及實測曲線見表1。

圖4 IN333 放大濾波電路的硬件設計Fig.4 Hardware design of the IN333 amplification filter circuit

表1 INA333 應變測量系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)Tab.1 Measured data of INA333 strain measurement system

由表可知， 在室溫條件下此應變測量系統(tǒng)的3次試驗測試結(jié)果具有很好的可重復性。 同時，室溫條件下測量誤差僅為0.102～0.135 mV， 對應的應變誤差為0.5004～0.675 με； 表明基于INA333 的應變測量系統(tǒng)在室溫條件下能夠滿足設計需求。

為模擬實際應用中復雜的溫度環(huán)境，對此應變測量系統(tǒng)進行了變溫條件下的應變測量試驗，溫度變化區(qū)間為28～60 ℃。 測試結(jié)果見表1。

由表可知，在變溫條件下的系統(tǒng)誤差為6.902 mV，對應的應變誤差為34.51 με。也就是說，當溫度變化較大時， 即使應變測量輸入為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，增益電阻阻值的變溫變化趨勢與此應變測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差測試結(jié)果的變化趨勢一致。 由于IN333 放大器具有低溫漂高精度的特性，可認為系統(tǒng)溫漂來自外接增益電阻溫漂。

圖5 1 kΩ 增益電阻的實測溫度特性曲線Fig.5 Measured temperature characteristic curve of 1 kΩ gain resistor

3 基于AD8231 應變測量系統(tǒng)的設計及測試

3.1 系統(tǒng)的放大和濾波模塊的設計

針對外接增益電阻溫漂過大導致應變測量系統(tǒng)溫漂過大的問題，在此從結(jié)構設優(yōu)化計方面提出一套基于程控式AD8231 放大器的應變測量系統(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，AD8231 不需要外接增益電阻來設置增益倍數(shù)， 可通過對CS，A0，A1，A2 引腳的適當配置來設置增益倍數(shù)，有效規(guī)避外接增益電阻帶來的溫漂過大的問題。此外，還可利用AD8231 內(nèi)置的運算放大器搭建應變?yōu)V波電路，通過簡化應變測量電路設計以降低系統(tǒng)的溫漂。 AD8231 內(nèi)部結(jié)構如圖6 所示，放大濾波電路硬件設計如圖7 所示。

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

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

3.2 實測數(shù)據(jù)及其分析

首先， 對AD8231 應變測量系統(tǒng)進行室溫測試和變溫測試試驗， 試驗步驟與INA333 應變測量系統(tǒng)的測試步驟持一致。

室溫28 ℃條件下基于AD8231 應變測量系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)和實測曲線見表2。由表2 可知，在室溫條件下的3 次測量結(jié)果具有很好的重復性，且系統(tǒng)測量誤差僅為0.014～0.038 mV， 對應的應變誤差為0.07～0.19 με。 與INA333 應變測量系統(tǒng)相比，在室溫條件下AD8231 系統(tǒng)測量誤差減小了71.85%～86.2%。

同時， 對AD8231 應變測量系統(tǒng)進行了變溫條件下的應變測量試驗，溫度變化區(qū)間為28～60 ℃。測試結(jié)果見表2。

由表1 可知，INA333 應變測量系統(tǒng)在變溫條件下的系統(tǒng)誤差為6.902 mV， 對應的應變誤差為34.51 με。 也就是當溫度變化較大的時候，即使應變測量輸入為0 時，系統(tǒng)也存在著34.51 με 的“虛假”輸出。

表2 AD8231 應變測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差試驗數(shù)據(jù)Tab.2 System error experimental data of AD8231 strain measurement system

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

4 結(jié)語

設計了INA333 應變測量系統(tǒng)， 并對該系統(tǒng)進行了試驗測試和分析研究， 找到了主要溫漂來源——外接增益電阻；針對溫漂過大的問題提出了程控式AD8231 應變測量方案。 通過這2 系統(tǒng)的試驗測試結(jié)果的對比， 表明AD8231 應變測量系統(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)生的應變測量誤差問題，同時優(yōu)化了應變測量電路的設計。 試驗結(jié)果表明，AD8231 應變測量系統(tǒng)的測量精度在變溫條件下，可以達到1.52 με，與INA333 應變測量系統(tǒng)相比， 其溫漂改善了95.59%～96.62%，對解決實際工程中精密應變測量的溫漂問題具有重要的指導意義。