楊超 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所

1 前言

應(yīng)變片在實(shí)際測(cè)量中按照惠斯通電橋方式連接，如下圖所示，就是本試驗(yàn)中應(yīng)變片四分之一橋測(cè)試電路的簡(jiǎn)化示意圖，通過(guò)測(cè)量輸出電壓u得到應(yīng)變片實(shí)際的阻值變化近似公式：ΔR=4R×u/(E-2u)，將此式帶入ε=ΔR/（K×R），可得到實(shí)際應(yīng)變值，在這里 R：應(yīng)變片的原電阻值Ω（應(yīng)變片出廠阻值）；ΔR：伸長(zhǎng)或壓縮所引起的電阻變化；K：比例常數(shù)(應(yīng)變片常數(shù))；ε：應(yīng)變。

圖1 應(yīng)變片使用方式

例如粘貼的應(yīng)變片型號(hào)為DE120-3AA（3CA），量程20000με，輸入橋壓為1.8V。通過(guò)計(jì)算可以得知，對(duì)應(yīng)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的1個(gè)με變化，輸出電壓的變化為0.2mV。也就是說(shuō)應(yīng)變測(cè)量設(shè)備需要準(zhǔn)確的測(cè)量到0.2mV的電壓變化，才能獲得με級(jí)別的應(yīng)變分辨率。為了使應(yīng)變測(cè)量設(shè)備能夠準(zhǔn)確的測(cè)量微小的電壓信號(hào)，除了使用軟件濾波之外，硬件電路的設(shè)計(jì)是決定測(cè)量結(jié)果是否準(zhǔn)確真實(shí)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 硬件設(shè)計(jì)

在我們自研的應(yīng)變測(cè)量設(shè)備中，ADC采集模塊的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖2 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

由以上的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖中可以得知，除去兩路大信號(hào)測(cè)量直接使用了電壓跟隨器輸出至ADC轉(zhuǎn)換芯片外，最關(guān)鍵的是在進(jìn)行應(yīng)變片輸出信號(hào)的采集過(guò)程中，使用了三級(jí)的信號(hào)調(diào)理。通過(guò)兩級(jí)放大，將小信號(hào)進(jìn)行按照測(cè)量量程進(jìn)行相應(yīng)的放大，在經(jīng)過(guò)一級(jí)二階濾波器的濾波，濾除低頻干擾，最終將條例完成的信號(hào)輸入ADC轉(zhuǎn)換芯片，完成信號(hào)的前端調(diào)理。為了保證微小的電壓信號(hào)在調(diào)理過(guò)程中不失真，每一級(jí)的元器件選擇是至關(guān)重要的。

如下圖所示，在應(yīng)變測(cè)量橋路設(shè)計(jì)中，使用RFG1117-1.8作為輸入橋壓，LDO型的RFG1117-1.8成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它的突出優(yōu)點(diǎn)。此外它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個(gè)旁路電容。其可達(dá)到以下指標(biāo)：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態(tài)電流6μA，電壓降只有100mV。從而保證了激勵(lì)源的穩(wěn)定。使用120Ω的精密電阻R12、10KΩ的R13、R14精密電阻與應(yīng)變片構(gòu)成完整的惠斯通電橋，R11是作為分路檢驗(yàn)功能時(shí)的并聯(lián)電阻。

圖3 應(yīng)變測(cè)量橋路設(shè)計(jì)

在硬件調(diào)理電路的第一級(jí)和第二級(jí)如下圖所示，起到對(duì)信號(hào)的放大作用。第一級(jí)選用INA141儀表放大器，儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運(yùn)算放大器，且優(yōu)于運(yùn)算放大器。INA141具有非常低的直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開環(huán)增益、非常大的共模抑制比、高輸入阻抗，所以非常適合于對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確性和測(cè)量穩(wěn)定性非常高的應(yīng)變測(cè)量硬件電路。實(shí)際使用中默認(rèn)使用100倍增益。第二級(jí)使用AD8251程控放大器，其具有寬電壓輸入，高共模抑制比和遞增益漂移等優(yōu)良的特性。并且可以通過(guò)程序控制其增益倍數(shù)，所以在使用中可以通過(guò)軟件配置進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量量程的修改。

圖4 第一和第二級(jí)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

硬件調(diào)理電路的第三級(jí)如下圖所示，用于對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行硬件濾波。在實(shí)際硬件電路中使用AD8610組成二階低通濾波器，AD8610具有低噪聲、低失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、快速建立時(shí)間、寬電壓范圍供電、單位增益穩(wěn)定等特點(diǎn)。適合用于測(cè)量精度要求很高的場(chǎng)合。在原先的設(shè)計(jì)中，還使用ADG1204模擬多路復(fù)用器進(jìn)行濾波參數(shù)的選擇，可以通過(guò)軟件來(lái)控制二階低通濾波的截止頻率。后來(lái)在大量的使用中，發(fā)現(xiàn)測(cè)量中帶入測(cè)量信號(hào)的低頻干擾信號(hào)比較單一，無(wú)需再進(jìn)行截止頻率的切換，故此部分在后期的設(shè)計(jì)中被取消。

3 結(jié)論

按照以上的設(shè)計(jì)方法，確保了激勵(lì)源的品質(zhì)，保證了小信號(hào)在放大過(guò)程中的真實(shí)準(zhǔn)確性，并且使用濾波器剔除了混入測(cè)量信號(hào)的低頻干擾。最終將處理過(guò)的測(cè)量信號(hào)輸入AD7734，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD7734是4通道、±10V輸入范圍、高吞吐速率、24位Σ-Δ型的ADC芯片，可以準(zhǔn)確高效的完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，其24位的轉(zhuǎn)換位數(shù)也足以支撐對(duì)于1個(gè)με的測(cè)量分辨率。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的應(yīng)變測(cè)量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)檢的到標(biāo)檢結(jié)果如下表所示，線性度為0.01%，準(zhǔn)確度為0.02%，證明了這樣的硬件設(shè)計(jì)保證了測(cè)量的高精度。

表1 標(biāo)定結(jié)果