新型應變儀及其微機化測試系統(tǒng)

新型應變儀及其微機化測試系統(tǒng)

1　傳統(tǒng)應變儀的設計思路及存在的問題

　　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行有效處理是很困難的，直流放大器零漂、噪聲嚴重，無法有效地放大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信號進行調制，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(jù)被測信號頻率，嚴格分為靜態(tài)、靜動態(tài)、動態(tài)應變儀。由于存在分布參數(shù)（主要是分布電容），交流電橋頻率無法太高，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1．5kHz的情況下，必須采用直流電橋，直流放大器，這就是超動態(tài)應變儀，由于直流放大器的零漂嚴重，該類儀器性能不高。
　　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，通過配備預調平衡箱以共用一臺應變儀，這又帶來了嚴重的技術問題。因為預調平衡箱的多路開關設在電橋上，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(xiàn)的條件下，制作的應變儀性能都較差，影響了實驗應力電測法的可靠性。

2　電子技術的發(fā)展及對檢測儀器的影響

　　微電子技術的發(fā)展直接促進了檢測儀器的發(fā)展。80年代，第4代運放引入了斬波自穩(wěn)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，開環(huán)差模電壓和共模抑止比很大，有效抑制了零漂，同時由于采用了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，已遠超過以往動態(tài)應變儀的上限頻率。因此，它的出現(xiàn)否定了以往的靜態(tài)、動態(tài)應變儀的技術路線；同時儀表常用集成電路，如穩(wěn)壓器，A／D芯片，LED，LCD驅動電路也大量涌現(xiàn)，并且成本較低，為實現(xiàn)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　新型應變儀的技術路線
　　基于電子技術的進展，應變儀的基本技術路線相應的變化應該是：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(shù)字顯示或自動數(shù)據(jù)采集取代機械式的指示裝置；在測量多路應變信號時，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)、動態(tài)之分，而是靜、動態(tài)通用；應變儀集數(shù)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，以構成微機化自動測試系統(tǒng)。

　　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，一個單刀八擲開關，一個三位半數(shù)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，其任務是將微弱的差動信號放大到合適的電平，同時提高信噪比。放大電路設計為差動輸入，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為差動放大部分，I1和I2為差動輸入信號，其差動放大倍數(shù)為（R1＋R2＋R3）／R2。模塊2為差動放大、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，可獲得理想的差動放大、共模抑止的效果。模塊3為2階低通濾波器，是一種無限增益多路反饋型濾波器。該型濾波器可實現(xiàn)較高的放大倍數(shù)，分擔整個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(wěn)零型運放，它在切換采樣、穩(wěn)零電路時引入了脈沖信號，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，可實現(xiàn)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。
　　整個測量放大電路增益分配合理，提高了電路工作的穩(wěn)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，同時信號通路為多路，因此抗干擾問題較突出。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姌颍�配合測量放大電路的共模抑制電路可基本消除共模干擾；
　　②變壓器、電源電路、放大電路分開。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；
　�、鄯糯箅娐芳右云帘危�
　�、懿季�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，采用一點共地技術；
　　⑤測試系統(tǒng)與被測對象等電位技術。

4　整機性能測試

　　我們對所研制的應變儀進行了全面的性能測試，包括靜態(tài)測試精度、靜態(tài)穩(wěn)定性、靜態(tài)線性度和一定頻響范圍內幅頻和相頻特性。實驗表明，應變儀靜態(tài)測試精度達到0．5μV，實驗室條件下其靜態(tài)穩(wěn)定性良好，2h內儀器顯示值不跳動，在全量程范圍內，線性度誤差小于0．2％；在5kHz之內，應變儀的增益衰減小于5％，相移基本為線性，因此在0～5kHz頻段，應變儀可實現(xiàn)無失真?zhèn)鬏敗?BR>
5　用應變儀構成自動測試系統(tǒng)

　　5．1　應變儀構成的自動測試系統(tǒng)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(shù)據(jù)處理和控制能力可以構成較復雜的自動測試系統(tǒng)。其系統(tǒng)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；多路開關及A／D。

　　5．2　應變測試系統(tǒng)軟件設計
　　根據(jù)測試過程的基本要求，集成軟件包包含了如下模塊：
　　①8路靜態(tài)應變測量模塊，包括采樣頻率設定、調零、標定、實時測量顯示、磁盤存取、打印輸出等功能模塊；
　�、趩温沸盘枌崟r采集和分析模塊，包括時域信號實時顯示、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，包括過程數(shù)據(jù)采集、實時繪制拉伸曲線、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)平滑濾波、計算材料性能參數(shù)等。

6　結束語

　　本文提出了應變儀設計的新的技術路線，即用直流電橋取代交流電橋，靜動態(tài)合一，多路放大電路取代預調平衡箱，數(shù)字指示和計算機采樣兼顧。根據(jù)這一技術路線，設計制做了一臺8通道靜動態(tài)測試通用的應變儀。儀器設置了400με，1000με，2000με3個量程，放大倍數(shù)分別為10000，4000，2000。實驗表明該儀器使用方便、精度高、穩(wěn)定性好、動態(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測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)已用于實驗室教學演示和科研工作。
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