电阻应变仪

测试技术与应用论文应变式传感器测试系统设计学院：航空宇航学院专业：测试计量技术及仪器学号：SX1401112姓名：高媛南京航空航天大学2015年01月应变式传感器测试系统设计1应变式传感器测试系统简介工程应用中使用应变片作为传感元件，对应变、应力相关物理量进行测量。在被测构件表面黏贴电阻应变片，当受到外力作用时被测构件发生形变，应变片敏感栅及其电阻值产生变化，其受到的外力和电阻变化量具有一定比例关系，将应变片接入测量电桥，电桥将微弱的应变转换为点信号输出，经过调理电路和模数转换，输入计算机进行处理显示储存，得到测量应变值。2应变式传感器电阻应变片一般由敏感栅、基底、覆盖层和引线组成(图2.1)。测量时，电阻应变片按一定方向粘贴在试件的测量位置上。实验证明，在一定范围内，应变片的长度变化率与电阻变化率有下述关系，即kεRΔR(2-1)式中，R为应变片的标称电阻，ΔR为电阻变化量，K为电阻应变片的灵敏系数，ε为试件的应变。K值主要取决于敏感栅的材质、几何形状与尺寸，一般在1.8~2.8之间。表2.1为实验中用到的箔式式电阻应变片参数。两种类型应变片最大应变时，理论计算电阻的变化值为：Ω.%ΔR%RΔR4221202(2-2)图2.1电阻应变片组成和各种类的应变片应变式传感器信号调理电路数据处理计算机显示表2.1试验所用到的应变片参数3总体方案设计本次应变测试模块为由非线性校正电路、RFI滤波、三运放放大电路、低通滤波器四部分组成。电源电路为应变测试电路中的各部分提供稳定的供电电压；被测对象应变量通过电阻应变片和电桥转换为电压信号，通过非线性校正电路可以将这一对应关系转换为线性关系；放大电路主要对电桥输出电压信号进行放大，便于后续测量处理，通过调节电位器可以改变电压放大倍数；低通滤波器主要作用是滤除掉输出信号中的不需要的交流成分，最后通过输出接口输出。由于输出信号通过NIPxIe-6536数据采集卡采集，其输入范围在-10V~+10V之间，为了防止电荷放大器的输出电压超出采集范围，引起数据采集卡意外损坏，因此设计了输出电压过载指示电路。在原理图设计完成后，根据原理图先组装一个实验电路进行性能试验，进一步验证原理。由于本文所设计电路最高工作频率为几千赫兹，属于低频范围，所以可以使用面包板搭接实验电路，实验电路元器件都尽量以最短距离布线。3.1电源模块设计电源电路是电子电路的能量供应部分，在选取电源时，首先考虑了使用市电供电，因为比较方便得到。电网的噪声是电子电路的受干扰的主要源头之一，电源电路本身就是一个干扰源，例如纹波、尖峰脉冲等，都是对电路造成干扰的重要原因。因此，抑制电源噪声是电源模块抗干扰技术非常重要的问题。在实际实验中发现电路中仍然存在低幅值的50Hz工频噪声，但是经过放大电路放大后，其幅值也会相对较大，本文使用了双T网络陷波器实现，如图3.2所示，双T网络要求2/,32121CCCRR根据截止频率公式RCf2/10，调节滑动变阻器，当R1=R2=30.4kΩ，,C1=C2=0.1μF，非线性校正RFI滤波放大电路低通滤波器5V直流稳压电源C3=0.2μF时，陷波器截止频率为50Hz。图3.250Hz陷波器3.2非线性校正电路应变片电桥电路就是将电阻的变化转化为电信号的电路，按照供电电源的不同分为直流电桥、交流电桥。通常由电阻应变片和电阻共同组成桥臂，按桥接方式组成单臂电桥、半桥双臂、全桥四臂三种，如图3.3。图3.3桥路连接图对电路进行分析得出：URRRRRRRRURRRRRRe42313241422311(3-1)当满足R1R4=R2R3时，电桥输出电压为零，电桥达到平衡状态。本次实验考虑到方便性选择单臂电桥，有一个桥臂随被测量而变化，设该桥臂变化的电阻为R1，电阻随被测量变化而产生的电阻增量为△R，当R1=R2=R3=R4时，根据式（3-1）得出输出电压：URRe4（3-2）从公式中可看出，当△R远远小于R的情况下，应变片变化的电阻与桥路的输出电压成一定的线性关系。3.3射频干扰（RFI）滤波在现实环境中，必须考虑无处不在的射频干扰(RFI)，当有很强的RF干扰存在时，它可能会表现为直流输出失调电压误差。放大器的CMRR能力通常会减小在其输入端的共模信号，但是在20kHz以上的频率条件下没有CMRR能力。本电路中，检测微小信号的电压在毫伏级，所以必须处理射频干扰。很强的射频信号首先被放大器的输入级整流，然后表现为直流失调误差。一旦被整流，其输出端的低通滤波也不能去除这个误差。如果RFI是断续性的，这会导致无法检测的测量误差。RFI滤波器实质是在放大器前设计一个差分低通滤波器，对RF信号进行衰减。该滤波器需要完成如下功能：尽可能多地从输入端去除RF能量，保持每个输入端和地之间的交流信号平衡，以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。本文中设计的RFI滤波器电路如图3.4所示，首先，确定两个串联电阻器R1、R2的阻值，同时保证前面的电路能够驱动这个阻抗，推荐电阻值在2kΩ和10kΩ之间，电阻产生的噪声不应当大于后级放大器芯片的噪声。采用一对2kΩ电阻器，约翰逊噪声会增加8nV/Hz；采用4kΩ电阻器，会增加11nV/Hz；采用10kΩ电阻器，会增加18nV/Hz。由于后级放大器TLC2652典型噪声为23nV/Hz，因此，电阻选择10kΩ；其次，确定C2电容器的值，它确定滤波器的差分带宽。在保证不衰减输入信号的条件下，这个电容值最好总是选择得尽可能低。本文选择0.22μF，最后确定C1、C3的电容值，它们决定了共模带宽。对于可接受的CMRR，其带宽应当小于由C2电容值设置的差分带宽的10%，选择电容值为1nF，通过仿真分析，该电路下限截止频率为352Hz左右。图3.4RFI滤波器及其幅频特性曲线3.4放大电路设计在放大0~5mV的低电平信号时，普通的集成运放一般具有mV级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，因而将普通集成运放直接用于微弱信号的放大是十分困难的。要求用作前置放大器的集成运放具有高的输入阻抗,低的输出阻抗,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力，否则造成的漂移问题将使系统无法正常工作。本文采用德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器TLC2652，主要由主放大器、校零放大器、时钟和开关电路、补偿网络和箝位电路（CLAMP）组成。该芯片输入失调电压为0.6μV，温漂为0.003μV/℃，长期漂移为0.003μV/月，输入噪声电流为0.004fA/Hz，共模抑制比为120dB。在同等条件下，测量微小信号的失真更小，分辨率准确度更高，长期稳定性更好。根据电桥输出电压公式和应变公式，可得出电桥输出电压与应变值的关系为：UkeR4（3-3）来自传感器的信号通常伴随着很大的共模电压，因此本文采用了经典三运放高共模抑制比电路，由三片TLC2652组成，两个运放组成同相并联输入第一级放大，以提高放大器的输入阻抗和增益，另一个为差动放大，作为放大器的第二级，整个电路的共模抑制比取决于第一级放大电路中的两个运放共模抑制比的对称成都、第二级放大电路运放的共模抑制比、差动放大级的闭环增益以及电阻的匹配精度等，电路图如图3.5所示。从电路中可以得知，电桥两端输出电压V1和V2分别接入两个运算放大器U1和U2的同相输入端，构成平衡对称差动放大输入级，用来抑制两者共模信号，电阻R3和电阻R4、R5组成深度的电压串联负反馈，U3构成双端入单端输出的反相放大输出级。根据差分放大器的原理，可以得到:3134684368021VVRRRRVVRRU(3-4)为了提高电路的CMRR和增益稳定性，电路中取R3=3.9kΩ，取R1=R2=10kΩ，R5=R4=1MΩ，R8=R6=10kΩ，代入上式进行计算，该电路的放大倍数理论值为-513倍。在实际电路中存在电阻不匹配的问题，会造成电路的CMRR下降。平衡失配产生原因不仅来自电阻的精度，还与电阻的分布电容、频率特性等因素有关。图3.5三运放放大电路3.5低通滤波电路由于电路器件噪声，外界辐射干扰，使得微弱信号放大后夹杂着高频噪声和较低频率的输出波动，因此需要采用低通滤波器提高信噪比，这里设计简单的RC低通滤波器，用于滤除交流信号和放大电路中与时钟频率相关的尖峰信号。本次应变仪需要测出频率为0-50Hz,根据RCf21,选择R=300KΩ，C=0.1μF。借此滤波50Hz以外的杂波。4应变仪实验分析与调试4.1自制应变测试电路本次试验采用GWINSTEK公司制造的GPC-3060D直流稳压电源提供±5V电源，选择TEKTRONIX公司出产的MD03012型号示波器观察波形，如图4.1。图4.1直流稳压电源和示波器本次实验通道一的放大倍数固定为513倍，而通道二放大倍数可调。已知应变片的电阻变化率和应变值关系为kRR/（k为灵敏度系数）。通过第三章可以推出应变电路的输出电压和可测应变值关系如下：nkUU04（4-1）其中，n为放大倍数，U0为电路输出电压，U为电桥电压。试验中采用悬臂梁的形式，一端固定，另一端为自由端。在悬臂梁上事先贴好应变片，随后在自由端悬挂砝码，不加砝码为初始状态，此时数值是由于未调零，电阻本身标称值与实际值的误差使得电桥的不平衡输出，经过测试此数值对本次试验不影响，可以后续用软件消除，所以通过示波器观察不需要调零。之后依次加入砝码，共5枚砝码，每次加一个100g重量的砝码，待每次悬臂梁处于平衡稳定状态时通过示波器记录数据，试验装置如图4-2。通过加砝码模拟实际蒙皮产生应变的情况。图4-2悬臂梁和测量电路板表4.1自制应变测试电路实验数据通道一第一次第二次电压/mV应变/με电压/mV应变/με0g0000100g-160116.8-160116.8200g-330240.9-328239.4300g-490357.3-470343.1400g-640467.2-625452.6500g-790576.7-783571.6附：在数据处理中把0g时电桥不平衡误差已调零消除。4.2自制应变测试电路与Vishay应变仪对比试验Vishay（威世）是世界最大的分立半导体和被动元件的制造商之一，Vishay元件广泛应用于工业，计算机，汽车，消费，电信，军事，航空及医疗市场的各种类型的电子设备中。威世公司在称量产业实现了从应变计传感器到仪器仪表的垂直市场整合。从阻抗应变计到传感器，再到用来测量和控制换能器输出的电子仪表和系统。本实验室配备了VishayMeasurementsGroup公司生产的产品：P—3500应变指示仪和SB—10电阻转换平衡箱，产品实物如图4.3所示。图4.3Vishay（威世）应变仪对悬臂梁上所加砝码使得应变片产生的应变在相同条件下使用Vishay（威世）应变仪进行测量，如表4.2表4.2Vishay（威世）应变仪测量数据第一次/με第二次/με第三次/με均值/με0g0000100g117117117117200g231231231231300g341343343342.3400g450450449449.7500g554560554556表4.3自制应变测试电路与Vishay应变仪测量数据对比通道一平均Vishay电压/mV应变/με0g000100g-160116.8117200g-329240.1231300g-480350.4342.3400g-632.5461.7449.7500g-786.5574.1556通过表4.1和4.3发现自制应变测试电路电压与应变基本成线性关系，并且与标准应变仪测量的数据基本相同。4.3自制应变测试电路放大倍数的校准和标定为了进一步减小测量误差，对表4.1中的数据取平均值，应变仪的平均值和自制应变测试电路平均值如表4.3数据所示，通过数据分析，发现每个通道的应变值和载荷呈正比例关系，Vishay应变仪和载荷也呈比例关系，由于检测仪表精度达不到0.00