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新型应变仪及其微机化测试系统

时间:2014-07-05  数控技术网  http://tech.cncproduct.com
1 传统应变仪的设计思路及存在的问题

  应变仪是测量应变信号的仪器,应变测量的基本原理是用金属应变片感受物体表面应变,由于阻值变化引起电桥不平衡,产生差动信号,经放大处理后,显示出应变值。
  电桥输出信号是μV级的,以往将这一微弱信号进行有效处理是很困难的,直流放大器零漂、噪声严重,无法有效地放大μV级信号,在这种情况下,应变仪普遍采用交流电桥对此差动信号进行调制,用交流放大器放大后,再解调、输入指示装置。由于不同频率的交变负载对调制频率要求不同,继而后继处理电路亦有较大差别,因此应变仪依据被测信号频率,严格分为静态、静动态、动态应变仪。由于存在分布参数(主要是分布电容),交流电桥频率无法太高,这限制了交流电桥测量应变信号的上限频率(1.5kHz),并且测试过程中分布电容的微小变化即导致桥路不平衡。在测试应变信号超过1.5kHz的情况下,必须采用直流电桥,直流放大器,这就是超动态应变仪,由于直流放大器的零漂严重,该类仪器性能不高。
  由于静态应变仪的信号检测电路较繁杂,成本较高,因此,在多路测试时,通过配备预调平衡箱以共用一台应变仪,这又带来了严重的技术问题。因为预调平衡箱的多路开关设在电桥上,接触电阻的微小变化,都将造成较大的偏差。
  总之,在集成电路工艺不发达,高性能运放尚未出现的条件下,制作的应变仪性能都较差,影响了实验应力电测法的可靠性。

2 电子技术的发展及对检测仪器的影响

  微电子技术的发展直接促进了检测仪器的发展。80年代,第4代运放引入了斩波自稳零电路,大大降低了失调电压,其典型产品有HA2900,ICL7650等,其中Intersil公司研制的ICL7650是CMOS器件,输入失调电流、失调电压、偏置电流极小,输入阻抗极大,开环差模电压和共模抑止比很大,有效抑制了零漂,同时由于采用了CMOS工艺,功耗低、温漂及噪声小,很适宜于放大μV级信号;其单位频宽为2MHz,可有效放大10kHz交流信号,已远超过以往动态应变仪的上限频率。因此,它的出现否定了以往的静态、动态应变仪的技术路线;同时仪表常用集成电路,如稳压器,A/D芯片,LED,LCD驱动电路也大量涌现,并且成本较低,为实现应变仪低成本高性能设计创造了有利条件。

3 新型应变仪的设计方案

  3.1 新型应变仪的技术路线
  基于电子技术的进展,应变仪的基本技术路线相应的变化应该是:用直流电桥代替交流电桥,用高性能放大器(ICL7650)取代交流放大器;用数字显示或自动数据采集取代机械式的指示装置;在测量多路应变信号时,直接使用多路放大,而弃用预调平衡箱;由于高性能运放有较高的频响,因此应变仪不再有静态、动态之分,而是静、动态通用;应变仪集数字指示和模拟输出于一体,模拟输出电平与通用A/D卡匹配,以构成微机化自动测试系统。

  3.2 整机结构
  图1为仪器的整机设计框图。仪器设置了8路测量放大电路,一个单刀八掷开关,一个三位半数字电压表。这样,仪器可用于多达8路的静态测试,不必接预调平衡箱,也可将信号输出到磁带机或A/D卡。


图1 应变仪的整机框图

  3.3 测量放大电路设计
  测量放大电路是应变仪的核心部分,其任务是将微弱的差动信号放大到合适的电平,同时提高信噪比。放大电路设计为差动输入,单端输出,任一量程上下限对应输出信号幅值达到±5V,这样,仪器可直接与通用A/D卡或磁带机等记录装置相连。图2为简化的电路原理图。


图2 测量放大电路

  测量放大电路主要由4部分组成。模块1为差动放大部分,I1和I2为差动输入信号,其差动放大倍数为(R1+R2+R3)/R2。模块2为差动放大、共模抑止电路,调整可变电阻R7可基本消除输入端共模电压。由于电桥输出端一般有较严重的共模电压干扰,将模块1和模块2组合,可获得理想的差动放大、共模抑止的效果。模块3为2阶低通滤波器,是一种无限增益多路反馈型滤波器。该型滤波器可实现较高的放大倍数,分担整个测量放大电路的部分增益。采用滤波电路的必要性在于,一方面输入信号中存在高频的电磁感应噪声,另外,ICL7650运放是斩波自稳零型运放,它在切换采样、稳零电路时引入了脉冲信号,因此需在后级电路中加以平滑。模块4量程选择和灵敏度调整电路,可实现2,4,10等3种放大增益,图2中B0,B1为增益控制端。
  运放器件均选用ICL7650芯片,工作电压为±7V,由2片78L07芯片提供。
  整个测量放大电路增益分配合理,提高了电路工作的稳定性。

  3.4 抗干扰设计
  仪器的输入信号为μV级,又有变压器、电源电路等
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