一種新型便攜式靜態(tài)應(yīng)變儀的研制

Study on a New Portable Instrument of Static Strain Gauge

ZHANG Yanbing, LIU Yongqian

(Structural Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang
Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China)

　　Key words: direct bridge; static strain gauge; operational amplifier; voltage reference; analog-to-digital converter

　　本機(jī)原理電路見(jiàn)圖1。其主要測(cè)量電路由橋源、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和液晶顯示器等幾部分組成。

　　橋源主要用來(lái)給由應(yīng)變計(jì)傳感器組成的惠斯頓電橋提供直流穩(wěn)壓電源。橋源在應(yīng)變儀中具有十分重要的作用，橋源的穩(wěn)定性，直接關(guān)系到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本機(jī)采用由精密電壓基準(zhǔn)和運(yùn)算放大器組成的輸出電壓為2V的直流恒壓源。
　　在圖1中，U1(MAX873)為輸出電壓+2.5V的低功耗、低漂移、精密電壓基準(zhǔn)，其電源電壓范圍為+4.5～+18V；U2A(TL062)為低失調(diào)JFET輸入運(yùn)算放大器，U2A、R3、Q1、C1組成電壓跟隨器。U1輸出的+2.5V經(jīng)R1、R2分壓后，在R1上可調(diào)出1.67～2.50V的電壓，能夠滿(mǎn)足產(chǎn)生2V橋壓的要求。當(dāng)橋壓輸出升高(或降低)，反饋至U2A的反向輸入端，使U2A運(yùn)算放大器的輸出端電壓降低(或升高)，Q1的基極電流則減少(或加大)，Q1的射極電流(流經(jīng)負(fù)載的電流)減少(或加大)。由虎克定律可知：負(fù)載電壓(橋壓)將降低(或升高)，從而達(dá)到穩(wěn)定橋壓的目的。
　　V+與地之間為由模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供(詳見(jiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分)的+5V穩(wěn)定電壓，大于MAX873正常工作所需的+4.5V，保證了MAX873和TL062、Q1能夠不受儀器電源電壓降低影響，使橋源電路能夠提供穩(wěn)定的橋壓。
1.2放大電路
　　本機(jī)采用應(yīng)變值的絕對(duì)測(cè)量法，即不對(duì)電橋進(jìn)行平衡，直接測(cè)量荷載作用下應(yīng)變電橋輸出值，通過(guò)計(jì)算即可得出增量或相對(duì)值。此方法可消除平衡電路引起的誤差，特別是克服了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中平衡值難以保存的問(wèn)題。
　　本機(jī)的放大電路主要由U3(LTC7652)運(yùn)算放大器構(gòu)成。LTC7652為利用CMOS工藝研制的超低漂移、斬波自穩(wěn)零式精密運(yùn)算放大器，具有超低失調(diào)電壓和漂移、高共模抑制比和電源抑制比，為比較理想的應(yīng)變儀用放大器。由應(yīng)變測(cè)試原理知，等臂電橋的輸出電壓為：
　　?
式中：USC——電橋輸出電壓；U0——橋源電壓，在此為2V；K——應(yīng)變片靈敏系數(shù)，為了簡(jiǎn)化電路，在本儀器中固定為2.0；ε——應(yīng)變值。
　　將U0、K、ε代入式(1)可得：USC=ε，即為了達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器10μV分辨率的要求，需將電橋的輸出電壓放大10倍。在圖1中，R5、R6、R7、R8為電橋的四個(gè)應(yīng)變計(jì)外接橋臂。為了提高放大器的輸入阻抗，電路采用同相放大方式。放大電路的電壓增益為：
　　
　　應(yīng)變儀的設(shè)計(jì)量程為20000με，放大器滿(mǎn)量程輸入U(xiǎn)BD=±20mV，輸出UHL=±200mV。當(dāng)電源電壓V+-V-=7～9V，V+-UC=+5V時(shí)，V+-UB=+4V，V--UB=-3～-5V，可見(jiàn)，B點(diǎn)作為放大器輸出參考點(diǎn)，基本處于電源電壓中間，放大器的輸出電位則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電源電位，保證了放大器線性度和不會(huì)發(fā)生溢出。
1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
　　本機(jī)所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器U1(ICL7129)是采用COMS大規(guī)模集成電路技術(shù)、高性?xún)r(jià)比的4（1/2）位液晶顯示單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高精度、低漂移、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
　　為了提高儀器的準(zhǔn)確度和抗工頻干擾能力，由Y1、C4、C5組成的頻率為100kHz晶振電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7129提供穩(wěn)定的時(shí)鐘脈沖。由1.2V、10×10-6/℃的精密電壓基準(zhǔn)D1(ICL8069)為ICL7129提供1V的參考電壓。由于放大電路的輸出參考電位低于V+約4V，且不固定，ICL7129的COM端則低于V+約3.2V，兩者電位不相等，采用共模電壓約為0.6~1.0V差分輸入方式(見(jiàn)圖1)。?
　　由于使用電池供電，必須考慮電池電壓隨著工作時(shí)間的增加而降低的問(wèn)題。本機(jī)利用ICL7129的DGND端與V+保持穩(wěn)定的5.3V電壓差這一特點(diǎn)，由U2B、Q2、R15、C10構(gòu)成電壓跟隨器，產(chǎn)生橋源電路所需要的地電平，使橋源電壓不受電源電壓變化的影響。

2.1非線性度測(cè)試
　　利用等強(qiáng)度懸臂梁對(duì)便攜式靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行非線性測(cè)試，并與7V14靜態(tài)應(yīng)變儀(日)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。表中實(shí)際應(yīng)變值為根據(jù)每級(jí)荷載等強(qiáng)度懸臂梁所產(chǎn)生的撓度計(jì)算得來(lái)。從表1數(shù)據(jù)可看出，手持式應(yīng)變儀具有良好的線性，三者數(shù)據(jù)符合很好。
2.2正、負(fù)對(duì)稱(chēng)性測(cè)試
　　根據(jù)應(yīng)變電測(cè)原理，將電橋的A、C(或B、D)反接，可改變輸出信號(hào)的極性。表2為在等強(qiáng)度懸臂梁上進(jìn)行的正、負(fù)對(duì)稱(chēng)性測(cè)試結(jié)果，表明正值比負(fù)值的絕對(duì)值小7～10με，說(shuō)明改變橋路接線方式將引起電橋輸出變化，但對(duì)增量無(wú)影響。
2.3電源電壓影響

2.4穩(wěn)定性測(cè)試
　　通過(guò)測(cè)試4h內(nèi)零點(diǎn)變化值來(lái)檢測(cè)儀器的漂移穩(wěn)定性。應(yīng)變計(jì)R5～R8用120Ω(2W0.01％)的標(biāo)準(zhǔn)電阻代替，將B、D點(diǎn)短路，使應(yīng)變儀輸入為零。預(yù)熱15min后，第1小時(shí)以15min間隔，第2至4小時(shí)以30min為間隔，讀取應(yīng)變儀示值的變化。測(cè)試結(jié)果顯示4h內(nèi)沒(méi)有產(chǎn)生漂移。

　　本儀器成功解決了應(yīng)變儀橋源電路與放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路各為獨(dú)立電源的問(wèn)題，它可采 用單電源電池供電。儀器使用應(yīng)變絕對(duì)測(cè)量法，解決了一般儀器在長(zhǎng)期測(cè)試中平衡值不好保 存的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)便攜式應(yīng)變儀的性能測(cè)試，證明該儀器電路設(shè)計(jì)切實(shí)可行，能夠滿(mǎn)足測(cè)試 要求，具有性能穩(wěn)定、精度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。?