應變測量的原理及恒壓／恒流源的應用電路設計

1、引 言

在工程實踐中，應力變化的測量是一個十分重要又要求甚高的領域。由于應變測量屬于微弱信號測量，需要檢測出幾十微歐的變化，為減少非線性誤差，所以常常采用差動電橋，恒流源或者恒壓源的測量方案，其中恒壓／恒流源的精密程度直接決定了應變測量的精密程度。這就提出了對高精密度的恒壓／恒流源要求。

2、 應變測量原理及其要求

應變片測量應變時是利用電阻絲的電阻率隨絲的變形而變化的關系，把力學參數轉化成與之成比列的電學參數。應變片在工作過程中引起的是電阻的變化。通過測量電橋的微小電阻變化轉換成電壓或電流的變化，再經過放大器放大，并根據某一比列常數關系，將其變換成試件的應變值面展示出來。完成上述工作的儀器叫做應變儀。其原理如圖1所示。

應變片所感受的機械應變量一般為10-6-10-2，隨之而產生的電阻變化率也大約在10-6～10-2數量級之間。這樣小的電阻變化一般的電阻測量儀表很難測出，所以必須采用一定形式的測量電路將微小的電阻變化率轉化成電壓或電流的變化，才能用電子儀表紀錄或顯示出來。

測量電路至少滿足下面兩個要求：

（1）測量電橋和其激勵都應當有足夠高的精度，并可根據測試的不同要求，可靈活控制激勵大小。

（2）能將微量的電阻變化率轉變成電壓或電流的變化，并具有足夠高的靈敏度。

本文詳細探討精密可程控恒壓恒流源的發(fā)生、控制、驅動的設計。

3 、激勵源方案設計

應變儀對橋源的精度要求很高，所以在電源的設計過程中一定要注意電源的精度能夠達到要求。電源除了要滿足精度要求以外，為了滿足不同的應用場合，應變儀還要求電源能提供電壓源和電流源兩中不同的電橋形式。當儀器儀表輸出的模擬信號需要傳輸較遠距離時，一般采用電流信號而不是電壓信號，因為電流信號抗干擾能力強，信號線電阻不會導致信號損失。電流大小由負載大小決定，一般為0 mA～20 mA。當智能儀器輸出的模擬信號需要傳輸給多個儀器儀表時，一般采用直流電壓信號而不是直流電流信號。這是因為，如果采用直流電流信號，為了保證多個接收信號的設備獲得同樣的信號，必須將他們的輸入端互相串聯(lián)起來。這就導致了一個不可靠的因素，當任何一個接收設備發(fā)生斷路故障時，其他接收設備也會失去信號。而且，互相串聯(lián)的各個接受設備也會失卻信號。而且，互相串聯(lián)的各個接受設備對地的電位不等，也會引出一些麻煩。 同時為了增加應變儀使用的靈活性和廣泛性，本設計研制了可程控電源。所謂程控電源就是能夠按照預先設定好的程序和數值自動控制電源設備的輸出（電壓或電流），使其穩(wěn)定在給定數值。

為滿足本設計中電阻應變儀對橋源的不同需求，給出如下的激勵源設計指標：

（1）恒壓源：0V～8V，輸出電流穩(wěn)定度好于0.01％。

（2）恒流源：0mA～20mA，輸出電流穩(wěn)定度好于0.02％。

4 、程控恒壓源基準電路

如圖2所示，在本模塊中，為了保證設計精度我們選用16位可編程D／A轉換器，這樣我們可以使其步長為10W（216）≈0.152mV。所以當我們的電壓激勵為2V時，16位DAC電壓輸出的最大誤差為，所以其完全符合系統(tǒng)設計要求。我們選用的DAC是DAC 7731EC，并陪以MAX 6225的2.5 V外部參考電壓源，以最小程度的減小非線性誤差，最大誤差僅為1LSB。到此，我們從DAC得到了高精度的恒定電壓，但是由于DAC帶負載的能力很差，不能驅動后面的V／I選擇電路和恒壓恒流源驅動電路，則我們需要在DAC輸出之后加一個驅動電路，在這里我們選擇的是高精度運算放大器OPA 227。從圖中可以一開到我們是用的是開環(huán)連接方式，這樣即可以實現(xiàn)最大電壓值以控制場效應管的G端又能達到電壓隔離的目的。

5、 V／I選擇電路及驅動電路

由于對同一負載電橋在不同情況下，需要使用恒壓源或者恒流源，所以我們需要在橋源部分有個無電阻值（以保證使用恒壓源時不會對負載橋源產生分壓），精密的V／I選擇切換電路。同時又由于在負載使用恒流源時，需要具有低漂移，高精度，而大功率的驅動電路，一般的精密儀表放大器難以同時滿足以上條件。所以在本文中我們采用了一個全新方法來產生高精度，且大電流的恒流源方式。

5.1恒壓源驅動電路

如圖3所示，假設此時DAC輸出的標準電壓值為8 V，則同過開環(huán)連接的精密放大器OPA 227的輸出端輸出12V的電壓到場效應管IRF 840的G端，以控制其開閉。同時從OPA 227負端輸出同樣的標準電壓值8V至繼電器的COM端。通過ON／OFF控制信號，使繼電器的COM端和ON端連通。由于繼電器的內阻非常小，可以忽略不計，所以可以認為其無分壓效應，則其外接負載電橋的1端電壓為標準的8V，而其2端通過繼電器接地。同時對于IRF840的G端和S端，它們的電壓為VGS=4V，而VDS=4V，由場效應管的輸出特性可知，此時在場效應管可以通過最大1 A的電流，但是在本設計中電流大小由DAC產生的精密、低誤差電壓值（在此為8V）和負載電橋阻值決定，而+12V電源和其保護電阻R1只起到提供電流的作用。

通過以上設置，我們可以在為外接負載電橋提供精密程控恒壓源的同時，避免了從應變儀本身電源引入得噪聲。因為通常應變儀使用外部220V交流電源，再在應變儀內部經過交直流變換得到直流電壓源（如+12V），但是這樣做通常會在應變儀的電源之中留下很強的工頻噪聲。對于測試微小應變的電橋來說，顯然這些噪聲是不可接受的。而本設計的好處就在于，我們既通過DAC產生的電壓外接負載電橋提供了高精度的恒壓基準，又由儀器本身的電源通過場效應管提供驅動電流，在大幅提高應變儀帶負載能力的同時，有效地將噪聲減之最小。

5.2恒流源驅動電路

同樣如圖4所示，當繼電器的COM端和OFF端相接觸時。此時外接負載電橋的2端通過繼電器連接的一個400Ω的精密電阻接地，與此同時2端還與基準電壓電路輸出的精確電壓值V-COM通過繼電器相連。同時電橋的1端仍然和場效應管的S端連在一起。我們仍然設V-COM=8 V，則此時場效應管的VGS=4V而VDS》0V，所以場效應管處于打開狀態(tài)。而流過負載電橋的電流，由基爾霍夫定律可知：從負載電橋的1端流入電橋的電流，I1等于從其2端經精密電阻流人大地的電流I2。而此時I2的大小是可以通過電壓基準電路輸出的的精密電壓值V-COM與精密電阻R2控制的。同時和恒壓源一樣應變儀自身的+12V電源和場效應管只是提供負載電橋的電流，但不能決定其大小。所以我們同樣實現(xiàn)了在為外接負載提供精密低誤差的恒流源的同時，有效隔離了儀器本身電源引入的噪聲。

6、結束語

通過對DAC，場效應管和繼電器的有效組合，組成了滿足應變測試要求的精密，低誤差，低噪聲的程控恒壓／恒流源。通過DAC為負載電橋生成精密的基準電壓或電流值，但是通過儀器本身的電源提供負載的驅動電流。這樣既解決了一般的橋源驅動能力不強的問題，又有效的隔離了應變儀電源本身所帶的噪聲。同時我們通過FPGA對繼電器的控制，靈活地在恒壓源和恒流源之間進行了選擇切換，使其在同一時刻只有一種激勵源在使用之中，有效的降低了電路的功耗?？傊?，相比于其他用于應變儀的橋源，本設計體積更小，功耗更低，配置靈活同時也達到了測量要求。本設計已經成功應用于實際的應變儀之中，通過實際試驗與使用，其達到了設計標準。

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