基于電阻應(yīng)變計(jì)原理的ADI應(yīng)力測試應(yīng)用方案介紹

金屬結(jié)構(gòu)作為大型機(jī)械設(shè)備的支持構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是影響機(jī)械設(shè)備安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。隨著機(jī)械設(shè)備朝著大型化、重型化、高速化方向發(fā)展，要求設(shè)備具有更高安全性，從而突出了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。

應(yīng)力應(yīng)變測試是研究機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要手段，同時(shí)也廣泛用于起重機(jī)、龍門吊、大型工程機(jī)械，以及大飛機(jī)上的應(yīng)力測試等。

機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測常用的有光纖光柵傳感器監(jiān)測與電阻應(yīng)變計(jì)技術(shù)監(jiān)測。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang基于電阻應(yīng)變計(jì)原理的ADI應(yīng)力測試應(yīng)用方案展開了詳細(xì)介紹。

電阻應(yīng)變計(jì)的基本結(jié)構(gòu)與原理

電阻應(yīng)變計(jì)的基本結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：金屬電阻應(yīng)變絲（敏感柵） 、基體、引線和覆蓋層（如圖1）。金屬電阻應(yīng)變絲是把結(jié)構(gòu)應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的敏感部分，也是電阻應(yīng)變片的重要組成部分；基體是敏感柵的支撐材料，具有良好的絕緣性，可以使敏感柵和被粘貼物之間保持良好的絕緣性；引線的主要作用是連接敏感柵和測量電路，將電信號輸送到測量電路；覆蓋層可以有效保護(hù)敏感柵，防止敏感柵受到機(jī)械損傷和環(huán)境溫度與濕度的侵?jǐn)_等。

圖1.電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)

將電阻應(yīng)變計(jì)安裝（如粘貼或焊接）在被測結(jié)構(gòu)件表面上，結(jié)構(gòu)件受力而變形時(shí)，電阻應(yīng)變計(jì)的敏感柵隨之產(chǎn)生相同應(yīng)變，其電阻值發(fā)生變化，用儀器測量此電阻變化即可測量出構(gòu)件表面沿敏感柵軸線方向的應(yīng)變。因此，電阻應(yīng)變計(jì)的主要性能與敏感柵有關(guān)，取敏感柵材料金屬細(xì)絲，研究其把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的關(guān)系。

金屬細(xì)絲的電阻R與絲的長度L成正比，而與其截面積A成反比，按物理學(xué)有下列公式：

在一定應(yīng)變范圍內(nèi)μ、m是常數(shù)，因此K0也是常數(shù)，即電阻相對變化與應(yīng)變成比例，K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，因此可通電阻測量來反應(yīng)應(yīng)變。

電阻應(yīng)變計(jì)的測量方案

1、測試流程

最前端的傳感器由壓電元件擔(dān)任，常用的是應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)。應(yīng)變片本身是一個(gè)比較精密的電阻，貼合在機(jī)身表面后，機(jī)身表面的形變也可以傳遞到應(yīng)變片上；而應(yīng)變片本身又是接入到惠斯通電橋中的。因此，機(jī)身的形變也就由物理量轉(zhuǎn)換成了電學(xué)的模擬信號，傳遞到了測量電路中；再通過帶有屏蔽層的雙絞線等，傳遞到運(yùn)放芯片，將本來還比較微弱的電信號放大，并最終通過 ADC 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。最后，機(jī)身形變這一物理量，轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量，并存儲到電路后端的 CPU 中做計(jì)算和處理?？蓪⒋朔椒ɡL制成框圖（如圖 2）。

圖2.應(yīng)變計(jì)測試流程

2、系統(tǒng)框圖

下圖3所示為ADI的應(yīng)變計(jì)測量方案。通過差動運(yùn)放AD8276產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)電流源或電壓源加在應(yīng)變變片。通過AD8422儀表放大器完成惠斯通電橋中應(yīng)變片上信號的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過濾波放大后送給ADC來采集模擬信號。最終經(jīng)過MCU換算出應(yīng)變計(jì)上電阻變化從而求出應(yīng)力變化。

圖3.系統(tǒng)框圖

3、重點(diǎn)型號介紹

圖4所示為ADI應(yīng)變計(jì)測量方案信號鏈中型號特性描述。

圖4.信號參數(shù)

4、激勵(lì)源介紹

精密電流源傳統(tǒng)上采用運(yùn)算放大器、電阻和其它分立器件構(gòu)建，但存在尺寸、精度和溫度漂移等方面的不足。如今，高精度、低功耗、低成本集成差動放大器的AD8276使得尺寸更小、性能更高的電流源變成現(xiàn)實(shí)（如圖5）。反饋緩沖器使用低失調(diào)、低偏置電流放大器，例如ADA4098-2、ADA4622-2、AD8610、AD8603等具體取決于所需電流范圍。

圖5 .差動放大器和運(yùn)算放大器構(gòu)成精密電流源

輸出電流可以通過下式計(jì)算：

SENSE引腳可以耐受幾乎為電源兩倍的電壓，因此第二個(gè)限制條件相當(dāng)寬松。2.5V至36V的寬電源電壓范圍使得AD8276成為許多應(yīng)用的理想之選。A級和B級的最大增益誤差分別為0.05%和0.02%，因此電流源精度最高可達(dá)0.02%。

如果所需輸出電流小于AD8276的輸出能力15 mA，則可去掉升壓晶體管，如果低電流和降低精度均能接受，則可采用更為簡單的低成本配置（如圖6）。

圖6.針對低成本、低電流應(yīng)用的簡化電路

輸入電壓VREF可以是DAC輸出、基準(zhǔn)電壓源或傳感器輸出。如果需要可編程電流源，推薦使用精密14位或16位DAC，如AD5645R、AD5692R、AD5764R、 AD5663R和AD5668等。至于基準(zhǔn)電壓源，要求更高性能時(shí)推薦使用精密基準(zhǔn)源ADR43x和ADR45xx；要求低功耗時(shí)推薦使用ADR36x；要求低成本時(shí)推薦使用AD158x和ADR504x；要求小尺寸時(shí)推薦使用集成運(yùn)算放大器與基準(zhǔn)電壓源ADR82x。

5、惠斯通電橋介紹

應(yīng)變計(jì)阻抗測量使用AD8422搭惠斯通電橋來測量（如圖7）。

圖7.惠斯通電橋

儀表放大器AD8422是一款精密、低功耗、低噪聲軌到軌儀表放大器，具有業(yè)界優(yōu)質(zhì)的每單位微安性能。AD8422以超低失真性能處理信號，在整個(gè)輸出范圍內(nèi)負(fù)載不影響性能。

AD8422是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)AD620發(fā)展到第三代的產(chǎn)品。具有極低的偏置電流，高源阻抗時(shí)不會產(chǎn)生誤差，允許多個(gè)傳感器多路復(fù)用至輸入端。低電壓噪聲和低電流噪聲特性使AD8422成為測量惠斯通電橋的理想選擇。

AD8422主要特點(diǎn)：

● 低功耗：最大靜態(tài)電流330μA

● 低噪聲：1khz時(shí)最大輸入電壓噪聲8nv /√Hz

● 電壓漂移 ：±0.3 μV/°C最大輸入偏置電壓漂移 ，±2 μV/°C最大輸出偏置電壓漂移

● 出色交流特性：10 kHz時(shí)的CMRR：80 dB（最小值，G = 1）

高帶寬: 2.2 MHz @G=1

● 出色直流特性：CMRR：150 dB（最小值，G = 1000）

增益誤差：0.04%（最大值，G = 1000）

● 雙通道且每個(gè)通道可同步提供 2 A 直流電流

● 可選的外部 VC 引腳：快速瞬態(tài)響應(yīng)

● 1 A 時(shí)效率為 94.1%，2MHz 時(shí)可從 12 VIN 提供 5 VOUT

● 快速最短開關(guān)接通時(shí)間：30 ns

● 可調(diào)并且可同步：300 kHz 至 3 MHz

● 具備快速內(nèi)部補(bǔ)償功能的內(nèi)部 2 MHz fSW

ADI應(yīng)力測試應(yīng)用方案可以幫助客戶進(jìn)行高效的電阻應(yīng)變測試，是進(jìn)行測量惠斯通電橋的理想選擇，ADI還提供靈活豐富的產(chǎn)品方案滿足客戶個(gè)性化需求，其授權(quán)代理商Excelpoint世健能為客戶提供技術(shù)支持，有助于客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，加快產(chǎn)品應(yīng)用部署。