便攜式靜態(tài)應(yīng)變儀

1、一種新型便攜式靜態(tài)應(yīng)變儀的研制1測試原理 本機原理電路見圖1。其主要測量電路由橋源、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和液晶顯示器等幾部分組成。         1.1橋源電路 橋源主要用來給由應(yīng)變計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)系到測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本機采用由精密電壓基準(zhǔn)和運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

2、運算放大器,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1.672.50V的電壓,能夠滿足產(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)負載的電流)減少(或加大)。由虎克定律可知：負載電壓(橋壓)將降低(或升高),從而達到穩(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

3、電路能夠提供穩(wěn)定的橋壓。 1.2放大電路 本機采用應(yīng)變值的絕對測量法,即不對電橋進行平衡,直接測量荷載作用下應(yīng)變電橋輸出值,通過計算即可得出增量或相對值。此方法可消除平衡電路引起的誤差,特別是克服了長期監(jiān)測中平衡值難以保存的問題。 本機的放大電路主要由U3(LTC7652)運算放大器構(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)變測試原理知,等臂電橋的輸出電壓為：         式中：USC電橋輸出電壓;U

4、0橋源電壓,在此為2V;K應(yīng)變片靈敏系數(shù),為了簡化電路,在本儀器中固定為2.0;應(yīng)變值。 將U0、K、代入式(1)可得：USC=,即為了達到模數(shù)轉(zhuǎn)換器10V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為電橋的四個應(yīng)變計外接橋臂。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)計量程為20000,放大器滿量程輸入UBD=±20mV,輸出UHL=±200mV。當(dāng)電源電壓V+-V-=79V,V+-UC=+5V時,V+-UB=+4V,V-UB=-3-5V,可見,B點作為放大器輸出參考點,基本處于電源電壓中間,放大器的

5、輸出電位則遠遠小于電源電位,保證了放大器線性度和不會發(fā)生溢出。 1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 本機所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器U1(ICL7129)是采用COMS大規(guī)模集成電路技術(shù)、高性價比的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、外圍電路簡單等優(yōu)點。 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

6、不相等,采用共模電壓約為0.61.0V差分輸入方式(見圖1)。 由于使用電池供電,必須考慮電池電壓隨著工作時間的增加而降低的問題。本機利用ICL7129的DGND端與V+保持穩(wěn)定的5.3V電壓差這一特點,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工作性能試驗分析 2.1非線性度測試 利用等強度懸臂梁對便攜式靜態(tài)應(yīng)變儀進行非線性測試,并與7V14靜態(tài)應(yīng)變儀(日)的測試結(jié)果進行對比,測試數(shù)據(jù)見表1。表中實際應(yīng)變值為根據(jù)每級荷載等強度懸臂梁所產(chǎn)生的撓度計算得來。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.

7、2正、負對稱性測試 根據(jù)應(yīng)變電測原理,將電橋的A、C(或B、D)反接,可改變輸出信號的極性。表2為在等強度懸臂梁上進行的正、負對稱性測試結(jié)果,表明正值比負值的絕對值小710,說明改變橋路接線方式將引起電橋輸出變化,但對增量無影響。 2.3電源電壓影響 圖2的電源電壓與示值關(guān)系曲線表明：(1)在7.512.5V范圍內(nèi)測試結(jié)果準(zhǔn)確,電源電壓對測試結(jié)果無影響;(2)6.77.5V區(qū)間基本準(zhǔn)確,對測試結(jié)果有影響,但很小。在7.3V時,ICL7129低電壓指示符顯示,提示更換電池;(3)6.5V以下已不能工作。 2.4穩(wěn)定性測試 通過測試4h內(nèi)零點變化值來檢測儀器的漂移穩(wěn)定性。應(yīng)變計R5R8用120(2W0.01)的標(biāo)準(zhǔn)電阻代替,將B、D點短路,使應(yīng)變儀輸入為零。預(yù)熱15min后,第1小時以15min間隔,第2至4小時以30min為間隔,讀取應(yīng)變儀示值的變化。測試結(jié)果顯示4h內(nèi)沒有產(chǎn)生漂移。 3結(jié)語 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)換電路各為獨立電源的問題,它可采 用單電源電池供電。儀器使用應(yīng)變絕對測量法,解決了一般儀器在長期測試中平衡值不好保 存的問題。通過對便攜式應(yīng)變儀的性能測試,證明該儀器電路設(shè)計切實可行,能夠滿足測試 要求,具有性能穩(wěn)定、精度高