基于双恒流源的应变采集电路设计

彭丽萍，胡宗举

(1．黄冈师范学院 数理学院，湖北 黄州 438000；2．武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070)



基于双恒流源的应变采集电路设计

彭丽萍1，胡宗举2

(1．黄冈师范学院 数理学院，湖北 黄州 438000；2．武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070)

针对目前恒压源应变采集系统的不足，提出了一种新颖的基于双恒流源法双端半桥测量原理的应变采集方案。论证和分析该恒流源电路用于应变采集的优点，给出了利用该测量原理设计的应变采集系统。实验室测试及在某大型风机叶片形变测试中运行表明，该应变采集系统具有较高的测量精度、稳定性、抗干扰性和可靠性。

应变采集；双恒流源；双端半桥测量

应变检测在工程上具有十分重要应用，它属于微弱信号测量，需要检测出几十微欧的电阻值变化。普通电阻应变片的测量电路及传感器中的变换电路大多是采用惠斯通电桥电路，当电桥的平衡被打破时，电桥的输出电压与应变片电阻变化值变成非线性关系[1]，由于受这种非线性关系的影响，导致测量精度大大降低。本文采用双恒流源作为激励的半桥采集方案，消除了非线性误差的影响，在保证数据可靠性的前提下，大大提高了数据采集精度。

1 恒压桥式电路测量理论

应变测量中的恒压电桥如图1所示，假设AB桥臂接工作应变片(即R1)，BC桥臂接温度补偿片(即R2)，CD和DA桥臂接相同电阻，电桥的供电电压为UAC，应变片的灵敏度系数为K，应变为ε。假设初始平衡时应变片灵敏度系数为K，应变为ε。假设初始平衡时为等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R，则此时输出电压应为零。当应变片阻值发生变化时，输出电压也相应变化。测试时，若应变片阻值R1增量为ΔR1，温度补偿片的R2的增量ΔR2。假设应变和电阻变化率之间的关系式：ΔR/R=Kε

图1 恒压电桥

由经验公式得输出电压为[2-3]：

(1)

当ε1=-ε2时，非线性误差将自动抵消，这是半桥测试中的大多数情形。即相邻桥臂的应变输出对称，使用恒压桥则不会出现非线性误差。

若电桥初始不平衡时，此时研究单个应变片对电路的影响，即假设当ΔR2=0，则有

(2)

由式(2)可以看出恒压电桥的输出Uo与应变片的电阻变化率ΔR/R(或应变ε)成非线性关系。当应变较小时，两者之间成近似线性关系；对于较大应变情况下高精度测量时，则会表现出灵敏度误差。

2 电桥及激励形式的选择

由上述理论可知恒压电桥的非线性问题是影响应变采集的一个重要因素，本设计采用了改进型恒流电桥作为前端数据信号采集电路，在恒流电桥电路中可以分为单恒流源和双恒流源两种测量电路，见图2(a)和2(b)。

图2 两种应变测试原理图

我们首先考虑图2(a)单恒流源中有接触电阻Rs和长导线电阻R1，应变片电阻Rg，由理论推导可得到[4-5]:

ΔU=IgRg·Kε=UKε

(3)

其中K为应变片灵敏度系数，ε为应变。由式(3)可以看出接触电阻和长导线电阻对测量结果无影响，而且此电路的电压输出(ΔU)和应变(ε)呈理想的线性关系，此电路的灵敏度为：

(4)

注：U为应变片的端电压。

若给单恒流源增加一个相同的恒流源，就组成了双恒流源桥式电路，如图2(b)所示，其中有如下关系式：

(5)

在理想情况下恒流源的各性能指标均相同， Rg1和Rg2均为相同材质的测量片，即Ig1=Ig2=I，Rg1=Rg2=R，则得：

(6)

比较可知，单、双恒流源均无恒压源所表现的非线性问题，而且恒流源电路非常适用于大应变的测量，只要应变片量程范围允许，该测量应变的范围是不受限制的[6-7]，也特别适用于以半导体应变片为敏感元件的测量系统。本设计为了消除非线性误差和共模噪声对系统的影响，采用了双恒流源激励半桥电路进行数据采集。

3 数据采集系统电路设计

该数据采集系统将用于对风机叶片的疲劳性测试，主要功能有应变信号的采集、信号的调理转换，对转换后的信号进行存储，并通过无线方式发送给网关，采集系统框如图3所示。

图3 数据采集系统框图

恒流源的设计是整个电路设计的关键。我们可以采用三极管搭建镜像电流源或微电流源，由于由三极管组成的电流源无法提供大负载电流，因此我们采用电压电流转换的方式来实现大负载电流输出。本设计采用“电流-电压-电流”的三级设计方法来实现，第一级电流通过基准电流源来实现，第二级电压通过分压电阻实现，第三级电压电流变换通过分流电阻来实现，其中恒流源采用带100 uA双基准恒流源的芯片REF200，通过放大电路将其提供的电流放大提供约为10 mA的电流源Iout，电路如图4所示。由放大器理论可知输出电流为：

(7)

图4 恒流源电路图设计

由此式可知输出电流的大小主要由R4、R5确定。电流源Iout输出后流经图5所示的应变片Re1、Re2，当应变片受到应力作用，导致其电阻值产生变化，从而使a点或者b点的电压产生微弱变化，因此ab两端的电压差Vo，将反应应变变化的宏观变化。

图5 应变片接口电路

本设计采用恒流源模式带动负载，要求设计时考虑电源的负载能力。在既定方案Iout为10 mA条件下，随负载阻值变化，如表1所示。

表1 恒流源输出负载参数变化表

图6 电压阻值比例图

通过图6可知，在负载阻值小于130 Ω的时候，电压和阻值呈正比例关系，且比值一致，这表明我们的恒流源有良好的线性度。因此本设计应变片阻值选择为120 Ω，REF200供电电源为15 V，可以确保应变片输出具有良好的线性度和充足的裕量。输出信号后级放大电路采用了差分放大器电路，如图7所示。此电路利用差分输入的特性，可以抑制共模噪声对电压信号的干扰，使采集信号获得较高的抑制共模干扰能力和较高的输入阻抗。同时还考虑带宽、输出信号摆幅、共模电压范围和电源电压范围等影响。

图7 采集系统中的放大电路

经过放大器后，信号通过RC滤波，然后经过A/D转换器AD1248，它提供了八路单端(或四路差分)输入的∑—Δ型A/D转换器，其性能能满足构建高精度的双恒流源应变采集电路,转换分辨率可达24位，且带有128倍的程控增益放大器，最大可程控采样率为2 MSPS。电路如图8所示。

图8 A/D转换电路

A/D转换器输出的数字信号经由RF射频模块发送至接收终端进而传递给PC上位机软件进行处理。上位机软件基于NI公司的LABVIEW平台编写，主要实现数据传输、处理、显示与储存。其中数据处理部分按式(8)、(9)将采集到的电压值转换成应变值。

(8)

(9)

注：式中ε为待测应变

4 结果分析

为验证数据采集的可靠性，该系统已成功用于某大型风机叶片 (有效半径37.5 m、功率1 500 kW) 应变测量项目试验。试验得AD转换器在采样率为1 MSPS， 128倍增益时，转换结果的有效分辨率可以控制在18位,此时的电压分辨率为0.1 mV。如图9所示，是应变片在静态条件下采集得到的电压变化值，表明系统采集的电压分辨率能够达到0.1 mV。

图9 静态条件下的电压采集图形

通过上位机软件所得到的图形记录如图10所示，其采样频率为50Hz，此时得采样精度最高可达0.5 με，经验证系统的零点漂移能够控制在±4με/4 h和±1με/ ℃。

图10 应变采集结果图

双恒流源电路应用于高精度应变采集系统之中，由于不存在非线性问题，因而具有其独特的优越性。本文分析了双恒流源双端半桥测量原理，并设计应变采集系统的数据采集电路。通过将该系统的用于风机叶片疲劳性监测平台之中，获得了较高的测量精度、稳定性、抗干扰性和可靠性。

[1] 习友宝，古天祥.基于双恒流源法的高精度应变测量技术[J].电子科技大学学报,2005,34(3):407-409,432.

[2] 陈小娟，张明.双恒流源应变测试[J]. 电子测量技术,2009,32(7):152-154,175.

[3] 习友宝，何光普，古天祥.双恒流源应变测量的自动调零与校准技术[J].工业仪表与自动化装置,2007,(1):56-58.

[4] 魏俊，赵建华.应变测量中的恒流源电路[J].实验力学,1992,7(3):286-292.

[5] Candida D. Olney, Joseph V. Collura . A limited in-flight evaluation of the constant current loop strain measurement method[J]. Technical Memorandum,1997.

[6] 刘宝华.多通道高精度应变测量技术研究[J].计量学报，2003,24(3)：205-210.

[7] Brent Maundy, Stephan J. G. Gift. Strain Gauge Amplifier Circuits[J]. Transactions on instrumention and measurement,2009,(2).

(王菊平)

The design of strain acquisition circuit based on Twin-Constant-Current Source

PENG Li-ping1, HU Zong-ju2

1.College of Mathematics and Physics，Huanggang Normal University，Huangzhou 438000，Hubei，China;2．School of Information Engineering， Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，Hubei，China)

Aiming at the shortcomings of the constant voltage source strain acquisition system, we came up with a novel strain acquisition technology based on the double-side half-bridge measurement principle of the constant current source. Demonstration and analysis of the constant current source circuit was used for strain collection, and the advantages of the measuring principle were given by using the design of multi-channel strain acquisition system. Lab test and the running in a large fan blade deformation test show that the strain acquisition system has high measurement precision, stability, anti-interference and reliability.

strain acquisition; Twin-Constant-Current Source; double-side half-bridge measurement principle

TN7

A

1003-8078(2014)03-0042-05

2014-02-26 doi 10.3969/j.issn.1003-8078.2014.03.10

彭丽萍，女，湖北黄冈人，讲师，硕士，研究方向为物理学。

黄冈师范学院2013年自科重点项目(2013017203)。