CN101813707A - 压阻传感器的对称电桥测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压阻传感器的对称电桥测试系统，目的是解决单桥测试系统不能测试冲击波速度，多桥测试系统存在较大干扰的缺点。技术方案是该测试系统由N个可变电阻、N个压阻传感器、2个固定电阻、1个直流恒压电源组成，N是大于等于2的偶数；整个电路由两种类型的支路组成，第一种类型由2个固定电阻串联而成；第二种类型有N/2条支路，每条支路均由一个可变电阻和一个压阻传感器串联而成，这两种类型的所有支路并联后接在直流恒压电源上；所有压阻传感器阻值相等，灵敏度相等；两固定电阻阻值与压阻传感器的阻值相等；所有可变电阻灵敏度和阻值变化范围相同。本发明能消除实验中的干扰信号，且将压阻测试系统中低压段的使用范围扩展为0.1GPa-1GPa。

Description

压阻传感器的对称电桥测试系统

技术领域

本发明涉及冲击压缩实验测试技术中，一种轻气炮压阻法电桥测试系统。

背景技术

轻气炮实验中，压阻法是测量材料Hugoniot(雨贡纽)参数的主要手段，其基本方法是利用埋入材料不同位置处的多个压阻传感器和相应的测试系统得到材料中的压力剖面和冲击波速度，再结合测得的飞片速度拟合得到Hugoniot线进而得到Hugoniot参数。目前，压阻法实验测试系统主要包括脉冲恒流源测试系统和电桥测试系统。

一般来说，在中低压范围内(0.001GPa-1GPa)采用电桥测试系统测量Hugoniot参数。传统的电桥测试系统电路由两个固定电阻、一个可变电阻、一个压阻传感器、一个脉冲恒压源或者稳压直流电源组成。其中：第一固定电阻和第二固定电阻的阻值分别为R₁、R₂可X变电阻阻值为R₃，用于调节桥路的平衡，压阻传感器阻值为R_g，脉冲恒压电源或稳压直流电源的电动势为E。第一固定电阻和第二固定电阻串联成一个支路，可变电阻与压阻传感器串联成一个支路，两支路并联后接在直流恒压电源上。采用示波器测量压阻传感器和固定电阻之间的电压，电压值记为ΔU₀。则示波器的输出电压为：

$\mathrm{\Δ}{U}_0=\frac{(R_1{R}_g-R_2{R}_3)\mathrm{ZE}}{Z(R_g+R_3)(R_1+R_2)+R_3{R}_g(R_1+R_2)+R_1{R}_2(R_g+R_3)}---\left(1\right)$

式中：Z为电桥负载阻抗，当采用带匹配电阻的长电缆作为电桥负载时，Z等于电缆特性阻抗。

一般情况下R₁、R₂、R₃、R_g的阻值无特殊要求，但是为了使电桥最灵敏工作，通常取

R₁＝R₂＝R₃＝R_g                  (2)

故初始状态时，电桥平衡，电桥的输出ΔU₀为零。当压阻传感器受到一个压力p扰动后，其阻值由R_g变成R_g ^*，即

$R_g\stackrel{p}{\→}{R}_g+\mathrm{\ΔR}={R_g}^{*}---\left(3\right)$

式中：ΔR为压力扰动引起的电阻增量。将(3)式代入(1)式，并且当电桥的负载Z→∞时有

$\frac{\mathrm{\Δ}{U}_0}{E}\≈\frac{\mathrm{\ΔR}}{4R}---\left(4\right)$

根据(4)式，轻气炮中飞来的飞片与靶室中的样品材料碰撞后，产生一个向材料内部传播的冲击波。冲击波经过后，压阻传感器的阻值发生变化导致电桥输出电压ΔU₀的变化，由示波器记录ΔU₀的值，结合压阻传感器的压阻系数，可以计算得到样品材料中的压力剖面。

使用此系统进行中低压(0.001GPa-1GPa)范围内测量时，ΔU₀值一般非常小，只有数十mV，并且各种电测干扰导致测量波形往往存在一定的振荡，给ΔU₀值的判读带来难度，导致测量误差增大。

另外，单独使用一个传统电桥测试系统时，只能得到冲击波压力，得不到冲击波速度。为了测量冲击波速度，需要将两个或多个压阻传感器置于样品材料中不同位置，通过测量各压阻传感器之间距离以及冲击波在各个压阻传感器之间的走时得到冲击波速度，这时的测试系统叫多桥测试系统。为了减小彼此之间的干扰，每个压阻传感器各自构成一个传统的电桥测试系统接入电路，然而各个传统电桥测试系统之间仍存在串扰，主要原因有：第一，由于实验条件限制，常用一个示波器读取各个电桥的输出信号，而示波器的各通道地线之间是互相连通的，引起记录信道串扰；第二，稳压电源、示波器等器件等均需接地，导致地线之间的串扰；第三，干扰在各个传统测试系统出现的时间可能不同，导致后期无法用数值方法对干扰进行处理。

干扰的存在，使得压阻传感器的应用范围受到很大影响。理论上而言，压阻传感器在所有中低压(0.001GPa-1GPa)范围内均可使用，但是在实际应用中，当压力低于0.5GPa时，压阻传感器阻值的变化非常小，导致示波器测到的电桥电压值ΔU₀小于干扰所引起的电压变化，此时无法判读信号，传统压阻测试系统也就无法使用，即传统压阻测试系统中低压(0.001GPa-1GPa)段的实际使用范围是0.5GPa-1GPa。

发明内容

本发明要解决的问题是针对单桥测试系统不能测试冲击波速度，多桥测试系统存在较大干扰的缺点，建立基于压阻传感器的对称电桥测试系统。既能有效消除实验过程中所产生的干扰信号，提高测量精度，又可同时测得材料中冲击波速度和冲击波压力值，还将压阻测试方法在中低压下的应用范围扩展为0.1GPa-1GPa。

本发明的技术方案是：

本发明由N个可变电阻、N个压阻传感器、2个固定电阻、1个给整个电路供电的直流恒压电源组成，N是大于等于2的偶数，N由实验成本和实验要求精确度综合考虑决定，N越大测量的精度越高。整个电路由两种类型的支路组成，第一种类型只有一条支路，由2个固定电阻串联而成；第二种类型有N/2条支路，每条支路均由一个可变电阻和一个压阻传感器串联而成，且可变电阻与压阻传感器的连接顺序相同，这两种类型的所有支路并联后接在直流恒压电源上，组成一个对称电桥系统。所有压阻传感器均埋入样品材料内部不同位置，它们的阻值相等，灵敏度相等；两固定电阻阻值与压阻传感器的阻值相等。所有可变电阻灵敏度相同，阻值变化范围为0～200Ω。这样，第一种类型支路和任意一条第二类型支路构成一个电桥，固定电阻为所有电桥的共用电阻，两固定电阻之间的一个点B与任意一条第二类型支路的可变电阻和压阻传感器之间的端口D是电桥的信号输出端口。因为N为偶数，故有偶数个信号输出端口。利用示波器记录信号输出端口的电压变化。

实验开始之前，调节可变电阻使示波器监测的每个电压均为零。实验过程中，轻气炮中飞来的飞片与靶室中的样品材料碰撞后，形成在样品材料内部传播的冲击波，导致压阻传感器的阻值变化，示波器上就会有电压不为零的变化，读出电压的变化值结合压阻传感器的压阻系数即可得到样品材料内部的压力剖面。同时根据示波器各通道的电压变化时刻即得到冲击波在各个压阻传感器之间的走时，再结合埋入样品内部的各压阻传感器之间的距离即可得到冲击波速度。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明由于有偶数个电桥，且电桥对称，桥路完全平衡，能有效消除实验中的干扰信号，实验成功率高，且将压阻测试系统中低压段的使用范围扩展为0.1GPa-1GPa。

2.本发明电路结构简单，成本低廉。

附图说明

图1是背景技术所述的单桥测试系统逻辑结构图；

图2是本发明逻辑结构图；

图3是只含两个电桥的本发明逻辑结构图。

具体实施方式

图1是背景技术所述的单桥测试系统逻辑结构图。两个固定电阻1、2阻值分别为R₁、R₂，可变电阻3阻值为R₃，用于调节桥路的平衡，压阻传感器5阻值为R_g，电源7是电动势为E的脉冲恒压电源或稳压直流电源的输出电压。采用示波器测得电桥的输出电压值ΔU₀。

图2为本发明逻辑结构图。本发明由N个可变电阻3、N个压阻传感器5、2个固定电阻1、2，1个给整个电路供电的直流恒压电源7组成，N是大于等于2的偶数。整个电路由两种类型的支路组成，第一种类型只有一条支路，由2个固定电阻1、2串联而成；第二种类型有N/2条支路，每条支路均由一个可变电阻3和一个压阻传感器5串联而成，且可变电阻与传感器的连接顺序相同，这两种类型的所有支路并联后接在直流恒压电源7上，组成一个对称电桥系统。所有压阻传感器5均埋入样品材料内部不同位置，它们的阻值相等，灵敏度相等；两固定电阻阻值与压阻传感器5的阻值相等。所有可变电阻3灵敏度相同，阻值变化范围为0～200Ω。

图3是对称电桥测试系统N＝2时的电路结构图。第一固定电阻1和第二固定电阻2的阻值分别为R₁、R₂；第一可变电阻3和第二可变电阻4灵敏度相同，阻值变化范围为0～200Ω，其值分别为R₃，R₄；第一压阻传感器5、第二压阻传感器6型号相同，阻值相等、灵敏度相同，其实测阻值分别表示为R_g1，R_g2；直流恒压电源7的电动势为E，初始选择这些电位器时，使R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R_g1＝R_g2。第一固定电阻1和第二固定电阻2串联形成ABC路，可变电阻3与压阻传感器5串联形成ADC路，可变电阻4与压阻传感器6串联形成AD′C路，ABC、ADC、AD′C三路并联后接在直流恒压电源7上。端口BD、BD′为实验输出信号端口，实验时其电压信号ΔU₁、ΔU₂通过同轴电缆导出到示波器。支路ABCD和ABCD′分别为两桥路，实验前通过调节第一可变电阻3、第二可变电阻4使桥路完全平衡，此时输出信号ΔU₁、ΔU₂都将为0。

利用该对称电桥测试系统时，背景技术部分中介绍的各种原因引起的串扰能够相互抵消，所以能够得到精确的测试结果。具体的理论解释如下：

实验时，在冲击波作用下，两压阻传感器计5、6的阻值都将发生变化，记为ΔR_g1、ΔR_g2，进而引起电桥电压输出的变化ΔU₁、ΔU₂，若实验过程中不存在干扰信号，则有

$\mathrm{\Δ}{U}_1\left(t\right)\≈\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{g1}\left(t\right)E}{4R_{g1}}---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{U}_2\left(t\right)\≈\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{g2}\left(t\right)E}{4R_{g2}}---\left(6\right)$

其中t为时间。

若实验过程中存在一定的干扰，则电桥电压输出的变化ΔU₁、ΔU₂将变为

${\mathrm{\ΔU}}_1\left(t_1\right)\≈\frac{{\mathrm{\ΔR}}_{g1}\left(t_1\right)E}{{4R}_{g1}}+{\mathrm{\ΔU}}_1^{\′}\left(t_1^{\′}\right)---\left(7\right)$

${\mathrm{\ΔU}}_2\left(t_2\right)\≈\frac{{\mathrm{\ΔR}}_{g2}\left(t_2\right)E}{{4R}_{g2}}+{{\mathrm{\ΔU}}_2}^{\′}\left(t_2^{\′}\right)---\left(8\right)$

式中ΔU₁′(t)、ΔU₂′(t)为实验过程中可能存在的干扰信号。由于本发明中的两电桥ABCD、ABCD′共用固定电阻1、2，并有R₃＝R₄、R_g1＝R_g2，即电路基本上是对称的，所以干扰信号对两传感器信号的干扰时间点将会相同、干扰幅度也将会相等，即有

ΔU₁′(t′₁)＝ΔU₂′(t′₂)                    (9)

t′₁＝t′₂                                    (10)

其中t′₁，t′₂均表示时间。

将式(7)、(8)相减有

$\mathrm{\Δ}{U}_1\left(t_1\right)-\mathrm{\Δ}{U}_2\left(t_2\right)\≈\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{g1}\left(t_1\right)E}{4R_{g1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{g2}\left(t_2\right)E}{4R_{g2}}---\left(11\right)$

因此，对称电桥测试系统可以有效地消除干扰信号，与传统测试系统相比有明显的优越性。

Claims (2)

1.一种压阻传感器的对称电桥测试系统，其特征在于该测试系统由N个可变电阻(3)、N个压阻传感器(5)、2个固定电阻(1、2)、1个给整个电路供电的直流恒压电源(7)组成，N是大于等于2的偶数；整个电路由两种类型的支路组成，第一种类型只有一条支路，由2个固定电阻(1、2)串联而成；第二种类型有N/2条支路，每条支路均由一个可变电阻(3)和一个压阻传感器(5)串联而成，且可变电阻(3)与压阻传感器(5)的连接顺序相同，这两种类型的所有支路并联后接在直流恒压电源(7)上，组成一个对称电桥系统；所有压阻传感器(5)均埋入样品材料内部不同位置，它们的阻值相等，灵敏度相等；两固定电阻(1、2)阻值与压阻传感器(5)的阻值相等；所有可变电阻(3)灵敏度相同，阻值变化范围相同；第一种类型支路和任意一条第二类型支路构成一个电桥，固定电阻(1、2)为所有电桥的共用电阻，两固定电阻(1、2)之间的一个点B与任意一条第二类型支路的可变电阻(3)和压阻传感器(5)之间的端口D是电桥的信号输出端口。

2.权利要求1所述的压阻传感器的对称电桥测试系统，其特征在于所有可变电阻(3)的阻值变化范围为0～200。

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