CN102288337B - 差动电阻式传感器的测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差动电阻式传感器的测量方法和装置，该方法引入一对镜像电流(I₁、I₂)分别流经差动电阻式传感器的两端进行正向测量，将差动电阻式传感器的两端置换进行反向测量，镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，通过正向测量、反向测量分别获得差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)，再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)与镜像电流(I₁、I₂)之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。该方法能够获得理想的测量灵敏度和测量精度，提高了差动电阻式传感器的可靠性。

Description

差动电阻式传感器的测量方法和装置

技术领域

本发明涉及岩土工程的健康监测技术领域，特别是岩土工程的安全监测仪器中的差动电阻式传感器的测量方法和装置。

背景技术

在岩土工程的健康监测技术领域中，通常采用差动电阻式传感器(或称差阻式仪器)等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程的健康安全状况。

差动电阻式传感器是由两根相同材质(电阻率相同均为ρ)、相同截面积(均为s)的钢丝配对组成，两根钢丝初始长度相等，设为L，在感知外界作用力F(可以是大坝和岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等测量信号)的时候，其中一组钢丝会产生ΔL的拉伸变形，而另一组钢丝则会产生ΔL的压缩变形。在弹性范围内，

其中K为已知恒常数。而两根钢丝的电阻值分别为 $R_1=\mathrm{\ρ}\×\frac{L+\mathrm{\ΔL}}{s},R_2=\mathrm{\ρ}\×\frac{L-\mathrm{\ΔL}}{s}.$ 另设两根钢丝的初始电阻值为R，则

即R＝(R₁+R₂)/2。因此： $F=K\×\frac{\mathrm{\ΔR}}{2\×R}=K\×\frac{R_1-R_2}{R_1+R_2}=K\×\frac{R_1/R_2-1}{R_1/R_2+1}.$ 由此，外界作用力F是R₁/R₂(称作电阻比)的单一函数，通过测量R₁/R₂就能实现对F的测量。若设ΔR＝R₁-R₂，则

F是ΔR/R的单一函数，通过测量ΔR/R也同样能实现对F的测量。

目前普遍采用直接放大法或组桥法来实现差阻式仪器的测量功能，其中直接放大法采用了最直观的测量原理，通过设计简单明了的电阻测量电路，直接获得电阻R₁和电阻R₂的测值，然后通过数值计算获得ΔR和R，最后获得F的计算结果。其优点是原理直观、电路简单，但缺点是由于测量电路的处理对象不仅包含了ΔR而且还包含了固有电阻分量值R，而ΔR在数值上远小于R，导致测量灵敏度和测量精度不理想，所以测量效果不好。采用组桥法，可以直接获取ΔR数据并有效克服固定电阻分量值R对测量精度的影响，但是组桥法不能直接获得R的测值，所以需要另外增加R测量电路，这样就会增加测量电路的复杂性，此外，组桥法对配桥所需的电阻R也有较高的精度要求，故增加了电路设计难度。

岩土工程的健康安全状况监测至关重要，确保测量结果的准确性是首要任务。因此，很有必要针对差阻式仪器的工作原理，设计一种全新的测量方法，以期获得非常理想的测量灵敏度和测量精度。

发明内容

本发明针对现有的差动电阻式传感器不容易获得高精度测量结果的问题，提供一种新型的差动电阻式传感器的测量方法，该方法可以获得非常理想的测量灵敏度和测量精度。本发明还涉及一种差动电阻式传感器的测量装置。

本发明的技术方案如下：

一种差动电阻式传感器的测量方法，所述差动电阻式传感器包括两个串联的电阻(R₁、R₂)，其特征在于，引入一对镜像电流(I₁、I₂)分别流经差动电阻式传感器的两端进行正向测量，将差动电阻式传感器的两端置换进行反向测量，所述镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，通过正向测量、反向测量分别获得差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)，再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)与镜像电流(I₁、I₂)之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。

所述正向测量与反向测量通过线路选择开关电路实现，由单片机或微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向测量与反向测量，再通过放大整形以及AD转换后分别获得与正向测量及反向测量输出的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)成确定比例关系的数值(N₁、N₂)，从而获得差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)。

通过两电流源分别引入所述镜像电流(I₁、I₂)，所述两电流源负极相连，通过导线连接差动电阻式传感器的两电阻之间的节点与两电流源负极之间的节点。

所述线路选择开关电路包括电子开关或继电器开关。

一种差动电阻式传感器的测量装置，所述差动电阻式传感器包括两个串联的电阻(R₁、R₂)，其特征在于，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、AD转换器以及单片机或微处理器，所述镜像电流发生器产生一对镜像电流(I₁、I₂)并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的两端，所述镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，所述线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，线路选择开关将正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)依次通过放大整形电路和AD转换器后输入至单片机或微处理器，所述单片机或微处理器获得与正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)成确定比例关系的数值(N₁、N₂)，再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)与镜像电流(I₁、I₂)之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。

所述镜像电流发生器包括两电流源，所述两电流源产生镜像电流(I₁、I₂)并输出至差动电阻式传感器的两端，所述两电流源的负极相连，且相连的两负极之间的节点引出有导线，所述导线的另一端连接至差动电阻式传感器的两电阻之间节点。

所述线路选择开关电路与单片机或微处理器相连，单片机或微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向连接与反向连接。

所述线路选择开关电路包括电子开关或继电器开关。

所述AD转换器为高精度AD转换器。

本发明的技术效果如下：

本发明涉及的差动电阻式传感器的测量方法，差动电阻式传感器包括两个串联的电阻(R₁、R₂)，通过引入一对镜像电流(I₁、I₂)分别流经差动电阻式传感器的两端，分别通过正向测量、反向测量获得差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)，再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)与镜像电流(I₁、I₂)之间存在的确定关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，如获得R₁-R₂(即ΔR)和R₁+R₂(即2R)以及电阻比R1/R2的数值来实现外界作用力F的测量，从而实现差动电阻式传感器的测量。该测量方法由于并非直接测量固有电阻分量值R和在数值上远小于R的ΔR，故解决了现有的直接放大法存在的测量灵敏度低以及测量精度不理想的问题；同时无需组桥、增设R测量电路以及配备精度等级要求高的电阻R，故降低了测量成本，简化了电路设计，同时提高了测量精度以及提高了差动电阻式传感器的可靠性。通过引入镜像电流，有效地分离出差动电阻式传感器的固有电阻分量值R与电阻差分变化量ΔR，充分体现了差动电阻式传感器的工作原理，因此可以获得非常理想的测量灵敏度和测量精度。

本发明涉及的差动电阻式传感器的测量装置，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、AD转换器和单片机(或微处理器)，镜像电流发生器产生一对镜像电流(I₁、I₂)并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的两端，通过线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，线路选择开关将正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)依次通过放大整形电路和AD转换器后输入至单片机(或微处理器)，单片机(或微处理器)获得与正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(U₁、U₂)成确定比例关系的数值(N₁、N₂)，从而实现正向测量和反向测量，并最终获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。本发明的该装置较传统的采用直接放大法或组桥法来实现差动电阻式传感器的测量的方式能够获得更准确的高精度测量结果，提高了差动电阻式传感器的准确性和可靠性，能够满足岩土工程的安全监测对安全监测仪器的可靠性以及测量数据的准确性的严格要求。

附图说明

图1为差动电阻式传感器等效电路图。

图2为本发明差动电阻式传感器的测量方法的正向测量等效电路图。

图3为本发明差动电阻式传感器的测量方法的反向测量等效电路图。

图4为本发明涉及的差动电阻式传感器的测量装置的优选结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明公开了一种对差动电阻式传感器进行测量的方法，本实施例的被测对象是一支差动电阻式传感器，该差动电阻式传感器由两根相同材质、相同截面积的钢丝组成。差动电阻式传感器在电气上可以等效成两个串联的电阻R₁和R₂，如图1所示的等效电路图，在差动电阻式传感器的两端及两电阻之间共引出五个测量端：在差动电阻式传感器的A端引出导线1和2，在电阻R₁和R₂之间的节点C引出导线3，在差动电阻式传感器的B端引出导线4和5。

本发明的测量方法根据图1所示的差动电阻式传感器的等效电路结构，引入一对镜像电流I₁和I₂分别流经差动电阻式传感器的两端，该镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，分别通过正向测量方法、反向测量方法获得差动电阻式传感器两端的电压U_AB，获得U₁、U₂，根据获得的差动电阻式传感器两端的电压U₁、U₂的和/差计算结果与镜像电流I₁和I₂之间存在的确定关系分别计算获得ΔR和R，并最终解算出差动电阻式传感器的被测物理量，如电阻比R1/R2，从而实现差动电阻式传感器的测量功能。本发明的该测量方法可命名为镜像电流法。

正向测量方法的等效电路图如图2所示，两电流源分别引入镜像电流I₁和I₂至差动电阻式传感器AB两端，即I₁与导线1相连，I₂与导线5相连，两电流源负极相连，该相连负极之间的节点与导线3相连，差动电阻式传感器AB两端的正向测量输出电压为U₁，具体表述如式(1)：

U₁＝I₁*R₁-I₂*R₂                        (1)

反向测量方法的等效电路图如图3所示，两电流源分别引入镜像电流I₁和I₂至差动电阻式传感器AB两端，即I₁与导线5相连，I₂与导线1相连，也可以理解为，反向测量方法相对正向测量方法而言：镜像电流I₁和I₂不变，将引入的差动电阻式传感器的A、B两端置换。两电流源负极相连，该相连负极之间的节点与导线C3相连，差动电阻式传感器AB两端的反向测量输出电压为U₂，具体表述如式(2)：

U₂＝I₁*R₂-I₂*R₁                        (2)

由式(1)-式(2)得式(3)：

U₁-U₂＝(I₁+I₂)*(R₁-R₂)＝(I₁+I₂)*ΔR    (3)

由式(3)得式(4)

ΔR＝(U₁-U₂)/(I₁+I₂)                   (4)

由式(1)+式(2)得式(5)：

U₁+U₂＝(I₁-I₂)*(R₁+R₂)＝(I₁-I₂)*2R     (5)

由式(5)得式(6)

R＝(U₁+U₂)/2(I₁-I₂)                    (6)

由于I₁和I₂是已知的，所以在获得U₁和U₂的测值之后，由式(4)就能获得ΔR的数值，由式(6)可以获得R的数值，最后通过计算获得外界作用力F的计算结果。

根据差动电阻式传感器的特性，环境温度不变的情况下，R是一个恒定值，这时候就无需由式(6)进行计算，在这种情况下，可以选取I₁＝I₂。但在绝大多数情况下，环境温度的变化不可避免，R的数值会随温度小幅变化，这时候就需要进行实时测量，通过式(6)计算获得，这时候不再适合选取I₁＝I₂，而应选取近似相等，以确保式(6)有解。

测量方法中的正向测量与反向测量可以通过线路选择开关电路实现，该线路选择开关电路可以通过单片机(或微处理器)控制，线路选择开关电路可包括电子开关或继电器开关。由单片机(或微处理器)发出指令控制线路选择开关电路选择正向测量与反向测量，如单片机(或微处理器)发出指令控制线路选择开关电路，先按图2所示的等效电路图进行正向测量，图2电路的输出电压信号U₁，然后进行放大整形，再经过AD转换后，获得对应的数值N₁，完成正向测量过程；单片机(或微处理器)发出指令控制线路选择开关电路，按图3所示的等效电路图进行反向测量，图3电路的输出信号U₂，经放大整形以及AD转换后，获得对应的数值N₂，完成反向测量过程。一旦放大整形与AD转换确定后，N₁与U₁之间以及N₂与U₂之间就存在确定的比例关系，单片机或微处理器能够推算获得U₁、U₂，假设比例系数为k，则N₁＝k×U₁，N₂＝k×U₂。由式(4)，ΔR＝(N₁-N₂)/k(I₁+I₂)，由于k，I₁，I₂均是已知量，所以经过单片机(或微处理器)的数值计算，即可获得ΔR的数值计算结果。由公式(6)，R＝(N₁+N₂)/2k(I₁-I₂)，经过单片机(或微处理器)的数值计算，即可获得R的数值计算结果。最终根据外界作用力F与ΔR/R之间存在的确定关系解算出F的数值结果。

如本实施例中，如I₁＝6mA，I₂＝5mA，k＝106/v，通过正向测量过程获得N₁＝45000，通过反向测量过程获得N₂＝40000，则ΔR＝0.45Ω，R＝42.5Ω。同时得：R₁/R₂＝10106.4×10^-4，R₁+R₂＝85.00Ω。计算得到的电阻比R₁/R₂符合国家规范的0.8～1.2之间。在K已知的情况下，按照公式

就能计算出F的数值。

本发明还涉及一种差动电阻式传感器的测量装置，该测量装置优选结构示意图如图4所示，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、高精度AD转换器以及微处理器(也可以选择单片机或其它核心处理部件)。其中，镜像电流发生器的结构如图2或图3的除差动电阻式传感器外的部分，包括两电流源，该两电流源产生镜像电流I₁和I₂并输出至差动电阻式传感器的A、B两端，两电流源的负极相连，且相连的两负极之间的节点引出有导线，所述导线的另一端用于连接至差动电阻式传感器的两电阻之间节点C，也可以理解为从差动电阻式传感器的两电阻之间节点C引出的导线3连接至两电流源的负极之间的节点。

镜像电流发生器产生一对镜像电流I₁和I₂并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的A、B两端，镜像电流I₁和I₂大小相等或近似相等，方向相反，线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，线路选择开关电路也可以选择电子开关或继电器开关，本实施例的线路选择开关电路与微处理器相连，微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向连接，此时镜像电流发生器与差动电阻式传感器按图2所示的等效电路图进行正向连接，图2电路的输出电压信号U₁，即电压信号U₁输入至放大整形电路进行放大整形，再经过高精度AD转换器后，微处理器获得对应的数值N₁，完成正向测量过程；微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择反向连接，此时镜像电流发生器与差动电阻式传感器按图3所示的等效电路图进行反向连接，图3电路的输出电压信号U₂，即电压信号U₂输入至放大整形电路进行放大整形，再经过高精度AD转换器后，微处理器获得对应的数值N₂，完成正向测量过程。微处理器获得的数值N₁和N₂分别与差动电阻式传感器两端的电压U₁和U₂成确定比例关系k，故能够获得差动电阻式传感器两端的电压U₁和U₂，再根据式(4)和式(6)所示的U₁和U₂与镜像电流I₁和I₂之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，即可获得ΔR以及R的数值计算结果，还能够算出国标规定的电阻比R₁/R₂的数值，最终根据外界作用力F与ΔR/R之间存在的确定关系解算出F的数值结果，以实现差动电阻式传感器的测量。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (7)

1.一种差动电阻式传感器的测量方法，所述差动电阻式传感器包括两个串联的电阻（R₁、R₂），其特征在于，引入一对镜像电流（I₁、I₂）分别流经差动电阻式传感器的两端进行正向测量，通过两电流源分别引入所述镜像电流（I₁、I₂），所述两电流源负极相连，通过导线连接差动电阻式传感器的两电阻之间的节点与两电流源负极之间的节点；将差动电阻式传感器的两端置换进行反向测量，所述镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，通过正向测量、反向测量分别获得差动电阻式传感器两端的电压（U₁、U₂），再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压（U₁、U₂）与镜像电流（I₁、I₂）之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述正向测量与反向测量通过线路选择开关电路实现，由单片机或微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向测量与反向测量，再通过放大整形以及AD转换后分别获得与正向测量及反向测量输出的差动电阻式传感器两端的电压（U₁、U₂）成确定比例关系的数值（N₁、N₂），从而获得差动电阻式传感器两端的电压（U₁、U₂）。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述线路选择开关电路包括电子开关或继电器开关。

4.一种差动电阻式传感器的测量装置，所述差动电阻式传感器包括两个串联的电阻（R₁、R₂），其特征在于，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、AD转换器以及单片机或微处理器，所述镜像电流发生器产生一对镜像电流（I₁、I₂）并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的两端，所述镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，所述线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，所述镜像电流发生器包括两电流源，所述两电流源产生镜像电流（I₁、I₂）并输出至差动电阻式传感器的两端，所述两电流源的负极相连，且相连的两负极之间的节点引出有导线，所述导线的另一端连接至差动电阻式传感器的两电阻之间节点；线路选择开关将正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压（U₁、U₂）依次通过放大整形电路和AD转换器后输入至单片机或微处理器，所述单片机或微处理器获得与正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压（U₁、U₂）成确定比例关系的数值（N₁、N₂），再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压（U₁、U₂）与镜像电流（I₁、I₂）之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。

5.根据权利要求4所述的差动电阻式传感器的测量装置，其特征在于，所述线路选择开关电路与单片机或微处理器相连，单片机或微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向连接与反向连接。

6.根据权利要求5所述的差动电阻式传感器的测量装置，其特征在于，所述线路选择开关电路包括电子开关或继电器开关。

7.根据权利要求4所述的差动电阻式传感器的测量装置，其特征在于，所述AD转换器为高精度AD转换器。

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