CN106248045A - 一种抗强电磁干扰的应变测量系统 - Google Patents

一种抗强电磁干扰的应变测量系统 Download PDF

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周海滨
张永民
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    • G01N3/02—Details

Abstract

本发明公开了一种抗强电磁干扰的应变测量系统，主要包括：前端磁场补偿应变探头、双层屏蔽电缆以及后端信号处理电路及记录设备。其中，前端磁场补偿应变探头主要包括工作片、补偿片和屏蔽壳，用于补偿环境中的强电磁干扰与温度干扰；屏蔽壳用于保护应变片并减少高频电磁干扰，提高测量准确性。后端应变信号处理电路及记录设备包括惠斯通双臂电桥、五阶巴特沃斯低通滤波器、电压跟随器、A/D转换器以及终端记录设备。其中，五阶巴特沃斯低通滤波器的截止频率为10kHz，用于进一步滤除高频电磁干扰；电压跟随器用于隔离电磁脉冲电涌，保护后端设备。通过前端补偿、传输屏蔽及后端滤波三个技术手段，实现应变信号的安全准确测量。

Description

一种抗强电磁干扰的应变测量系统
【技术领域】
本发明属于高功率脉冲测量领域，涉及一种抗强电磁干扰的应变测量系统。
【背景技术】
基于高功率脉冲技术，在井筒中应用电脉冲装置产生冲击波，当冲击波的幅值大于岩石的疲劳断裂强度并持续一段时间，就可以将岩石致裂。研究中需要检测在岩层中传播的冲击波幅值、脉宽、应变等非电量信息。其中，应变测量作为一种分析和研究机械强度的测量手段，在保证机械设备安全运行、实现自动化检测和控制等诸多领域占据着重要地位。
基于欧姆定律，英国的惠斯顿(C Wheatstone)于1843年发明了惠斯通电桥，它是至今仍被采用的标准应变测量电路。1856年，威廉汤姆逊(William Thomson)发现在外力作用下金属电阻丝会发生电阻值变化。1938年，美国加利福尼亚理工学院的西蒙斯(E.E.Simmons)教授和麻省理工学院的鲁奇(A.C.Ruge)教授发明粘贴式金属应变片，随之便出现了专业的应变测量仪器。1943年，Hathway根据载波调幅原理研制出了电阻应变仪。随着电阻应变计在工程技术领域中的广泛应用，应变仪的种类逐渐增多。近年来，随着虚拟仪器技术的快速发展，涌现出了大批虚拟仪器产品，使得应变测量跃上了一个新台阶。
尽管如此，在某些强电磁干扰环境中，应变测量技术仍存在一定问题。例如，使用脉冲放电冲击波法进行储层改造时，电脉冲装置将电能转换为冲击波能量，高电压、大电流放电伴随着强电磁脉冲辐射，给应变测量造成极大干扰。因为，应变探头恰恰构成了拾取强电磁脉冲的回路，由于电磁感应定律，回路中将产生远大于待测应变信号的电磁脉冲，此电磁脉冲将有可能毁坏测量设备。因此，为了实现强电磁干扰环境中的应变测量安全性和准确性，迫切需要一种新型抗强电磁干扰的应变测量系统。
【发明内容】
针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种抗强电磁干扰的应变测量系统，使得测量系统拾取尽量小的电磁干扰，并将拾取的干扰信号有效滤除，从而实现强电磁环境中应变测量的安全性和准确性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种抗强电磁干扰的应变测量系统，包括依次通过双层双芯屏蔽电缆连接的前端磁场补偿应变探头、惠斯通电桥盒、应变信号调理电路、A/D转换器以及终端记录设备；双层双芯屏蔽电缆的双芯分别与惠斯通电桥盒的两个上邻臂相连；惠斯通电桥盒连接5V直流电源；应变信号调理电路有五阶巴特沃斯滤波放大器和电压跟随器组成。
本发明进一步的改进在于：
所述前端磁场补偿应变探头包括金属屏蔽壳、补偿应变片、工作应变片、基底胶、聚四氟乙烯薄膜套、引线焊接端子、应变片引出线、屏蔽电缆接地层、屏蔽电缆编织屏蔽层以及屏蔽电缆双芯传输线；补偿应变片用聚四氟乙烯薄膜套包裹，且置于工作应变片的正上方；工作应变片和引线焊接端子用基底胶粘结在被测试件的表面；补偿应变片和工作应变片分别通过应变片引出线与引线焊接端子相连；应变片引出线与屏蔽电缆双芯传输线经引线焊接端子通过焊接工艺相连。
所述屏蔽电缆接地层、屏蔽电缆编织屏蔽层以及屏蔽电缆双芯传输线为同轴包覆结构，屏蔽电缆接地层接地。
所述金属屏蔽壳罩在工作片、补偿片以及引线焊接端子外，出线槽与屏蔽电缆接地层对正，底端与基底胶在同一平面内。
所述惠斯通电桥盒的外壳为金属壳，并接地。
所述终端记录设备为电脑或示波器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种抗强电磁干扰的应变测量系统，通过前端补偿、传输屏蔽以及后端滤波等技术手段，有效降低了外界强电磁场对应变输出信号的影响，既保证应变测量过程中的设备安全，又使应变测量结果更加准确可靠。
【附图说明】
图1为本发明抗强电磁干扰的应变测量系统结构示意图；
图2为本发明测量系统中前端磁场补偿应变探头的结构示意图。
其中，1-1为前端补偿应变探头；1-2为双层双芯屏蔽电缆；1-3为惠斯通电桥盒；1-4为应变信号调理电路；1-5为A/D转换器；1-6为终端记录设备；2-1为金属屏蔽壳；2-2为补偿应变片；2-3为工作应变片；2-4为基底胶；2-5为聚四氟乙烯薄膜套；2-6为引线焊接端子；2-7为应变片引出线；2-8为屏蔽电缆接地层；2-9为屏蔽电缆编织屏蔽层；2-10为屏蔽电缆双芯传输线。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明抗强电磁干扰的应变测量系统，包括依次通过双层双芯屏蔽电缆1-2连接的前端磁场补偿应变探头1-1、惠斯通电桥盒1-3、应变信号调理电路1-4、A/D转换器1-5以及终端记录设备1-6；双层双芯屏蔽电缆1-2的双芯分别与惠斯通电桥盒1-3的两个上邻臂相连；惠斯通电桥盒1-3连接5V直流电源；应变信号调理电路1-4有五阶巴特沃斯滤波放大器和电压跟随器组成。惠斯通电桥盒1-3的外壳为金属壳，并接地。终端记录设备为电脑或示波器。五阶巴特沃斯滤波放大器包括、AD620芯片、16/47/56/75/120kΩ电阻、1nF电容、±15V直流开关电源以及OP07或OP77，其低通截止频率为10kHz。电压跟随器包括±15V直流开关电源以及OP07或OP77。
前端磁场补偿应变探头1-1包括金属屏蔽壳2-1、补偿应变片2-2、工作应变片2-3、基底胶2-4、聚四氟乙烯薄膜套2-5、引线焊接端子2-6、应变片引出线2-7、屏蔽电缆接地层2-8、屏蔽电缆编织屏蔽层2-9以及屏蔽电缆双芯传输线2-10；补偿应变片2-2用聚四氟乙烯薄膜套2-5包裹，且置于工作应变片2-3的正上方；工作应变片2-3和引线焊接端子2-6用基底胶2-4粘结在被测试件的表面；补偿应变片2-2和工作应变片2-3分别通过应变片引出线2-7与引线焊接端子2-6相连；应变片引出线2-7与屏蔽电缆双芯传输线2-10经引线焊接端子2-6通过焊接工艺相连。屏蔽电缆接地层2-8、屏蔽电缆编织屏蔽层2-9以及屏蔽电缆双芯传输线2-10为同轴包覆结构，屏蔽电缆接地层2-8接地。金属屏蔽壳2-1罩在工作片2-3、补偿片2-2以及引线焊接端子2-6外，出线槽与屏蔽电缆接地层2-8对正，底端与基底胶2-4在同一平面内。
使用时，需先将前端补偿应变探头按照应变片粘贴标准工艺，粘贴于被测试件表面，固化24小时后，检测应变片引出线2-7处的电阻值与探头的绝缘电阻，无误后方能用双层双芯屏蔽电缆1-2引出信号。
将惠斯通电桥盒1-3、应变信号调理电路1-4、A/D转换器1-5及终端记录设备1-6置于屏蔽室内，保证各设备外壳有效接地，保证电缆连接通路。
测量时，保证惠斯通电桥盒1-3、应变信号调理电路1-4、A/D转换器1-5及终端记录设备1-6提前上电预热约半个小时，再通过终端上的上位机软件调节零漂后，进行正负应变校准，校准后，即可用于应变测量。
本发明的工作过程及原理为：
当应变测量环境中存在强电磁干扰时，前端应变片的金属回路中将感应出电动势，此时工作应变片将提供应变信号、温变信号及感应电动势信号，而补偿应变片由于处于光滑的聚四氟乙烯薄膜中，只提供温变信号和感应电动势信号。再通过惠斯通电桥邻臂变化相抵消的电路特性，可以将温变信号和感应电动势信号抵消掉。经过惠斯通电桥后，原应变信号可以转化为几十毫伏的电压值。由于实际操作中，工作片与补偿片的不完全重叠以及探头出线处的电磁感应效应，仍有部分电磁干扰进入后端信号处理电路。这时，再通过五阶巴特沃斯低通滤波放大器将大于截止频率的高频电磁干扰进一步滤除，并由于巴特沃斯滤波函数的通带最平缓特性，最大限度地保持应变信号对应的电压信号完整通过并被放大至几个伏特。最后，应变信号经由电压跟随器、A/D转换器后，将模拟信号转化成数字信号，最终到达终端记录设备。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗强电磁干扰的应变测量系统，其特征在于，包括依次通过双层双芯屏蔽电缆(1-2)连接的前端磁场补偿应变探头(1-1)、惠斯通电桥盒(1-3)、应变信号调理电路(1-4)、A/D转换器(1-5)以及终端记录设备(1-6)；双层双芯屏蔽电缆(1-2)的双芯分别与惠斯通电桥盒(1-3)的两个上邻臂相连；惠斯通电桥盒(1-3)连接5V直流电源；应变信号调理电路(1-4)有五阶巴特沃斯滤波放大器和电压跟随器组成。
2.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的应变测量系统，其特征在于，所述前端磁场补偿应变探头(1-1)包括金属屏蔽壳(2-1)、补偿应变片(2-2)、工作应变片(2-3)、基底胶(2-4)、聚四氟乙烯薄膜套(2-5)、引线焊接端子(2-6)、应变片引出线(2-7)、屏蔽电缆接地层(2-8)、屏蔽电缆编织屏蔽层(2-9)以及屏蔽电缆双芯传输线(2-10)；补偿应变片(2-2)用聚四氟乙烯薄膜套(2-5)包裹，且置于工作应变片(2-3)的正上方；工作应变片(2-3)和引线焊接端子(2-6)用基底胶(2-4)粘结在被测试件的表面；补偿应变片(2-2)和工作应变片(2-3)分别通过应变片引出线(2-7)与引线焊接端子(2-6)相连；应变片引出线(2-7)与屏蔽电缆双芯传输线(2-10)经引线焊接端子(2-6)通过焊接工艺相连。
3.根据权利要求2所述的抗强电磁干扰的应变测量系统，其特征在于，所述屏蔽电缆接地层(2-8)、屏蔽电缆编织屏蔽层(2-9)以及屏蔽电缆双芯传输线(2-10)为同轴包覆结构，屏蔽电缆接地层(2-8)接地。
4.根据权利要求2所述的抗强电磁干扰的应变测量系统，其特征在于，所述金属屏蔽壳(2-1)罩在工作片(2-3)、补偿片(2-2)以及引线焊接端子(2-6)外，出线槽与屏蔽电缆接地层(2-8)对正，底端与基底胶(2-4)在同一平面内。
5.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的应变测量系统，其特征在于，所述惠斯通电桥盒(1-3)的外壳为金属壳，并接地。
6.根据权利要求1所述的抗强电磁干扰的应变测量系统，其特征在于，所述终端记录设备为电脑或示波器。
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