CN106813813A - 一种可自动应变调零的应变调理装置 - Google Patents

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孙海波
吴瑞斌
王晓斌
赵萌
陈南
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Tianjin Aerospace Ruilai Technology Co Ltd
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Abstract

本发明属于应变信号调理设计技术领域，具体涉及一种可自动应变调零的应变调理装置，包括信号变换单元、滤波与驱动单元、应变调零单元、系统及桥压电源单元四部分，应变传感器将信号传入信号变换单元，信号变换单元将系统及桥压电源单元的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；放大后的信号传至滤波与驱动单元，实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；应变调零单元用于在固定的时刻从滤波与驱动单元采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元；系统及桥压电源单元为系统及应变桥路供电；自动应变调零功能，无需外部控制，简单可靠；电路完全独立，一路出现故障不会影响其它路信号。

Description

一种可自动应变调零的应变调理装置
技术领域
本发明属于应变信号调理设计技术领域，具体涉及一种可自动应变调零的应变调理装置。
背景技术
在某些火箭、飞行器试验中，需要测量某些关键结构部位的载荷，如压力、拉力、扭矩、弯矩等，一般采用粘贴应变片组成电桥的方式，通过测量桥路应变，并结合地面标定试验的数据来计算实际中的载荷。
应变桥路输出的电压很小，为毫伏量级，需要对桥路电压放大几百倍甚至几千倍，由此带来输出零位、温漂、噪声等一系列问题。在安装应变片时，不可避免会存在安装误差，如果安装误差较大，经电路放大后，输出信号有可能超出电路的输出范围；并且，电路工作后需要一定时间才进入热平衡，热平衡之后模拟电路工作才会相对稳定，所以需要对应变调理电路进行调零，以保证在没有载荷时，电路的输出为零位。
同时，应变信号电缆长度较长，应变调理电路的增益较大，会引入外界噪声，应变信号的有用信号频率一般较低，几十赫兹至上百赫兹，而噪声一般为高频干扰，所有设计低通滤波器可以降低噪声水平。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种可对应变桥路进行放大、滤波与驱动，并能自动应变调零的应变调理装置。
本发明的技术方案是这样解决的
一种可自动应变调零的应变调理装置，包括信号变换单元、滤波与驱动单元、应变调零单元、系统及桥压电源单元四部分，应变传感器共有6路进行信号传输，应变传感器将信号传入信号变换单元，信号变换单元将系统及桥压电源单元的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；
放大后的信号传至滤波与驱动单元，滤波与驱动单元实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；
应变调零单元用于在固定的时刻从滤波与驱动单元采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元；
系统及桥压电源单元实现为应变传感器、信号变换单元、滤波与驱动单元、应变调零单元及应变桥路供电。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述信号变换单元采用两级放大电路，第一级采用仪表放大器，将电桥信号转化为电压信号，放大倍数通过电阻RG调节；第二级采用反向放大电路，固定放大10倍。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述信号变换单元的电路结构为：信号输入接口JS1-CON2包括两个管脚，其中，管脚2依次连接电阻R1、仪表放大器AD627的反向输入端2，管脚1依次连接电阻R2、仪表放大器AD627的同向输入端3；仪表放大器AD627共有8个管脚；
电阻R3一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3；
电容Cb2一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2与电阻R3之间，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3与电阻R3之间；
电容Cb1一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627反向输入端2之间；
电容Cb3一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627同向输入端3之间；
电阻RG一端连接仪表放大器AD627的管脚1，另一端连接仪表放大器AD627的管脚8，控制仪表放大器AD627的放大倍数；
仪表放大器AD627的管脚4接地，仪表放大器AD627的管脚7连接V5.5的来自系统及桥压电源单元的供电单元，电容PC11一端接地，一端连接在V5.5供电单元与仪表放大器AD627的管脚7之间；
仪表放大器AD627的管脚5连接基准信号输入DA1，用来进行调零；
仪表放大器AD627输出端6依次连接电阻R4和运算放大器U12A的反向输入端2，基准电压REF2.5V依次连接电阻R6和运算放大器U12A的同向输入端3；
电阻R5一端连接在电阻R4和运算放大器U12A反向输入端2之间，另一端连接在运算放大器U12A输出端1；
电容cw1与电阻R5串联；运算放大器U12A的管脚4接地，运算放大器U12A的管脚8与V5.5的供电单元连接，电容PC12一端接地，另一端连接在运算放大器U12A的管脚8和V5.5的供电单元之间。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述滤波与驱动单元采用8阶开关电容巴特沃兹低通滤波器MAX291，低通截止频率由系统设定设置。
一种可自动应变调零的应变调理装置，滤波与驱动单元中的驱动器clk7400q连接8阶低通滤波器MAX291的时钟管脚CLK管脚，V1先连接电阻R7再连至8阶低通滤波器MAX291的输入管脚IN管脚，V5.5的供电单元先连接电阻RL3再连至8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚，电阻RL2一端接地，另一端连接在电阻RL3和8阶低通滤波器MAX291的GND管脚之间，电容LC1一端接地，另一端连接在电阻RL2和8阶低通滤波器MAX291的GND管脚之间；
电容cw2一端连接8阶低通滤波器MAX291的V+管脚，另一端接地；
8阶低通滤波器MAX291的输出管脚OPOUT管脚与8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚相连，信号从8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚传送至8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚；
8阶低通滤波器MAX291的V-管脚接地；8阶低通滤波器MAX291的OUT管脚连接至运算放大器U12B的同向输入端5；串联的电阻R9和电阻R10一端接地，另一端接在运算放大器U12B的同向输入端5与8阶低通滤波器MAX291的OUT之间；
运算放大器U12B的输出端7连接电阻R11；运算放大器U12B的反向输入端6连接至运算放大器U12B的输出端7与电阻R11之间，在运算放大器U12B的反向输入端6和运算放大器U12B的输出端7之间设置有电阻R8；
电容cw2一端连接在运算放大器U12B的反向输入端6与电阻R8之间，另一端连接在运算放大器U12B的输出端7与电阻R8之间；
运算放大器U13A的同向输入端3连接在电阻R9和电阻R10之间，运算放大器U13A的反向输入端2与运算放大器U13A的输出端1相连，电阻R12连接在运算放大器U13A的反向输入段2和运算放大器U13A的输出端1之间；运算放大器U13A的管脚4接地，运算放大器U13A的管脚8连接V5.5供电单元，电容C1一端接地，另一端连接在运算放大器U13A的管脚8与V5.5供电单元之间。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述系统及桥压电源采用初级电源和次级电源两级电源，首先是电压为15V的供电供给初级电源，两个次级电源再接收电压为8V的来自初级电源的供电，一个次级电源为系统供电，电压为5.5V，另一个次级电源为电桥供电，电压为5V；两级电源均采用线性稳压电路。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述应变调零单元在上电后30分钟和120分钟，CPU内部AD采集输出的电压，并采用调零算法，使用DA调整至仪表放大器的基准管脚，最终将输出电压调整至零位，完成自动应变平衡。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述应变调零单元具有6路应变调理通道，各通道之间相互独立。
本发明的有益效果在于：
(1)自动应变调零，无需外部控制，简单可靠；
(2)应变调理通道的桥路供电、信号放大、滤波、驱动、调零等电路完全独立，一路出现故障不会影响其它路信号；
(3)输入信号为全桥输入，外接电阻可以实现1/2桥或1/4桥输入，输出信号为0V-5V标准输出；
(4)可以滤除高频干扰，降低噪声水平；
(5)抗冲击，抗震动，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的系统组成。
图2为信号变换单元电路。
图3为滤波与驱动单元电路。
图4应变调零单元组成。
图中：1、应变传感器；2、信号变换单元；3、系统及桥压电源；4、滤波与驱动单元；5、应变调零单元；6、AD采集；7、CPU；8、DA输出；9、仪表放大器AD627的5脚
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明的自动应变调零的应变调理装置由信号变换单元2、滤波与驱动单元4、应变调零单元5、系统及桥压电源单元3四部分构成。
应变传感器1共有6路进行信号传输，应变传感器1将信号传入信号变换单元2，信号变换单元2可将系统及桥压电源单元3的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；再将放大后的信号传至滤波与驱动单元4，滤波与驱动单元4实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；应变调零单元5用于在固定的时刻从滤波与驱动单元4采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元2；系统及桥压电源3实现为应变传感器1、信号变换单元2、滤波与驱动单元4、应变调零单元5及应变桥路供电。
信号变换单元2的电路图如图2所示，仪表放大器AD627共8个管脚，信号输入接口JS1-CON2包括两个管脚,JS1-CON2的管脚2先连接电阻R1再连至仪表放大器AD627的反向输入端2，JS1-CON2的管脚1先连接电阻R2再连至仪表放大器AD627的同向输入端3；电阻R3一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3；电容Cb2一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2与电阻R3之间，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3与电阻R3之间；电容Cb1一端接地，一端连接电阻R3与仪表放大器AD627反向输入端2之间，电容Cb3一端接地，一端连接电阻R3与仪表放大器AD627同向输入端3之间；电阻RG一端连接仪表放大器AD627的管脚1，另一端连接仪表放大器AD627的管脚8，进行控制仪表放大器AD627的放大倍数；仪表放大器AD627的管脚4接地，仪表放大器AD627的管脚7连接V5.5的供电单元，电容PC11一端接地，一端连接在V5.5来自系统及桥压电源3的供电单元与仪表放大器AD627的管脚7之间；仪表放大器AD627的管脚5连接基准信号输入DA1，用来进行调零；
仪表放大器AD627输出端6先连接电阻R4再连至运算放大器U12A的反向输入端2，REF2.5V先连接电阻R6再连至运算放大器U12A的同向输入端3；电阻R5一端连接在电阻R4和运算放大器U12A反向输入端2之间，另一端连接在运算放大器U12A输出端1；电容cw1与电阻R5串联；运算放大器U12A的管脚4接地，运算放大器U12A的管脚8与V5.5的供电单元连接，电容PC12一端接地，另一端连接在运算放大器U12A的管脚8和V5.5的供电单元之间。
信号变换电路由两级放大电路组成：第一级由仪表放大器AD627实现，放大倍数由外接电阻RG设定；第二级由运算放大器OP284实现反向放大电路，固定增益为10倍。其中R1、R2、Cb1、Cb2、Cb3组成滤波电路，起滤除RF干扰的作用；电阻R3阻值为20M欧姆，防止输入浮动，当信号输入电缆断路时，为仪表放大器AD627提供有效的输入状态，使得AD627输出为零位。AD627的5脚为基准输入引脚，可调整该引脚的电压实现应变调零。
滤波与驱动单元3的电路图如图3所示，驱动器clk7400q连接8阶低通滤波器MAX291的时钟管脚CLK管脚，V1先连接电阻R7再连至8阶低通滤波器MAX291的输入管脚IN管脚，V5.5的供电单元先连接电阻RL3再连至8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚，电阻RL2一端接地，另一端连接在电阻RL3和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间，电容LC1一端接地，另一端连接在电阻RL2和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间；
电容cw2一端连接8阶低通滤波器MAX291的V+管脚，另一端接地；8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚与8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚相连，信号从8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚传送至8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚；8阶低通滤波器MAX291的V-管脚接地；8阶低通滤波器MAX291的OUT管脚连接至运算放大器U12B的同向输入端5；串联的电阻R9和电阻R10一端接地，另一端接在运算放大器U12B的同向输入端5与8阶低通滤波器MAX291的OUT之间；运算放大器U12B的输出端7连接电阻R11；运算放大器U12B的反向输入端6连接至运算放大器U12B的输出端7与电阻R11之间，在运算放大器U12B的反向输入端6和运算放大器U12B的输出端7之间设置有电阻R8；电容cw2一端连接在运算放大器U12B的反向输入端6与电阻R8之间，另一端连接在运算放大器U12B的输出端7与电阻R8之间；
运算放大器U13A的同向输入端3连接在电阻R9和电阻R10之间，运算放大器U13A的反向输入端2与运算放大器U13A的输出端1相连，电阻R12连接在运算放大器U13A的反向输入段2和运算放大器U13A的输出端1之间；运算放大器U13A的管脚4接地，运算放大器U13A的管脚8连接V5.5供电单元，电容C1一端接地，另一端连接在运算放大器U13A的管脚8与V5.5供电单元之间。
滤波与驱动单元4中滤波电路由8阶开关电容巴特沃兹低通滤波器MAX291实现，低通截止频率可由CPU管脚输出地固定频率的时钟设置。末级驱动电路由运算放大器OP284实现电压跟随，其中OUT1信号为输出信号，AD_IN1信号送至CPU进行AD采集，由于CPU的AD采集范围为0V-3.3V，采用R9和R10分压后在经过OP284电压跟随送至CPU的AD输入接口。
如图4，应变调零单元5由AD采集、CPU和DA输出3部分组成，其中AD采集使用CPU内部集成的六路AD转换器，DA采用12位8通道DA转换器AD5328其中的六路来实现，最终输出至仪表放大器AD627的5脚。应变调零的目标是调整DA输出值，使得AD采集的电压为零位2.5V。采用2分法进行应变调零：首先DA输出中值M/2(对于12位DA，M＝4096)，如果AD采集值大于零位电压，则调整DA输出为M/2和M的中值即(3×M)/4；如果AD采集值小于零位电压，则调整DA输出为M/2和0的中值即M/4；以这种方式调整11次，即可将零位调整至2.5V附近。
系统及桥压电源3采用两级电源，首先是电压为15V供电供给初级电源，两个次级电源再接收电压为8V的来自初级电源的供电，一个次级电源为系统供电，电压为5.5V，另一个次级电源为电桥供电，电压为5V；两级电源均采用线性稳压电路，以降低电源噪声，提高信号质量。
本发明的自动应变调零的应变调理装置可实现6个通道应变信号的变换、放大、滤波、调零等功能，可将应变信号变换为标准的0-5V电压信号。该应变调理装置具有可自动应变调零、线性度好、低噪声、低零漂、低温漂、可靠性高、体积小等特点，可应用于航空、航天等高可靠性要求的压力、拉力、扭矩、弯矩等载荷测量领域，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

Claims (8)

1.一种可自动应变调零的应变调理装置，包括信号变换单元(2)、滤波与驱动单元(4)、应变调零单元(5)、系统及桥压电源单元(3)四部分，其特征在于：
应变传感器(1)共有6路进行信号传输，应变传感器(1)将信号传入信号变换单元(2)，信号变换单元(2)将系统及桥压电源单元(3)的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；
放大后的信号传至滤波与驱动单元(4)，滤波与驱动单元(4)实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；
应变调零单元(5)用于在固定的时刻从滤波与驱动单元(4)采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元(2)；
系统及桥压电源单元(3)实现为应变传感器(1)、信号变换单元(2)、滤波与驱动单元(4)、应变调零单元(5)及应变桥路供电。
2.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述信号变换单元(2)采用两级放大电路，第一级采用仪表放大器，将电桥信号转化为电压信号，放大倍数通过电阻RG调节；第二级采用反向放大电路，固定放大10倍。
3.如权利要求1、2所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述信号变换单元(2)的电路结构为：信号输入接口JS1-CON2包括两个管脚，其中，管脚2依次连接电阻R1、仪表放大器AD627的反向输入端2，管脚1依次连接电阻R2、仪表放大器AD627的同向输入端3；仪表放大器AD627共有8个管脚；
电阻R3一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3；
电容Cb2一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2与电阻R3之间，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3与电阻R3之间；
电容Cb1一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627反向输入端2之间；
电容Cb3一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627同向输入端3之间；
电阻RG一端连接仪表放大器AD627的管脚1，另一端连接仪表放大器AD627的管脚8，控制仪表放大器AD627的放大倍数；
仪表放大器AD627的管脚4接地，仪表放大器AD627的管脚7连接V5.5的来自系统及桥压电源单元(3)的供电单元，电容PC11一端接地，一端连接在V5.5供电单元与仪表放大器AD627的管脚7之间；
仪表放大器AD627的管脚5连接基准信号输入DA1，用来进行调零；
仪表放大器AD627输出端6依次连接电阻R4和运算放大器U12A的反向输入端2，基准电压REF2.5V依次连接电阻R6和运算放大器U12A的同向输入端3；
电阻R5一端连接在电阻R4和运算放大器U12A反向输入端2之间，另一端连接在运算放大器U12A输出端1；
电容cw1与电阻R5串联；运算放大器U12A的管脚4接地，运算放大器U12A的管脚8与V5.5的供电单元连接，电容PC12一端接地，另一端连接在运算放大器U12A的管脚8和V5.5的供电单元之间。
4.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述滤波与驱动单元(3)采用8阶开关电容巴特沃兹低通滤波器MAX291，低通截止频率由系统设定设置。
5.如权利要求1、4所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：滤波与驱动单元(3)中的驱动器clk7400q连接8阶低通滤波器MAX291的时钟管脚CLK管脚，V1先连接电阻R7再连至8阶低通滤波器MAX291的输入管脚IN管脚，V5.5的供电单元先连接电阻RL3再连至8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚，电阻RL2一端接地，另一端连接在电阻RL3和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间，电容LC1一端接地，另一端连接在电阻RL2和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间；
电容cw2一端连接8阶低通滤波器MAX291的V+管脚，另一端接地；
8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚与8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚相连，信号从8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚传送至8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚；
8阶低通滤波器MAX291的V-管脚接地；8阶低通滤波器MAX291的OUT管脚连接至运算放大器U12B的同向输入端5；串联的电阻R9和电阻R10一端接地，另一端接在运算放大器U12B的同向输入端5与8阶低通滤波器MAX291的OUT之间；
运算放大器U12B的输出端7连接电阻R11；运算放大器U12B的反向输入端6连接至运算放大器U12B的输出端7与电阻R11之间，在运算放大器U12B的反向输入端6和运算放大器U12B的输出端7之间设置有电阻R8；
电容cw2一端连接在运算放大器U12B的反向输入端6与电阻R8之间，另一端连接在运算放大器U12B的输出端7与电阻R8之间；
运算放大器U13A的同向输入端3连接在电阻R9和电阻R10之间，运算放大器U13A的反向输入端2与运算放大器U13A的输出端1相连，电阻R12连接在运算放大器U13A的反向输入段2和运算放大器U13A的输出端1之间；运算放大器U13A的管脚4接地，运算放大器U13A的管脚8连接V5.5供电单元，电容C1一端接地，另一端连接在运算放大器U13A的管脚8与V5.5供电单元之间。
6.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述系统及桥压电源(3)采用初级电源和次级电源两级电源，首先是电压为15V的供电供给初级电源，两个次级电源再接收电压为8V的来自初级电源的供电，一个次级电源为系统供电，电压为5.5V，另一个次级电源为电桥供电，电压为5V；两级电源均采用线性稳压电路。
7.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述应变调零单元(5)在上电后30分钟和120分钟，CPU内部AD采集输出的电压，并采用调零算法，使用DA调整至仪表放大器的基准管脚，最终将输出电压调整至零位，完成自动应变平衡。
8.如权利要求1、7所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述应变调零单元(5)具有6路应变调理通道，各通道之间相互独立。
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