CN107677200A - 高精度应变测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度应变测量系统，包括电桥电路模块、放大电路模块、AD转换电路模块、处理器模块、显示模块及降压模块；电桥电路模块将形变量转换为应变片阻值的变化量，再将应变片阻值的变化量转化为电信号传输至放大电路模块，放大电路模块接收电信号并将电信号放大输出并传输至AD转换电路模块的输入端，AD转换电路模块将放大后的电信号转换为数字信号并将数字信号输出传输至处理器模块的数字端，处理器模块接收所述数字信号并对数字信号进行处理和计算后传输至显示模块，显示模块接收处理和计算后的数字信号并输出数据。本发明的高精度应变测量系统测量噪声小，精度高，且能实现动态高速测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度应变测量系统。
背景技术
应变电测法的研究历史很长，但在其研究初期还很不完善，存在着这样和那样的问题需要解决。以电阻应变片测量法为例，在实际的应变测量中，将应变片作为敏感元件的惠斯顿电桥及电位计电路是动态测量和静态测量的常用电路，它们都需要恒压源进行供电。然而，由于此类电路的特点，它们的输出灵敏度不高，输出非线性且具有尖峰效应。在小应变测量中，这种劣势并不明显，然而到了大应变测量时，这种非线性效应就会非常明显。尽管可以进行计算机校正但步骤复杂且精度难以保证。因而人们提出使用恒流源电路加以改进。一开始，人们采用的是单恒流源电路，它很好地解决了恒压源电路地非线性问题，使其适用于大应变测量，同时也适用于半导体应变片地测量电路。尽管如此，它也存在致命地缺陷：不能用于动态测量。另外它不具备温度补偿的能力。为了弥补这一点，双恒流源电路被提了出来。双恒流源电路在保持单恒流源电路的基础上，可通过增加温度补偿电阻完成温度补偿。其唯一不足是要求恒流源的输出电流具有较高的稳定性，否则会对输出产生波动。
尽管解决了非线性的问题，却又产生了一个新问题：在理想状态下，处理器在读取模数转化器的输出量后，经过处理即可得到准确的测量值，然而实际上电流源，放大器和模数转换器都存在漂移等非理想的因素。这将对整个测试环节的精度产生很大的影响。为了消除非理想因素带来的误差，研究人员想到了多通道的应变测量电路，它不仅能够消除非线性因素带来的误差，还使系统具有了极高的稳定性。
在解决多点测量的温度补偿的问题时，人们发现传统的温度补偿法是采用一支温度补偿片进行自补，但一般只能补偿不超过五支应变片，否则会造成补偿片因通电时间过长而产热影响补偿效果。因而人们想到了利用应变片互补的方法。利用应变片互补，可以大大减少补偿片的使用数量，也使电路体积大大减小，适合多点测量。
随着计算机技术的发展，人们开始将处理器应用到应变测试中去，从早期的89C51，进化到后来的AVR和ARM，再到现在的FPGA平台，应变测量系统的处理能力不断增强，使其能够适应多点测量，立体测量，高频实时测量等新的环境。在此基础上，人们又想到利用数字芯片去实现数字测量系统。这其中包括例如：利用ARM处理器对程控放大器进行调节，使其对输入信号的大小进行控制以满足量程的需求；利用数字温度传感器DS18B20，通过软件控制实现温度补偿；利用程控数字电位器DS1267实现电桥的自动平衡和调零；利用TDC时间数字测量原理，使用高精度时间测量芯片，消除模数转换带来的误差，减少电磁干扰等。另外串口及CAN总线的应用也大大优化了系统的数据传输性能。但是如今的应变测量还是存在温度补偿不足、系统复杂、速度不够，无法实现动态测量的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低噪声、高速率、能够实现动态测量的高精度应变测量系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高精度应变测量系统，所述高精度应变测量系统包括电桥电路模块、放大电路模块、AD转换电路模块、处理器模块、显示模块及降压模块；其中，所述电桥电路模块将应变量转换为应变片阻值的变化量，再将应变片阻值的变化量转化为电信号传输至所述放大电路模块，所述放大电路模块接收所述电信号并将所述电信号放大输出并传输至所述AD转换电路模块的输入端，所述AD转换电路模块将放大后的电信号转换为数字信号并将所述数字信号输出传输至所述处理器模块的数字端，所述处理器模块接收所述数字信号并对所述数字信号进行处理和计算后传输至所述显示模块，所述显示模块接收处理和计算后的数字信号并输出数据；
所述降压模块将电压处理以输出第一种降压值、第二种降压值及第三种降压值，所述降压模块输出所述第一种降压值至AD转换电路模块及所述处理器模块，所述降压模块输出所述第二种降压值至所述放大电路模块，所述降压模块输出所述第三种降压值至所述电桥电路模块。
进一步地，所述降压模块包括第一级降压模块、第二级降压模块及第三级降压稳压模块，所述第二级降压模块包括降压模块一及降压模块二；所述第一级降压模块与所述降压模块一降压后以输出所述第一种降压值，所述第一级降压模块与所述降压模块二降压后以输出所述第二种降压值，所述降压模块二与所述第三级降压稳压模块降压后以输出所述第三种降压值。
进一步地，所述第一级降压模块采用LM2596芯片，所述降压模块一和降压模块二采用SPX3819芯片，所述第三级降压稳压模块为TL431降压稳压模块。
进一步地，所述第一种降压值为+3.3V，所述第二种降压值为+5V，所述第三种降压值为+2.5V。
进一步地，所述电桥电路模块所采用的电桥为惠斯顿电桥。
进一步地，所述放大电路为差分放大电路，所述电桥电路的输出端AD+及AD-与所述差分放大电路的+IN及-IN端信号连接，所述放大信号从其OUT引脚端输出。
进一步地，所述AD转换电路模块采用AD9226芯片。
进一步地，所述处理器模块为ATmega128单片机，所述ATmega128单片机的PF0～PF7和PC0～PC3引脚与所述AD转换模块的AD1_D0～AD1_D11引脚信号连接，所述ATmega128单片机的PC4引脚与所述AD转换模块的AD1_OTR引脚信号连接。
进一步地，所述高精度应变测量系统还包括电源模块，所述电源模块与所述降压模块连接。
本发明的有益效果在于：本发明的高精度应变测量系统通过在系统中采用高精度、高速率的AD转换电路模块，可实现高速动态测量；通过在高精度应变测量系统设置多级降压模块，以给各模块提供适应的稳定电压，从而提高系统的测量精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明的高精度应变测量系统的系统框图。
图2为图1中的电桥电路模块的结构示意图。
图3为图1中的第一级降压模块的结构示意图。
图4为图1中的第二级降压模块的降压模块二的结构示意图。
图5为图1中的第二级降压模块的降压模块一的结构示意图。
图6为图1中的第三级降压模块的结构示意图。
图7为图1中的放大电路模块的结构示意图。
图8为图1中的AD转换电路模块的结构示意图。
图9为图1中的处理器模块的结构示意图。
图10为图9的流程图。
图11为图10的测试结果图。
图12为图10的另一测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
请参见图1，本发明的一较佳实施例的高精度应变测量系统包括电桥电路模块4、放大电路模块5、AD转换电路模块6、处理器模块7、显示模块8及降压模块；其中，所述电桥电路模块4将应变量转换为应变片阻值的变化量，再将应变片阻值的变化量转化为电信号传输至所述放大电路模块5，所述放大电路模块5接收所述电信号并将所述电信号放大输出并传输至所述AD转换电路模块6的输入端，所述AD转换电路模块6将放大后的电信号转换为数字信号并将所述数字信号输出传输至所述处理器模块7的数字端，所述处理器模块7接收所述数字信号并对所述数字信号进行处理和计算后传输至所述显示模块8，所述显示模块8接收处理和计算后的数字信号并输出数据。其中，所述降压模块包括第一级降压模块1、第二级降压模块2及第三级降压稳压模块3，所述第二级降压模块2包括降压模块一21及降压模块二22；所述第一级降压模块1与所述降压模块一21降压后以输出所述第一种降压值至AD转换电路模块6及所述处理器模块7，所述第一级降压模块1与所述降压模块二22降压后以输出所述第二种降压值至所述放大电路模块5，所述降压模块二22与所述第三级降压稳压模块3降压后以输出所述第三种降压值至所述电桥电路模块4。所述高精度应变测量系统还包括电源模块9，所述电源模块9与所述降压模块信号连接。在本实施例中，所述第一级降压模块1为LM2596电源降压模块，所述第二级降压模块2为SPX3819降压模块，所述第三级降压稳压模块3为TL431降压稳压模块，所述电桥电路模块4采用的电桥为惠斯顿电桥，所述放大电路模块5为差分放大电路，所述AD转换电路模块6为AD9226转换电路模块，所述处理器模块7为ATmega128处理器。
请参见图3，所述电源模块9提供+12V的初始电压，经由第一级降压模块1(即LM2596电源降压模块)降压后得到+5.5V的电压值。POWER2接+12V电源，Header3为电压输出端，两者分别与芯片输入引脚和输出引脚相连。ON/OFF控制引脚使能，反馈脚FB通过调节输出电阻R_F1，R_F2，R_F3与输出回路相连构成反馈网络。肖特基二极管D2用于电流续流，电感L1和电容CVCC构成了一个低通滤波器。为了防止出现瞬态电压，输入端与地之间加入了一个旁路电容CPOW，输出端与地间接入输出电容C1_8以滤除纹波。
请参见图4，所述第二级降压模块2中的降压模块一21与所述第一级降压模块1降压后以输出第一种降压值为+3.3V。所诉降压模块一21的芯片输入引脚接LM2596降压模块1的输出电压(即+5.5V)，输出引脚输出+3.3V电压，使能脚En使能。Byp引脚为反馈输入脚，通过电阻R3VOut_1、R3VOut_2与输出回路相连，构成电压反馈网络，通过调整电阻的阻值，即可调整电路的输出电压。电感LVCC与C2_1构成一个低通滤波。
请参见图5，所述第二级降压模块2中的降压模块二22与所述第一级降压模块1降压后以输出第二种降压值为+5V。输出+5V的SPX3819降压模块构成与+3.3V的基本一样，仅改变了电阻分压网络的阻值。一方面这将作为差分放大电路5的供电电源，另一方面将提供给TL431降压稳压模块3电压。
请参见图6，所述降压模块二22与所述第三级降压稳压模块3降压后以输出所述第三种降压值为+2.5V。AVCC端输入+3.3V电压，引脚A接地，参考端R与引脚K相连，结点处AREF输出+2.5V的高稳定基准电压以给所述电桥电路模块提供电源，从而保证系统的测量精度。其中，电阻R_TL431的阻值满足“1mA<(AVCC-AREF)/R_TL431<500mA”即可。
请参见图2，所述电桥电路模块4电桥中四个桥臂上的应变片R1，R2，R3，R4均为工作应变片。R1和R3的公共端、R2和R4的公共端接入+2.5V的基准电压，R1和R2的公共端、R3和R4的公共端构成了电桥的输出端。当悬臂梁发生形变后，表面的电阻应变片阻值将发生变化。由于四个应变片原阻值均为1000Ω，所以各桥臂阻值变化可看作是相等的，均为ΔR。R1和R4将减少ΔR，R2和R3将增加ΔR。采用四臂全桥电路，不但能够进行温度补偿，而且增加了应变输出，使测量灵敏度得到提高。
请参见图7，所述电桥电路模块4输出的信号从AD_IN1和AD_IN2两口输入放大电路的两输入端+IN和-IN，放大信号AD_OUT1从芯片OUT脚输出。-VS脚和+VS脚分别接入地和+5V电源。为了消除纹波，在电路的信号输入输出端、电源线、地线上都要并联一个100pF的电容。inaG1是用于调节增益的外部电阻。根据测量精度的要求，放大电路的增益应在300～400之间，根据公式：
设置外部电阻为150Ω，使其增益设置为334倍。
在本实施例中，所述差分放大电路5为AD620差分放大电路。AD620通过一个外部电阻即可设置增益，且增益范围极大，达到1至10,000。此外，AD620还具有高精度，低噪声，低失调电压，低失调漂移等特性，适合用于应变测量系统。
请参见图8，AD转换电路模块6的AD9226芯片的CLK引脚接外部时钟信号，其中电容C10用于滤除高频噪声。输入模拟信号从AD_OUT口输入，原本是单端输入，但通过在输入端并联了一个电阻R3，使得VINA,VINB同时有正负电压输入，达到差分输入目的。DVDD脚接+3.3V的VCC作为数字电源，AVDD脚端口名为ACC1接+5V的VCC1作为模拟电源，VREF脚提供了内部参考电压。上拉电阻R1用于提高CLK脚的输入电压，使芯片能够正常工作。C11，C12，C13，C14为去耦电容，用于防止电路中的脉冲干扰。
请参见图9，所述处理器模块7中ATmega128单片机的PF0～PF7和PC0-PC3引脚与所述AD转换模块的AD1_D0～AD1_D11引脚信号连接，所述ATmega128单片机的PC4引脚与所述AD转换模块的AD1_OTR引脚信号连接。将AD转换电路的输出端连接到ATmega128的I/O口，使处理器能够对输入的数字信号进行处理。所述ATmega128单片机还包括复位电路，电源电路和晶振电路。其中复位电路是通过对RESET端的使能与否进行强制复位。而晶振电路则是通过在XTAL1和XTAL2引脚两端外接一个16MHz晶振，从而给处理器提供时钟信号。在采集引脚上的信号时，采样率可达到1.23MHz，能够满足动态采样对高速的要求。
请参见图10，在处理器模块7收到的经由放大与AD转换后的电压信号后，首先需要进行系统的初始化，分为处理器7本身的初始化和显示模块8的初始化。处理器7部分要对ADC、时钟及定时器中断、看门狗、I/O口进行初始化。完成初始化后，处理器接受I/O的数据，开始执行主函数程序，即运行ADC转换函数，其数据再通过OLED程序加以显示，以此循环。
本实施例采用一根厚度为3mm，长度为400mm的钢条，将悬臂梁的一端通过螺丝牢牢固定在金属支架上，为了保证系统的测量稳定性，支架选择了重量大且重心低的金属试验台。外力使用标准砝码产生向下的力F作用在悬臂梁的另一端，使悬臂梁变形，并产生水平方向的形变。为了准确测量出这一形变，选取了悬臂梁中段形变较为显著的位置黏贴应变片，黏贴时要在悬臂梁同一截面的正反两面各黏贴两个工作应变片，切要注意应变片的工作方向应与应变方向保持一致。设定给定值L＝202.85mm，l＝17.38mm，b＝30.14mm，h＝3.01mm，杨氏模量E＝7.00×1010N/m2，应变测量系统的量程为400uε。
对测量的输出电压以及对应的测量质量做出记录，结果如下表所示：
表格一
根据上表，得到如图11及图12所示的曲线图，可以看出所设计的电路系统的输出电压和应变分别与相应的测量质量呈线性关系，说明应变和外力呈高度线性关系，且应变测量的平均误差仅为0.05uε，最大误差为0.36uε，测量精度能达到量程的1/1000，实现了高精度测量的要求。而应变测量系统使用AD9226芯片设计AD转换电路模块，使用ATmega128单片机设计处理器模块，最大采样率可达1.23MHz，可以实现应变的高速测量。
综上所述：本发明的高精度应变测量系统通过在系统中采用高精度、高速率的AD转换电路模块6，可实现高速动态测量；通过在高精度应变测量系统设置多级降压模块，以给各模块提供适应的高稳定电压，达到高精度测量的要求。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种高精度应变测量系统，其特征在于，所述高精度应变测量系统包括电桥电路模块、放大电路模块、AD转换电路模块、处理器模块、显示模块及降压模块；其中，所述电桥电路模块将应变量转换为应变片阻值的变化量，再将应变片阻值的变化量转化为电信号传输至所述放大电路模块，所述放大电路模块接收所述电信号并将所述电信号放大输出并传输至所述AD转换电路模块的输入端，所述AD转换电路模块将放大后的电信号转换为数字信号并将所述数字信号输出传输至所述处理器模块的数字端，所述处理器模块接收所述数字信号并对所述数字信号进行处理和计算后传输至所述显示模块，所述显示模块接收处理和计算后的数字信号并输出数据；
所述降压模块将电压处理以输出第一种降压值、第二种降压值及第三种降压值，所述降压模块输出所述第一种降压值至AD转换电路模块及所述处理器模块，所述降压模块输出所述第二种降压值至所述放大电路模块，所述降压模块输出所述第三种降压值至所述电桥电路模块。
2.如权利要求1所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述降压模块包括第一级降压模块、第二级降压模块及第三级降压稳压模块，所述第二级降压模块包括降压模块一及降压模块二；所述第一级降压模块与所述降压模块一降压后以输出所述第一种降压值，所述第一级降压模块与所述降压模块二降压后以输出所述第二种降压值，所述降压模块二与所述第三级降压稳压模块降压后以输出所述第三种降压值。
3.如权利要求2所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述第一级降压模块采用LM2596芯片，所述降压模块一和降压模块二采用SPX3819芯片，所述第三级降压稳压模块为TL431降压稳压模块。
4.如权利要求2所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述第一种降压值为+3.3V，所述第二种降压值为+5V，所述第三种降压值为+2.5V。
5.如权利要求1所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述电桥电路模块所采用的电桥为惠斯顿电桥。
6.如权利要求1所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述放大电路为差分放大电路，所述电桥电路的输出端AD+及AD-与所述差分放大电路的+IN及-IN端信号连接，所述放大信号从其OUT引脚端输出。
7.如权利要求1所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述AD转换电路模块采用AD9226芯片。
8.如权利要求1所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述处理器模块为ATmega128单片机，所述ATmega128单片机的PF0～PF7和PC0～PC3引脚与所述AD转换模块的AD1_D0～AD1_D11引脚信号连接，所述ATmega128单片机的PC4引脚与所述AD转换模块的AD1_OTR引脚信号连接。
9.如权利要求1所述的高精度应变测量系统，其特征在于，所述高精度应变测量系统还包括电源模块，所述电源模块与所述降压模块连接。
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