CN110006330B - 一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，包括：与应变传感器连接的可调电路；可调电桥的输出端依次连接前置级差分放大电路、二级放大与模数转换电路和微控制器；可调电桥包括常规电桥电路和电桥调平电路，电桥调平电路串联在常规电桥电路中的两个相对的桥臂之间；微控制器控制连接电桥调平电路的控制端；微控制器还连接有用于抑制电桥调平后的分辨率限制和测试信号非零位的硬件归零，硬件归零与前置级差分放大电路的参考电压端连接。本发明抑制由于宽阻值范围电阻特性造成的电桥不平衡，满足狭小空间的薄型箔式电阻应变传感器对含能材料部件植入式状态下高精度应变测试的需求。

Description

一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路

技术领域

本发明涉及测控技术领域，具体的说，是一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路。

背景技术

材料力学试验中经常采用应变表征材料损伤演变过程，通过测量材料的局部应变演变过程可以用于预测与评价材料的损伤。含能材料部件属于高弹性模量材料，在力或者热等外在载荷激励下，自身内部应力分布将发生变化，通过多点布置应变传感器即可观察到各点应变的变化。随着装备向高可靠性方向发展，对装备中的结构薄弱部件进行植入式在线应变监测需求越来越大，对于应变传感器与测试系统的小型化提出了直接需求。通过离子溅射与蒸镀等工艺制造的薄型箔式应变传感器具有厚度薄、强度高、耐腐蚀、耐挤压等优点，有望实现植入于监测对象以构建智能结构，特别适用于装备中狭小空间的结构应变变化测试应用。相比于半桥与全桥应变测量方法，单臂桥具有传输线路少、线路连接简单等优点，广泛应用于常温应变测试工程领域。常规的金属电阻型应变传感器的特征电阻精度误差一般为±0.1％，而薄型箔式应变传感器的特征电阻精度误差往往会达到±5％，采用商用化的、适用于常规金属电阻型应变传感器测试的测试系统往往无法测量到有效的应变信号。应变测试调理系统一般由应变信号转换电桥单元、应变归零单元、信号放大单元与处理电路等组成，由于宽电阻范围特性造成了应变信号转换电桥无法调平与应变测试单元无法归零，故常规应变测试仪无法适用于宽阻值范围特性的电阻应变传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，用于解决现有技术中宽电阻范围特性造成了应变信号转换电桥无法调平与应变测试单元无法归零，故常规应变测试仪无法适用于宽阻值范围特性的电阻应变传感器的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，包括：

与应变传感器连接的可调电桥；

所述可调电桥的输出端依次连接前置级差分放大电路、二级放大与模数转换电路和微控制器；

所述可调电桥包括常规电桥电路和电桥调平电路，所述电桥调平电路串联在常规电桥电路中的两个相对的桥臂之间；

所述微控制器控制连接所述电桥调平电路的控制端；

所述微控制器还连接有用于抑制电桥调平后的分辨率限制和测试信号非零位的硬件归零，所述硬件归零与所述前置级差分放大电路的参考电压端连接。

应变传感器将物理应变转换为应变传感器的电阻变化，通过可调电桥的电桥平衡电路(即应变信号转换电桥)将应变传感器的电阻变化转换为微弱电压信号，电桥平衡电路的输出端连接前置差分放大器进行一级放大后，连接到二级放大与模数转换电路，二级放大与模数转换块的输出连接到微控制器，实现应变信号采集。微控制器的硬件归零算法计算出硬件归零信号输出到硬件归零转换为硬件归零参考电压，硬件归零参考电压信号连接到前置级差分放大功能的参考电压端实现硬件归零。可调电桥抑制了由于应变传感器的宽阻值范围电阻特性造成的电桥不平衡，硬件归零抑制电桥平衡后的分辨率限制、桥路电阻和导线等误差造成的测试信号非零位，

进一步地，所述常规电桥电路由电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄构成，所述应变传感器的第一端依次连接电阻R₂、电阻R₃和所述电桥调平电路的第一端，电桥调平电路的第二端连接电阻R₄，电阻R₄与应变传感器的第二端连接，所述电桥调平电路包括并联的调平电阻R_p和数字电位计R_W，数字电位计R_W中控制电位器位置的抽头与所述微控制器连接，数字电位计R_W的抽头、应变传感器与电阻R₂之间的节点分别连接所述前置级差分放大电路的差分输入端。

设计单臂电桥电路，电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄的境地不低于±0.1％；采用可调电阻平衡法设计电桥调平电路，可调电阻平衡法为并联型可调电阻平衡法，并联型可调电阻平衡电路包括：调平电阻R_p和数字电位计R_W，调平电阻R_p为固定电阻，数字电位计R_W的档位通过微处理器功能块计算确定；一种典型的可调单臂电桥组成方法为：调平电阻R_p与数字电位计R_W并联后，串联在相对两个桥臂中间，数字电位计R_W的中间抽头为电桥输出信号的参考端；电桥调平电路实现的电阻可调范围应包含宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试所需的电桥平衡范围；电桥平衡后所实现电桥的输出信号分辨率误差应不高于应变传感器电阻精度为±0.1％所对应的误差。

进一步地，所述硬件归零包括与所述微控制器连接的数模转换器，所述数模转换器的输出端连接所述前置差分级放大电路的参考端，所述硬件归零的实现方法为：

1)初始状态下前置级差分放大器的参考电压为0V，测量并计算此时的前置级差分放大器的输出值

由初始状态下微控制器采集到的电压信号为

此时二级放大的增益为A₂；通过公式

计算得到硬件归零前的前置级差分放大器的输出值

即：

2)通过硬件归零输出一个归零电压U_AjZ，并将归零电压U_AjZ输出到前置级差分放大器的参考电压：

计算归零电压U_AjZ的过程为：

其中：

为积分初始值，数值上为测试启动归零时刻采集到的前置差分放大器的输出值即

e(t)为设定的归零应变值U_0s与尚未完全归零时的应变值U₀的差值，e(t)＝U_0s(t)-U₀(t)；K_P、T_i与T_d为调节归零效率的调节值。

宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零所需的硬件归零方法为：

1)转换电桥调平后，调平分辨率误差在±0.1％以内才能进行硬件归零；初始状态下前置级差分放大器的参考电压为0V，测量并计算此时的前置级差分放大器的输出值

通过硬件归零模块输出一个归零电压U_AjZ，并将归零电压输出到前置级差分放大器的参考电压；归零电压的计算通过基于闭环控制理论的快速归零计算调节器实现；

快速归零计算调节器的设计方法为：以设定的归零后应变输出值为输入量，以实时应变输出值的被控量和反馈量，快速归零电压计算调节器的输出为归零电压，被控对象模型由前置差分放大器和二级放大组成；快速计算归零电压调节器选用带积分初始值的连续量调节方法；积分初始值为测试启动归零时刻采集到的第一级放大器的输出值，数值上为

计算归零电压时，以设定应变输出值为0με，调节器可快速实现实时应变输出低于1με，停止归零过程后，停止时刻的归零电压调节器的输出值即为应变测量时候的归零电压值。

进一步地，所述微控制器与数字电位计R_W的抽头通过SPI总线通讯连接。

进一步地，所述电桥调平电路中数字电位计R_W和调平电阻R_p的确定方法为：

步骤S100：调平电阻R_p的初值

确定为应变传感器阻值偏离应变传感器典型特征值R_t的最大偏差值ΔR₁的2倍，即

步骤S200：确定数字电位计R_W的档位

要求：

其中，N_W为数字电位计R_W的最大档位数量，数字电位计R_W可确定为：R_W＝20·R_p，满足R_W数值上远高于调平电阻R_p；

步骤S300：优化计算数字电位计R_W和调平电阻R_p，直至调平范围与调平分辨率满足应变测试归零要求。

进一步地，所述步骤S300具体包括：

步骤S310：应变传感器本测半桥的电阻比值

的最小值为：

的最大值为：

得到应变传感器本测半桥的电阻比值

的范围为：

步骤S320：由数字电位计R_W实现的本测半桥的桥臂的等效电阻R₃'和R₄'，由戴维南定理，R₃'＝R₃+R_wa//(R_p+R_wb)，R₄'＝R₃+R_wb//(R_p+R_wa)，得到桥臂等效电阻比值

为

步骤S330：以桥臂电阻与调平电阻为典型特征值计算，通过计算机软件编程计算数字电位计R_W从一端轮询到另一端得到的

的范围即调平范围：

步骤S331：若调平范围偏小，则提高调平电阻R_p一倍，重新计算调平范围；

步骤S332：若调平分辨率偏大，则提高数字电位计R_W的档位N_w ⁰一倍，计算

上限值与下限值对应的调平分辨率

若调平分辨率偏大且数字电位计R_W的档位N_w ⁰已到上限，则再提高调平电阻R_p一倍，计算

上限值与下限值对应的调平分辨率

直到调平分辨率满足要求；

步骤S340：对满足

范围包含

范围的R_Wa、R_Wb的取值中，计算数字电位计R_W相邻档位造成的

的差值

的最大值

判断

是否＜0.1％，从中选取满足

是否＜0.1％的数字电位计R_W和调平电阻R_p。

进一步地，所述微控制器控制数字电位计R_W查找调平电位点的方法为：

步骤A：硬件归零电路的归零参考电压为0V下，将数字电位计R_W按照电位计数进行轮询，记录每次数字电位计电位点n在微控制器模块采集到的电压信号

获得数字电位计电位点n与电压信号

两个数据向量；

步骤B：计算

数组中的最小值

其对应的电位点的数量

的即为电桥调平所需的数字电位计R_W的调平电位点。

进一步地，所述电阻R₃与电阻R₄两端连接有高精度桥源。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明采用宽阻值范围特性的电阻应变传感器在单臂桥静态应变测试中实现应变测试功能，抑制由于宽阻值范围电阻特性造成的电桥不平衡，满足狭小空间的薄型箔式电阻应变传感器对含能材料部件植入式状态下高精度应变测试的需求，在材料试验机加载中实现了试验件的在线应变高精度监测。

(2)本发明中的硬件归零抑制电桥调平后的分辨率限制、桥路电阻与导线等误差造成的测试信号非零位。

(3)本发明中电阻精度误差、电桥平衡后的分辨率误差以及电桥平衡后实现电桥输出信号分辨率误差均不低于±0.1％。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为可调电路原理图；

图3为优化数字电位计R_W和调平电阻R_p的流程图；

图4为硬件归零的应变归零值的快速计算原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

结合附图1所示，一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，包括：

与应变传感器连接的可调电路；

所述可调电桥的输出端依次连接前置级差分放大电路、二级放大与模数转换电路和微控制器；

所述可调电桥包括常规电桥电路和电桥调平电路，所述电桥调平电路串联在常规电桥电路中的两个相对的桥臂之间；

所述微控制器控制连接所述电桥调平电路的控制端；

所述微控制器还连接有用于抑制电桥调平后的分辨率限制和测试信号非零位的硬件归零，所述硬件归零与所述前置级差分放大电路的参考电压端连接。

应变传感器将物理应变转换为应变传感器的电阻变化，通过可调电桥的电桥平衡电路(即应变信号转换电桥)将应变传感器的电阻变化转换为微弱电压信号，电桥平衡电路的输出端连接前置差分放大器进行一级放大后，连接到二级放大与模数转换电路，二级放大与模数转换块的输出连接到微控制器，实现应变信号采集。微控制器的硬件归零算法计算出硬件归零信号输出到硬件归零转换为硬件归零参考电压，硬件归零参考电压信号连接到前置级差分放大功能的参考电压端实现硬件归零。可调电桥抑制了由于应变传感器的宽阻值范围电阻特性造成的电桥不平衡，硬件归零抑制电桥平衡后的分辨率限制、桥路电阻和导线等误差造成的测试信号非零位，

实施例2：

在实施例1的基础上，结合附图1和图2所示，所述常规电桥电路由电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄构成，所述应变传感器的第一端依次连接电阻R₂、电阻R₃和所述电桥调平电路的第一端，电桥调平电路的第二端连接电阻R₄，电阻R₄与应变传感器的第二端连接，所述电桥调平电路包括并联的调平电阻R_p和数字电位计R_W，数字电位计R_W中控制电位器位置的抽头与所述微控制器连接，数字电位计R_W的抽头、应变传感器与电阻R₂之间的节点分别连接所述前置级差分放大电路的差分输入端。

设计单臂电桥电路，电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄的境地不低于±0.1％；采用可调电阻平衡法设计电桥调平电路，可调电阻平衡法为并联型可调电阻平衡法，并联型可调电阻平衡电路包括：调平电阻R_p和数字电位计R_W，调平电阻R_p为固定电阻，数字电位计R_W的档位通过微处理器功能块计算确定；一种典型的可调单臂电桥组成方法为：调平电阻R_p与数字电位计R_W并联后，串联在相对两个桥臂中间，数字电位计R_W的中间抽头为电桥输出信号的参考端；电桥调平电路实现的电阻可调范围应包含宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试所需的电桥平衡范围；电桥平衡后所实现电桥的输出信号分辨率误差应不高于应变传感器电阻精度为±0.1％所对应的误差。

实施例3：

在实施例2的基础上，结合图1和图4所示，所述硬件归零包括与所述微控制器连接的数模转换器，所述数模转换器的输出端连接所述前置差分级放大电路的参考端，所述硬件归零的实现方法为：

1)初始状态下前置级差分放大器的参考电压为0V，测量并计算此时的前置级差分放大器的输出值

由初始状态下微控制器采集到的电压信号为

此时二级放大的增益为A₂；通过公式

计算得到硬件归零前的前置级差分放大器的输出值

即：

2)通过硬件归零输出一个归零电压U_AjZ，并将归零电压U_AjZ输出到前置级差分放大器的参考电压：

计算归零电压U_AjZ的过程为：

其中：

为积分初始值，数值上为测试启动归零时刻采集到的前置差分放大器的输出值即

e(t)为设定的归零应变值U_0s与尚未完全归零时的应变值U₀的差值，e(t)＝U_0s(t)-U₀(t)；K_P、T_i与T_d为调节归零效率的调节值。

宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零所需的硬件归零方法为：

1)转换电桥调平后，调平分辨率误差在±0.1％以内才能进行硬件归零；初始状态下前置级差分放大器的参考电压为0V，测量并计算此时的前置级差分放大器的输出值

通过硬件归零模块输出一个归零电压U_AjZ，并将归零电压输出到前置级差分放大器的参考电压；归零电压的计算通过基于闭环控制理论的快速归零计算调节器实现；

快速归零计算调节器的设计方法为：以设定的归零后应变输出值为输入量，以实时应变输出值的被控量和反馈量，快速归零电压计算调节器的输出为归零电压，被控对象模型由前置差分放大器和二级放大组成；快速计算归零电压调节器选用带积分初始值的连续量调节方法；积分初始值为测试启动归零时刻采集到的第一级放大器的输出值，数值上为

计算归零电压时，以设定应变输出值为0με，调节器可快速实现实时应变输出低于1με，停止归零过程后，停止时刻的归零电压调节器的输出值即为应变测量时候的归零电压值。

进一步地，所述微控制器与数字电位计R_W的抽头通过SPI总线通讯连接。

实施例4：

在实施例2的基础上，结合附图1-3所示，所述电桥调平电路中数字电位计R_W和调平电阻R_p的确定方法为：

步骤S100：调平电阻R_p的初值

确定为应变传感器阻值偏离应变传感器典型特征值R_t的最大偏差值ΔR₁的2倍，即

步骤S200：确定数字电位计R_W的档位

要求：

其中，N_W为数字电位计R_W的最大档位数量，数字电位计R_W可确定为：R_W＝20·R_p，满足R_W数值上远高于调平电阻R_p；

步骤S300：优化计算数字电位计R_W和调平电阻R_p，直至调平范围与调平分辨率满足应变测试归零要求。

进一步地，所述步骤S300具体包括：

步骤S310：应变传感器本测半桥的电阻比值

的最小值为：

的最大值为：

得到应变传感器本测半桥的电阻比值

的范围为：

步骤S320：由数字电位计R_W实现的本测半桥的桥臂的等效电阻R₃'和R₄'，由戴维南定理，R₃'＝R₃+R_wa//(R_p+R_wb)，R₄'＝R₃+R_wb//(R_p+R_wa)，得到桥臂等效电阻比值

为

步骤S330：以桥臂电阻与调平电阻为典型特征值计算，通过计算机软件编程计算数字电位计R_W从一端轮询到另一端得到的

的范围即调平范围：

步骤S331：若调平范围偏小，则提高调平电阻R_p一倍，重新计算调平范围；

步骤S332：若调平分辨率偏大，则提高数字电位计R_W的档位N_w ⁰一倍，计算

上限值与下限值对应的调平分辨率

若调平分辨率偏大且数字电位计R_W的档位N_w ⁰已到上限，则再提高调平电阻R_p一倍，计算

上限值与下限值对应的调平分辨率

直到调平分辨率满足要求；

步骤S340：对满足

范围包含

范围的R_Wa、R_Wb的取值中，计算数字电位计R_W相邻档位造成的

的差值

的最大值

判断

是否＜0.1％，从中选取满足

是否＜0.1％的数字电位计R_W和调平电阻R_p。

实施例5：

在实施例2的基础上，所述微控制器控制数字电位计R_W查找调平电位点的方法为：

步骤A：硬件归零电路的归零参考电压为0V下，将数字电位计R_W按照电位计数进行轮询，记录每次数字电位计电位点n在微控制器模块采集到的电压信号

获得数字电位计电位点n与电压信号

两个数据向量；

步骤B：计算

数组中的最小值

其对应的电位点的数量

的即为电桥调平所需的数字电位计R_W的调平电位点。

进一步地，所述电阻R₃与电阻R₄两端连接有高精度桥源。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (7)

1.一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，其特征在于，包括：

与应变传感器连接的可调电桥；

所述可调电桥的输出端依次连接前置级差分放大电路、二级放大与模数转换电路和微控制器；

所述可调电桥包括常规电桥电路和电桥调平电路，所述电桥调平电路串联在常规电桥电路中的两个相对的桥臂之间；

所述微控制器控制连接所述电桥调平电路的控制端；

所述微控制器还连接有用于抑制电桥调平后的分辨率限制和测试信号非零位的硬件归零，所述硬件归零与所述前置级差分放大电路的参考电压端连接；

所述硬件归零包括与所述微控制器连接的数模转换器，所述数模转换器的输出端连接所述前置差分级放大电路的参考端，所述硬件归零的实现方法为：

1)初始状态下前置级差分放大器的参考电压为0V，测量并计算此时的前置级差分放大器的输出值

由初始状态下微控制器采集到的电压信号为

此时二级放大的增益为A₂；通过公式

计算得到硬件归零前的前置级差分放大器的输出值

即：

2)通过硬件归零输出一个归零电压U_AjZ，并将归零电压U_AjZ输出到前置级差分放大器的参考电压：

计算归零电压U_AjZ的过程为：

其中：

为积分初始值，数值上为测试启动归零时刻采集到的前置差分放大器的输出值即

e(t)为设定的归零应变值U_0s与尚未完全归零时的应变值U₀的差值，e(t)＝U_0s(t)-U₀(t)；K_P、T_i与T_d为调节归零效率的调节值。

2.根据权利要求1所述的一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，其特征在于，所述常规电桥电路由电阻R₂、电阻R₃和电阻R₄构成，所述应变传感器的第一端依次连接电阻R₂、电阻R₃和所述电桥调平电路的第一端，电桥调平电路的第二端连接电阻R₄，电阻R₄与应变传感器的第二端连接，所述电桥调平电路包括并联的调平电阻R_p和数字电位计R_W，数字电位计R_W中控制电位器位置的抽头与所述微控制器连接，数字电位计R_W的抽头、应变传感器与电阻R₂之间的节点分别连接所述前置级差分放大电路的差分输入端。

3.根据权利要求2所述的一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，其特征在于，所述微控制器与数字电位计R_W的抽头通过SPI总线通讯连接。

4.根据权利要求2所述的一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，其特征在于，所述电桥调平电路中数字电位计R_W和调平电阻R_p的确定方法为：

步骤S100：调平电阻R_p的初值

确定为应变传感器阻值偏离应变传感器典型特征值R_t的最大偏差值ΔR₁的2倍，即

步骤S200：确定数字电位计R_W的档位

要求：

其中，N_W为数字电位计R_W的最大档位数量，数字电位计R_W可确定为：R_W＝20·R_p，满足R_W数值上远高于调平电阻R_p；

步骤S300：优化计算数字电位计R_W和调平电阻R_p，直至调平范围与调平分辨率满足应变测试归零要求。

5.根据权利要求4所述的一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，其特征在于，所述步骤S300具体包括：

步骤S310：应变传感器本测半桥的电阻比值

的最小值为：

的最大值为：

得到应变传感器本测半桥的电阻比值

的范围为：

步骤S320：由数字电位计R_W实现的本测半桥的桥臂的等效电阻R₃'和R₄'，由戴维南定理，R₃'＝R₃+R_wa//(R_p+R_wb)，R₄'＝R₃+R_wb//(R_p+R_wa)，得到桥臂等效电阻比值

为

步骤S330：以桥臂电阻与调平电阻为典型特征值计算，通过计算机软件编程计算数字电位计R_W从一端轮询到另一端得到的

的范围即调平范围：

步骤S331：若调平范围偏小，则提高调平电阻R_p一倍，重新计算调平范围；

步骤S332：若调平分辨率偏大，则提高数字电位计R_W的档位N_w0一倍，计算

上限值与下限值对应的调平分辨率

若调平分辨率偏大且数字电位计R_W的档位N_w ⁰已到上限，则再提高调平电阻R_p一倍，计算

上限值与下限值对应的调平分辨率

直到调平分辨率满足要求；

步骤S340：对满足

范围包含

范围的R_Wa、R_Wb的取值中，计算数字电位计R_W相邻档位造成的

的差值

的最大值

判断

是否＜0.1％，从中选取满足

是否＜0.1％的数字电位计R_W和调平电阻R_p。

6.根据权利要求2所述的一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，其特征在于，所述微控制器控制数字电位计R_W查找调平电位点的方法为：

步骤A：硬件归零电路的归零参考电压为0V下，将数字电位计R_W按照电位计数进行轮询，记录每次数字电位计电位点n在微控制器模块采集到的电压信号

获得数字电位计电位点n与电压信号

两个数据向量；

步骤B：计算

数组中的最小值

其对应的电位点的数量

的即为电桥调平所需的数字电位计R_W的调平电位点。

7.根据权利要求2所述的一种宽阻值范围电阻应变传感器的应变测试归零电路，其特征在于，所述电阻R₃与电阻R₄两端连接有高精度桥源。

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