CN115752216A - 应变测量组件 - Google Patents

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Abstract

一种应变仪组件，其包括：应变仪(10)，所述应变仪包括被连接为惠斯通电桥或半惠斯通电桥的多个电阻元件；激励信号发生器(20)，所述激励信号发生器被布置成向所述应变仪的两个电阻元件提供激励信号；相移电路(30、40)，所述相移电路被布置成响应于所述两个电阻元件的电阻变化而确定所述激励信号中的相移；以及末级(60)，所述末级被配置为输出指示所述相移的度量作为对所述组件上的应变的指示。

Description

应变测量组件
技术领域
本公开涉及用于一种从应变仪获得应变值的组件和方法。
背景技术
有许多应用需要测量施加到装置或部件上的扭矩或应变。这可以通过应变传感器或应变仪(或应变计)来完成，所述传感器或应变仪是电阻随施加的力而变化的传感器。应变仪位于要测量(由于应力引起的)应变的装置或部件上。当装置或部件由于外力的施加而发生位移或变形时，应变仪也相应变形，并且其电阻相应地改变。这可以被测量以提供对正在测量的应变的指示。
应变可以是拉伸的或压缩的，这由应变仪输出的正号或负号指示。
常用的应变仪是惠斯通电桥。惠斯通电桥由四个电阻元件组成，所述四个电阻元件连接在一起形成菱形配置。通常，所有四个电阻元件都是有源应变仪，以最大限度地提高换能器的灵敏度，但是在一些情况下，两个固定电阻器替代地与两个应变仪一起使用。惠斯通电桥应变仪电路是通过将一对应变仪安装在将受压的材料上来创建的，使得当施加力时，它们将沿着其宽度拉伸。另一对相同的应变仪安装在与第一对成90°的方向上。切向指向的两个应变仪将在其宽度上拉伸，这将降低电阻。径向指向的另外两个应变仪将在其长度上拉伸，这将增加电阻。每个应变仪连接到下一个应变仪以形成菱形，并且菱形的点成为连接点，从而为电路供电和测量所生成的信号。如果随后在惠斯通电桥电路的两个相对连接点上施加电压源，并且将电压表连接到其余两个相对连接点，则将检测到电压降，所述电压降将取决于施加到其上安装了惠斯通电桥电路的表面的应力而变化。本质上，由电阻变化引起的比率充当分压器，所述分压器提供指示正在测量的应变的差分输出值Vout。通常需要放大差分输出以获得有用输出，并且也可能需要通过增加电位偏移来调整输出。由于该要求，需要放大部件。尤其是对于DC供电传感器，这些通常需要靠近应变仪部件放置，以最大限度地减少传感器与放大器之间的长电缆可能导致的任何噪声或不利影响。对于AC电源，放大器与传感器之间的距离可以更大。这增加了传感器的复杂性、成本和重量，并且可能在空间有限的应用中(例如，在飞行器中)成为问题。
因此，需要一种改进的应变仪组件，所述应变仪组件不需要放大器、简单且便宜，具有高精度和可靠性，并且不易受噪声影响。
发明内容
根据本公开的一方面，提供了一种应变仪组件，其包括：应变仪，所述应变仪包括被连接为惠斯通电桥或半惠斯通电桥的多个电阻元件；激励信号发生器，所述激励信号发生器被布置成向所述应变仪的两个电阻元件提供激励信号；相移电路，所述相移电路被布置成响应于所述两个电阻元件的电阻变化而确定所述激励信号中的相移；以及末级，所述末级包括整形电路，所述整形电路将正弦相移信号转换成方波信号并输出指示所述相移的度量作为对所述组件上的应变的指示。
根据另一方面，提供了一种测量应变的方法，其包括将激励信号施加到惠斯通电桥或半惠斯通电桥约束仪的电阻元件以及根据所述激励信号的相移的度量确定施加到所述应变仪的所述应变。
附图说明
现在将参考附图描述根据本公开的示例。这些仅是示例，并且在如权利要求限定的本发明的范围内的替代方案是可能的。
图1示出了使用惠斯通电桥电路的常规应变仪。
图2示出了根据本公开的应变仪电路。
图3示出了根据本公开的替代应变仪电路。
具体实施方式
首先将参考图1简要地描述常规惠斯通电桥应变仪的操作。应变仪形成为在使用中位于要测量应变的零部件上的应变仪1。应变仪包括四个电阻器R1、R2、R3、R4，如上所述，所述四个电阻器以菱形配置彼此连接。R1与R2之间的点是电桥的‘高’端，并且经由传感器增益设置2连接到电源V传感器电源。相对端-电阻器R3与R4之间的节点-连接到接地。当力被施加到附接有应变仪的装置或部件上时，应变仪会扭曲或变形，从而导致电阻发生变化。效果是分压器，并且在 A点与B点之间产生的电压差提供了应变的量度。然后，电压差由放大器3放大，从而增加电位偏移。放大器3输出电压V测量作为应变的可读度量。
如上文提及，放大器必须靠近传感器(通常小于30cm)定位。如果距离更大，特别是对于DC供电系统，则损耗会增加，并且测量精度只能通过使用高增益放大器来维持。因此，可能期望从惠斯通电桥传感器获得应变测量值而不需要放大器部件。
根据本公开，这通过使用施加到传感器的参考信号中由传感器的电阻变化引起的相移作为应变的度量来实现。这将参考图2和图3进一步描述。
首先参考图2，所述组件包括应变仪10，在该示例中，所述应变仪与图1的常规应变仪基本相同，并且包括处于惠斯通电桥配置的四个电阻器R1’、R2’、R3’和R4’以及增益设置电阻R5、R6。代替常规组件的放大器块，本公开的组件包括激励信号发生器块20和一个或多个(在图2中为两个)相移电路，所述相移电路可以包括低通滤波器30、40。由于根据本公开获取应变测量值的方式，如下文将进一步描述的，发生器20和相移块30、40可以经由长电缆(在此由电感器50 的等效模型表示)连接到传感器10，而不会遇到上述问题。因此，发生器和滤波器可以远离传感器定位。
在本说明书中，‘相移块’是指用于根据远处电阻的值在其输入信号中生成相移的一组电子电路。该相移块可以基于电容和/或电感元件，以及任何请求的有源/无源部件(例如，运算放大器)。
根据本公开，发生器20生成激励信号，例如，正弦参考信号V1，其被施加于传感器电桥的节点AA和BB。由于应变导致传感器变形，因此电阻值发生变化(R1’变为R’1，并且R2’变为R’2)。R’1与R’2 并联。所产生的等效电阻(命名为Re1)然后在被施加到应变计的应变下进行修改。该等效电阻与R5、R6和块30一起提供了增益等于1 的相移级。然后等效电阻Re1修改导致V1(励磁参考电压)与Vout1 之间的相移。同理，R4’被修改为R’4，并且R3’被修改为R’3。R’4 与R’3并联。所产生的等效电阻(命名为Re2)然后在被施加到应变计的应变下进行修改。该等效电阻与R7、R8和块40一起提供了增益等于1的相移级。然后等效电阻Re2修改导致V2(励磁参考电压)与 Vout1之间的相移。在一个示例中，块30、40是相同的，不同的是包含在滤波器中的一者中的附加电阻器确保惠斯通电桥采集的对称性。
为了能够确定相移方向，指示应变方向，来自低通滤波器的正弦输出被提供给输出级60，所述输出级可以是例如施密特触发器或其他电路以对输出信号进行整形以创建相应的方波或数字信号，然后可以将所述方波或数字信号进行比较以确定这两个输出之间的相移量和方向。这是通过测量一个信号的上升沿与另一输出信号的下降沿之间的相对时间来完成的。
输出级60可以是例如具有阈值检测和滞后的施密特触发器。
图2中所示的示例适用于全惠斯通电桥。本公开的原理还可以与惠斯通半电桥10’一起使用，在这种情况下，所比较的信号是作为第一信号的相移参考信号以及作为第二信号的原始未移参考信号。这可以在图3中看到，其中将来自相移块30’的Vout1与来自发生器20’从低通滤波器块40’输出的正弦参考信号的滤波后版本进行比较，并且以与针对图2的示例描述的相同方式确定相位差以确定应变测量值。
通过使用信号整形来比较方波，无需根据应变仪的精度调整信号的增益。另外，因为测量是在同一惠斯通电桥的输出之间执行的，所以应变仪本身引起的任何偏移都应自动补偿，因此避免在这方面进行调节。
为了最大限度地提高精度和效率，最大限度地减少增益衰减，同时最大限度地提高由于应变仪电阻变化引起的相移，应当适当地选择放大器的额定值、正弦参考信号的频率以及在相移块中使用的任何电容器和/或电感器值。例如，可以使用马达控制DSP的嵌入式资源执行时间测量，因此最大限度地减少对附加资源或软件的需求。
本公开的组件(使用应变仪电阻的变化来引起参考信号的相移，所述相移提供应变的度量)提供比诸如图1所示的常规系统更简单和更紧凑的系统。所述组件不易受噪声和扰动的影响，并且测量电路可以远离应变仪定位。

Claims (9)

1.一种应变仪组件，其包括：
应变仪(10)，所述应变仪包括连接为惠斯通电桥或半惠斯通电桥的多个电阻元件；
激励信号发生器(20)，所述激励信号发生器被布置成向所述应变仪的两个电阻元件提供激励信号；
相移电路(30、40)，所述相移电路被布置成响应于所述两个电阻元件的电阻变化而确定所述激励信号中的相移；以及
末级(60)，所述末级包括整形电路，所述整形电路用于将正弦相移信号转换成方波信号并输出指示所述相移的度量作为对所述组件上的应变的指示。
2.根据权利要求1所述的应变仪组件，其中所述相移电路包括一个或多个相移块(30、40)。
3.根据权利要求1或2所述的应变仪组件，其中所述激励信号发生器(20)和相移电路(30、40)经由电缆连接到所述应变仪(10)。
4.根据任一前述权利要求所述的应变仪组件，其中所述应变仪包括全惠斯通电桥，所述全惠斯通电桥包括以菱形配置彼此连接的四个电阻元件，其中所述激励信号被施加到电阻元件之间的所述菱形配置的两个相对点，并且所述相移电路(30、40)被连接以从电阻元件之间的所述菱形配置的另外两个相对点接收输出。
5.根据权利要求4所述的应变仪组件，其中所述相移电路包括两个相移块(30、40)，来自所述菱形配置的所述点中的一者的输出被提供给第一相移块(30)的输入，并且来自相对点的输出被提供给第二相移块(40)的输入，并且其中所述相移块分别提供第一相移参考信号和第二相移参考信号，所述相移取决于相应电阻元件的电阻差。
6.根据权利要求5所述的应变仪组件，其中所述末级(60)被配置为对所述第一相移信号和第二相移信号进行整形并比较所述整形信号以提供指示待测量的所述应变的相位差输出。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的应变仪组件，其中所述应变仪包括具有两个电阻元件的半惠斯通电桥，并且其中所述激励信号被施加到所述电阻元件的一侧，并且所述相移电路(30、40)包括两个相移块(30、40)，来自所述电阻元件的所述输出被提供给第一相移块(30)的输入，并且来自所述激励信号发生器(20)的输出被提供给第二相移块(40)的输入，并且其中所述相移块分别提供第一相移参考信号和第二相移参考信号，所述相移取决于相应电阻元件的电阻差。
8.一种测量应变的方法，其包括将激励信号施加到惠斯通电桥或半惠斯通电桥约束仪的电阻元件以及根据所述激励信号的相移的度量确定施加到所述应变仪的所述应变。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述激励信号是正弦信号。
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DE4417228A1 (de) * 1994-05-17 1995-11-23 Michael Dr Altwein Dehnungsmeßstreifen-Meßanordnung, Verwendung derselben und Modulationsverstärker für derartige Meßanordnungen
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