CN117824485A - 一种应变测量电路及测量方法 - Google Patents

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CN117824485A CN202311765382.2A CN202311765382A CN117824485A CN 117824485 A CN117824485 A CN 117824485A CN 202311765382 A CN202311765382 A CN 202311765382A CN 117824485 A CN117824485 A CN 117824485A
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白伟
郑显锋
姜丽
邓鹏波
李鹏
董皓
谢冬冬
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Abstract

本发明涉及一种应变测量电路及测量方法。解决了现有应变测量电路存在干扰信号易被放大使得测量不准确的技术问题。本发明电路包括惠斯顿电路、第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻和第二电阻；惠斯顿电路的第一桥臂和第二桥臂上电阻均为Ra，第三桥臂上电阻为Rb，第四桥臂上设置可变电阻，第一运算放大器的反相输入端和同相输入端分别与第一桥臂和第三桥臂之间的节点和第二桥臂和第四桥臂之间的节点连接，其输出端与第一电阻和第二电阻串联，第二电阻接地；第二运算放大器的输出端与第一桥臂和第二桥臂之间的节点连接；第三桥臂和第四桥臂之间的节点接地；第二运算放大器的同相输入端用于输入电压，反相输入端与第一电阻另一端连接。

Description

一种应变测量电路及测量方法
技术领域
本发明涉及一种应变测量电路及测量方法。
背景技术
实际工程应用中大多采用1/4桥来直接测量应变(电阻变化量)，测量电路原理如图1所示：固定R1、R2、R4的阻值，将R3作为可变电阻，可采用应变传感器，如铂电阻温度传感器，各电阻具有相同的标称值(R1＝R2＝R4＝R30，其中R30表示应变传感器在初始状态下的电阻值)。在初始状态下，桥臂达到平衡状态，被测应变发生变化时，铂电阻温度传感器R3的阻值也会随之发生变化，变化量为ΔR，此时桥臂的初始平衡状态将被打破，设电阻值R1＝R2＝R4＝R30＝R，输入电压为VI，输出电压为VO，则桥臂输入输出关系如式(1)所示。
令则有
在式(1)的基础上，令R1＝R2＝Ra，R4＝R30＝Rb，则有：
令则式(3)可变换为
由式(4)可知：电路的输出与输入呈非线性关系，这对后续信号处理及测量准确度带来较大的难度。但由数据运算也可预测：通过调整β值能在一定程度上改善电路输出线性。
在输入为5V直流电压，被测应变ε在(-1，1)之间的情况下，测量电路的非线性和灵敏度如下表所示。
表1电路非线性和灵敏度
β 非线性/η 灵敏度
1 23.81％ -0.3013
2 13.34％ -0.2400
5 5.85％ -0.1415
10 3.01％ -0.0831
15 2.13％ -0.0587
20 1.57％ -0.0454
25 1.30％ -0.0370
30 1.05％ -0.0312
从上表可以看出：随着β的增大，测量电路的输出线性得以明显改善，但这又带来了一个新的问题，即随着β的增大，测量电路的灵敏度降低，这一弊端虽然可以通过提高后端处理电路的放大倍数来解决，但也会面临着干扰信号也被放大的风险。
发明内容
本发明的目的是解决现有应变测量电路存在灵敏度提升的同时干扰信号被放大，使得测量不准确的技术问题，而提供一种应变测量电路及测量方法。
本发明的技术解决方案是：
本发明一种应变测量电路，其特殊之处在于：
包括惠斯顿电路、第一运算放大器、第二运算放大器、第一电阻和第二电阻；
所述惠斯顿电路的第一桥臂和第二桥臂上分别设置有电阻值为Ra的电阻，第三桥臂上设置有电阻值为Rb的电阻，第四桥臂上设置有可变电阻R，所述可变电阻R用于设置在待测应变位置，可变电阻R的初始电阻值为Rb；
所述第一运算放大器的反相输入端和同相输入端分别与第一桥臂和第三桥臂之间的节点和第二桥臂和第四桥臂之间的节点连接，其输出端与第一电阻的一端连接；
所述第一电阻的另一端和第二电阻的一端连接，第二电阻的另一端接地；
所述第二运算放大器的输出端与第一桥臂和第二桥臂之间的节点连接；
所述第三桥臂与第四桥臂之间的节点接地；
所述第二运算放大器的同相输入端用于输入电压VR，反相输入端与第一电阻另一端连接；
所述第一运算放大器的输出端用于输出电压VO。
同时，本发明还提供了一种应变测量方法，采用上述的应变测量电路，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)选择惠斯顿电路所需的Ra阻值电阻和Rb阻值电阻，设定第二运算放大器的输入电压VR，设定第一运算放大器的放大倍数A，通过电路参数的匹配，定义α为第一电阻与第二电阻对第一运算放大器输出电压VO的分压比值，根据选择第一电阻和第二电阻，定义/>
2)搭建应变测量电路，将可变电阻R设置在待测应变位置；通电测量得到第一运算放大器的输出电压VO；
3)通过以下公式计算得到待测应变位置的应变ε；
本发明的有益效果：
1、本发明一种应变测量电路，改进后的测量电路不但将非线性彻底消除，在相同的β值下，灵敏度也有了大幅度提高。
2、本发明一种应变测量电路及其测量方法，可广泛应用于基于惠斯通桥臂的电阻测量电路。
附图说明
图1为现有测量应变的电路原理图；
图2为本发明一种应变测量电路的原理图。
附图标记：1-第一桥臂，2-第二桥臂，3-第三桥臂，4-第四桥臂，5-第一运算放大器，6-第二运算放大器，7-第一电阻，8-第二电阻。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明进行详细的描述说明。
本发明一种应变测量电路，如图2所示，包括惠斯顿电路、第一运算放大器5、第二运算放大器6、第一电阻7和第二电阻8。惠斯顿电路的第一桥臂1和第二桥臂2上分别设置有电阻值为Ra的电阻，第三桥臂3上设置有电阻值为Rb的电阻，第四桥臂4上设置有可变电阻R，可变电阻R设置在待测应变位置，可变电阻R的初始电阻值为Rb。第一运算放大器5的反相输入端和同相输入端分别与第一桥臂1和第三桥臂3之间的节点和第二桥臂2和第四桥臂4之间的节点连接，其输出端与第一电阻7的一端连接，第一运算放大器5输出端用于输出电压VO。第一电阻7的另一端和第二电阻8的一端连接，第二电阻8的另一端接地。第二运算放大器6的输出端与第一桥臂1和第二桥臂2之间的节点连接。第三桥臂3与第四桥臂4之间的节点接地；第二运算放大器6的同相输入端用于输入电压VR，反相输入端与第一电阻7输出端连接，第二运算放大器6阴极与第一电阻7之间的电压为αVO，α为第一电阻7与第二电阻8对第一运算放大器5输出电压VO的分压比值。
同时，本发明还提供了一种应变测量方法，采用上述的应变测量电路，包括以下步骤：
1)选择惠斯顿电路所需的Ra阻值电阻和Rb阻值电阻，设定第二运算放大器6的输入电压VR，设定第一运算放大器5的放大倍数A，通过电路参数的匹配，定义α为第一电阻7与第二电阻8对第一运算放大器5输出电压VO的分压比值，根据选择第一电阻7和第二电阻8，定义/>
2)搭建应变测量电路，将可变电阻R设置在待测应变位置，通电测量得到第一运算放大器5的输出电压VO。
3)通过以下公式计算得到待测应变位置的应变ε；
由步骤3)中公式可知，被测应变ε与输入参考电压VR呈良好的线性关系。在输入为5V直流电压，被测应变ε在(-1，1)之间、A＝1的情况下，本发明测量电路的非线性和灵敏度如表2所示。
表2本发明优化后的测量电路的非线性和灵敏度
β 非线性/η 灵敏度
1 0 1.2500
2 0 1.1111
5 0 0.6944
10 0 0.4132
15 0 0.2930
20 0 0.2268
25 0 0.1849
30 0 0.1561
由上表可知，改进后的测量电路不但将非线性彻底消除，在与现有技术相同的β值下，灵敏度也有了大幅度提高。
本发明方法步骤3)公式的推理过程如下：
参见图2，定义第二运算放大器6输入电压VR，第二运算放大器6输出电压VB，第一桥臂1和第三桥臂3之间的节点和第二桥臂2和第四桥臂4之间的节点之间的电压为VOB，第一运算放大器5输出电压VO，可得到如下等式(5)和(6)：
VB＝VB+αVO 式(6)
将式(6)代入式(5)得：
整理得到：
在式(8)中，如果通过电路参数的匹配，使得则式(8)整理为：

Claims (2)

1.一种应变测量电路，其特征在于：
包括惠斯顿电路、第一运算放大器(5)、第二运算放大器(6)、第一电阻(7)和第二电阻(8)；
所述惠斯顿电路的第一桥臂(1)和第二桥臂(2)上分别设置有电阻值为Ra的电阻，第三桥臂(3)上设置有电阻值为Rb的电阻，第四桥臂(4)上设置有可变电阻R，所述可变电阻R用于设置在待测应变位置，可变电阻R的初始电阻值为Rb；
所述第一运算放大器(5)的反相输入端和同相输入端分别与第一桥臂(1)和第三桥臂(3)之间的节点和第二桥臂(2)和第四桥臂(4)之间的节点连接，其输出端与第一电阻(7)的一端连接；
所述第一电阻(7)的另一端和第二电阻(8)的一端连接，第二电阻(8)的另一端接地；
所述第二运算放大器(6)的输出端与第一桥臂(1)和第二桥臂(2)之间的节点连接；
所述第三桥臂(3)与第四桥臂(4)之间的节点接地；
所述第二运算放大器(6)的同相输入端用于输入电压VR，反相输入端与第一电阻(7)另一端连接；
所述第一运算放大器(5)的输出端用于输出电压VO。
2.一种应变测量方法，采用权利要求1所述的应变测量电路，其特征在于，包括以下步骤：
1)选择惠斯顿电路所需的Ra阻值电阻和Rb阻值电阻，设定第二运算放大器(6)的输入电压VR，设定第一运算放大器(5)的放大倍数A，通过电路参数的匹配，定义α为第一电阻(7)与第二电阻(8)对第一运算放大器(5)输出电压VO的分压比值，根据选择第一电阻(7)和第二电阻(8)，定义/>
2)搭建应变测量电路，将可变电阻R设置在待测应变位置；通电测量得到第一运算放大器(5)的输出电压VO；
3)通过以下公式计算得到待测应变位置的应变ε；
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