CN203037208U - 便携式多量程电阻应变变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的便携式多量程电阻应变变送器，外壳表面安装有应变片接线端子、调零旋钮、模式选择开关、电压选择开关、量程选择开关、桥路选择开关、BNC输出端子、电源开关和电源指示灯，内置安装有电路板。电路板设有电桥接线电路、一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路和电源电路。电源电路包括锂电池组、DC/DC电源模块和精密电源。外部应变片的输入信号经电桥接线电路和一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路输出测量信号。其优点在于：结构简单合理，外形小巧便携，适用于各种电桥连接形式，具有可变量程，可以对不同量级的电阻应变信号进行精确测量，满足了通用性的使用要求。

Description

便携式多量程电阻应变变送器

技术领域

本实用新型涉及仪器仪表技术，特别涉及一种便携式多量程电阻应变变送器。

背景技术

目前，恒压式静态电阻应变仪已经得到了广泛应用，成为一种最为普遍的应变测量方式，配合各种A/D转换技术及数字采集技术，可以方便的存储显示电阻应变值。但在配合材料实验机应用方面，还存在一些功能的冗余交叠，与实验机量测信号的同步也经常面临困难。

通常在实验过程中需要同步采集载荷、位移、应变等数据，有时还需要同步拍摄照片或记录声发射信号等其它信息。除了特定的引伸计，电阻应变片的量测信号一般不能直接输入到试验机中，因此通常会利用电阻应变仪来记录应变数据。但由于有的试验机没有载荷等信号的输出功能，或者电阻应变仪没有载荷等信号的输入功能。这就使得电阻应变的量测信号不能很好的与载荷等信号同步，需要人工比对两组数据来同步。另外，即便可以将载荷等信号输入到电阻应变仪中，局限于应变仪的功能，往往也不能实时显示试验曲线，更为关键的是不能根据应变信号控制实验过程。因此最佳的解决方案是将电阻应变仪的应变量测信号输入到试验机控制器或控制主机中。许多实验机，特别是高性能的实验机，都会提供多路外部信号的输入接口，可以采集直流电压信号。而目前一些电阻应变仪也提供了输出接口，可以将应变信号以电压信号形式输出到实验机，不过这样一来，应变仪的A/D转换及数显、存储等功能就显得有些多余。所以对于材料实验机，只需一种能将电阻应变信号转化为电压信号的装置，这与各种配合引伸计使用的专用放大板的功能类似。不过不同的是：引伸计中的电桥经过精心设计和严格工艺控制，放大板按此量身定做放大电路，以保证测量信号的稳定可靠；而试验中的电阻应变片可能组成各种形式的桥路，信号强弱与试样变形密切相关，且往往初始桥路是不平衡的。因此在将电阻应变信号转化为电压信号时需要精心设计放大电路及滤波电路。

另外，目前通用的电阻应变仪通常具有较大的量程以满足较大应变的量测需要，这对金属、混凝土等材料基本适用。但对于许多岩石材料，应变往往很小，因此测量误差相对较大。如何更加可靠的实现微小应变信号的精确测量也是一个亟需解决的问题，这就需要通过多级放大电路及调整放大比来实现。在一些电阻应变仪中，因为一般会用到单片机，所以可以选择可编程增益控制放大器，通过程序调节增益来改变放大比以适用于不同量级信号的测量。但对于没有单片机的变送器，就不能通过程序来控制放大比了，需要直接从硬件电路入手来调节放大比以适用于不同的量程。

所以，目前电阻应变仪的问题是存在体积较大，不利于多点分布测量，而且放大倍数单一且偏小，不利于微小应变信号测量等不足。

从实验机技术的发展趋势来看，模块化的架构逐渐成为主流，试验机控制器或控制主机的信号采集部分已逐渐向通用型演化。采集卡插在控制器或控制主机上，用以采集电压或电流信号。各种专用变送器与各种传感器相连将信号传送到采集卡。对于各种基于电阻应变信号的传感器，如大部分载荷传感器、变形引伸计等都可以通过便携式多量程电阻应变变送器将信号输入到采集卡。因此研发设计一种通用的便携式多量程电阻应变变送器具有重要意义，实现对电阻应变片信号的测量，也用于各种基于电阻应变信号的传感器,这有利于设备组件的模块化，为各组件的后期维护提供便利,是便携式多量程电阻应变变送器面临的新的技术课题。

实用新型内容

本实用新型的目的就是要克服现有技术的不足，提供一种便携式多量程电阻应变变送器，结构简单合理，外形小巧便携，适用于各种电桥连接形式，具有可变量程，可以对不同量级的电阻应变信号进行精确测量，以满足通用性的使用要求。

为达到上述目的，本实用新型提供的便携式多量程电阻应变变送器，包括外壳，所述外壳表面安装有应变片接线端子、调零旋钮、电源开关和电源指示灯，所述外壳内置安装有电路板，所述应变片接线端子、调零旋钮分别与所述电路板电连接，所述电路板设有电桥接线电路、放大电路、滤波电路、缓冲电路和电源电路，还包括模式选择开关、电压选择开关、量程选择开关、桥路选择开关和BNC输出端子，所述模式选择开关、电压选择开关、量程选择开关和桥路选择开关安装在所述电路板上，然后从所述外壳侧壁露出，所述应变片接线端子和调零旋钮固定在所述外壳顶面，所述BNC输出端子固定在所述外壳端面，所述电桥接线电路设有标准电阻，所述标准电阻安装在所述电路板上，并通过所述桥路选择开关与所述应变片接线端子电相连，其中，所述放大电路包括一级差分放大电路和二级差分放大电路，所述量程选择开关与所述一级差分放大电路和二级差分放大电路分别电相连，所述电源电路包括锂电池组和与其依次相连的DC/DC电源模块和精密电源，所述锂电池组经所述电源开关与所述电源指示灯相连，所述精密电源为所述电桥接线电路和一级差分放大电路供电，所述DC/DC电源模块经所述电压选择开关和模式选择开关为所述二级差分放大电路供电，所述应变片接线端子、电桥接线电路、一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路和BNC输出端子依次相连接，外部应变片输入信号经所述应变片接线端子接入所述电桥接线电路，再经所述一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路和BNC输出端子将测量信号输出至外部电压信号采集装置。

本实用新型便携式多量程电阻应变变送器，其中所述一级差分放大器采用型号为AD8230的电压放大器，二级差分放大器采用型号为AD8420的电压放大器。

本实用新型便携式多量程电阻应变变送器，其中所述模式选择开关、电压选择开关、量程选择开关、桥路选择开关采用拨码开关。

本实用新型便携式多量程电阻应变变送器，其中所述DC/DC电源模块输出±10V、±5V供电电压。

本实用新型便携式多量程电阻应变变送器，其中所述桥路选择开关包括四分之一桥、同侧半桥、对侧半桥和全桥4档。

本实用新型便携式多量程电阻应变变送器，其中所述DC/DC电源模块依次连接有电压检测电路和低电压指示灯。

本实用新型便携式多量程电阻应变变送器，其中所述精密电源采用型号为MAX6126的串联型电压基准。

本实用新型便携式多量程电阻应变变送器的优点和积极效果在于：

1）略去了多余的AD转换及显示功能，将桥盒与放大电路整合在一起，外形结构简洁紧凑，外形小巧便携；

2）通过桥路选择开关可以组成四分之一桥、同侧半桥、对侧半桥、全桥进行测量，具有灵活的电桥接线模式；

3）通过模式选择开关和电压选择开关选择±10V、±5V各种输出方式，输出范围可变，通过量程选择开关选择各种放大比，可以对不同量级的电阻应变信号进行精确测量；

4）可以直接测量粘结在试样上的应变片，也可以连接各种电阻应变片组桥而成的传感器，如载荷传感器、COD位移传感器等，适用于各种电桥连接形式；

5）采用高性能锂电池供电，提高了电源稳定性，也便于现场安装；

6）可以满足通用性的使用要求。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明。

附图说明

图1是本实用新型便携式多量程电阻应变变送器的外形结构示意图；

图2是本实用新型便携式多量程电阻应变变送器的电路结构方框图；

图3是一级差分放大电路的原理图；

图4是二级差分放大电路的原理图；

图5是电桥接线电路的原理图；

图6a是四分之一桥测量接线示意图；

图6b是同侧半桥测量接线示意图；

图6c是对侧半桥测量接线示意图；

图6d是全桥测量接线示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型便携式多量程电阻应变变送器的实施例。

参照图1，本实用新型提供的便携式多量程电阻应变变送器，包括外壳、应变片接线端子1、调零旋钮2、BNC输出端子3、模式选择开关SW2、电压选择开关SW3、量程选择开关SW1、桥路选择开关S1-S4、电源指示灯5、低电压指示灯6。模式选择开关SW2、电压选择开关SW3、量程选择开关SW1和桥路选择开关S1-S4采用优质拨码开关直接固定在电路板上，然后从外壳侧壁露出，既便于调节，也避免了采用引线连接开关及电路板带来的不确定性，使接触电阻更小。应变片接线端子1和调零旋钮2固定在外壳顶面，通过引线与电路板连接。BNC输出端子3固定在外壳端面，采用BNC接头可以方便连接。

结合图2，电路板设有电桥接线电路、放大电路、滤波电路、缓冲电路和电源电路。电桥接线电路设有标准电阻，标准电阻安装在电路板上，并通过桥路选择开关S1-S4与应变片接线端子1电相连，从而可以很方便的与外部应变片组成各种测量桥路，不需外接标准电阻，简化了连线操作。

放大电路包括一级差分放大电路和二级差分放大电路。应变片接线端子1、电桥接线电路、一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路和BNC输出端子3依次相连接，外部应变片输入信号经应变片接线端子1接入电桥接线电路，再经一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路和BNC输出端子3将测量信号输出至外部电压信号采集装置。其中，量程选择开关SW1与一级差分放大电路和二级差分放大电路分别电相连。

参照图3，一级差分放大电路采用精密仪表放大器AD8230，具有轨至轨、零漂移、可调增益的特点。其失调电压低至10μV，且失调电压温度系数仅为50nV/℃。其共模抑制比为110dB。输入噪声信号240nV。可以很好的对桥路输出的微伏级信号进行放大。其增益可以通过调节电阻阻值来实现，阻值与增益满足：

$G=2(1+\frac{R_{f1}}{R_{g1}})$

针对不同范围的输入信号，采用不同的精密电阻设置增益，使其输出范围达到±1V以内并可以通过二级放大电路放大至满量程。量程选择开关SW1第4~5位选择设置电阻Rg1，第6~8位选择设置电阻Rf1，电阻设置方式见下表：

亦可根据需要设置其他方式电阻。

AD8230的输入信号需满足差分信号小于750mV，芯片内部已具有相应保护电路，但为防止过流，还需外接电阻R11、R12进行限流保护，另外还需接入二极管进行输入端电压保护，防止输入信号超出芯片供电电压。

参照图4，二级差分放大电路采用宽电源电压仪表放大器AD8420，具有轨至轨、低漂移、高共模抑制比、可调增益的特点。其失调电压为125μV，失调电压温度系数为1μV/℃。其共模抑制比最小100dB。可以很好的对一级放大电路输出的毫伏级信号进行放大。其差分输入电压最大±1V，因此根据输出量程的需要可通过调节电阻阻值选择不同放大增益，阻值与增益满足：

$G=(1+\frac{R_{f2}}{R_{g2}})$

量程选择开关SW1第1~3位选择设置电阻Rg2，电阻设置方式见下表：

亦可根据需要设置其他方式电阻。

图4中，模式选择开关SW2可选择正负电压输出或单端正电压输出。电压选择开关SW3可选择5V低电压或10V高电压。两者组合，可以实现输出量程为±10V、±5V。

测量电阻变化值与应变值的关系为：

$\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=\mathrm{K\ϵ}$

式中:R为应变片的原始电阻值;ΔR为应变片电阻值的改变量;K称为应变片的灵敏系数。桥路输出与供桥电压及电阻应变之间的关系为：

$U=\mathrm{kE}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R})=\mathrm{kEK}({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4)$

式中:k为电桥类型系数，对应单臂桥、半桥、全桥取值为1/4、1/2、1。尽管连续改变阻值可以产生不同的放大比，但不利于标定。因此根据可能的量侧范围，通过一系列标准电阻来产生几级电阻值，对应不同的几级放大比。为了便于调整放大比，采用拨码开关来选择接入不同的电阻。放大倍数及量程如下所示：

放大后的信号经滤波电路、缓冲电路输出到BNC端子，可以方便的与其他电压信号采集装置相连。

参照图5，桥路供电为2V精密电源基准，预置温度系数在20ppm以下的120Ω精密电阻，精度0.01%以上。通过桥路选择开关S1、S2、S3、S4可以切换为不同的桥路类型，

参照图6a至图6d，通过一组四个开关S1、S2、S3、S4以及一组四个接线柱方便地连接外部应变片为四分之一桥、同侧半桥、对侧半桥、全桥各种桥路进行测量。当断开S1，接通S2、S3、S4时，在1~2接线端之间接入应变片，构成四分之一桥；当断开S1、S2，接通S3、S4时，在1~2、2~3接线端之间分别接入应变片，构成同侧半桥；当断开S1、S3，接通S2、S4时，在1~2、3~4接线端之间分别接入应变片，构成对侧半桥；当全部断开S1、S2、S3、S4时，在1~2、2~3、3~4、1~4接线端之间分别接入应变片，构成全桥。当所有开关接通时，桥路采用的全部是内置的精密电阻。调零电阻Rqa和Rqb用来消除初始电桥不平衡的影响。

考虑到不同场合的需求，输出电压范围不同，电源电路包括锂电池组和与其依次相连的DC/DC电源模块和精密电源，锂电池组经电源开关6与电源指示灯4相连。采用大容量锂电池组供电，不仅便于现场布置，无需外接电源，而且保证了电源精度，具有很好的线性特征，避免了采用经交流电源整流产生的直流电源所带来的噪声。

为充分利用输出电压量程范围，一方面需要根据输入信号范围调节放大电路放大比，另一方面需要给放大器提供相应的正负电源供电。为了避免输出电压超量程，采用多种电源供电模式，可通过开关切换。以适用于主流的±10V、±5V、0~10V、0~5V这几种情况。亦可增加其他的电压规格。需要说明的是现在绝大部分电阻应变仪采用的是单端供电放大电路，此时配合AD转换等电路，可在软件中设置运算，使得测量值按照待测物理量信号显示为相应的正负值。为了使变送器输出的信号与桥路输出的信号正负一致，必须采用正负电源给放大器供电。因此需要将锂电池提供的正电压通过电源调理电路转化为多路正负电源，而且要尽可能提高电源的精度及稳定性。其中，精密电源为电桥接线电路和一级差分放大电路供电。DC/DC电源模块经电压选择开关SW3和模式选择开关SW2为二级差分放大电路供电。

DC/DC电源模块，输入电压为10.8V，由三块锂电池串联构成的电池组提供，输出电压为±10V和±5V。基准电源芯片采用精密电源基准MAX6126，输入5V，输出2V给电桥供电。MAX6126是一种串联型电压基准，它具有超低噪声、高精度、低压差等特点。最大温度系数为3ppm/℃，最大初始精度为±0.02%。由于第一级放大电路输入信号为微伏级，为提高电源精度，亦可采用电源基准给一级放大器供电，以进一步降低电源噪声的影响。

为适应不同的输出情况，二级放大电路可选择不同的供电电源，以限制输出在±10V、±5V之间，同时也可选择相应的不同放大比，以尽可能使放大后的信号占满全部输出量程。

为了能在长期放置不用时切断电源供电，并在正常使用时指示电源开通情况，设置了电源开关及指示灯，以提醒是否打开电源。另外，通过电源检测电路进行低电压检测。当电池电压低到一定程度后，电路工作不正常，输出信号将失真。因此通过低电压指示灯提醒更换电池或给电池充电。

使用本实用新型提供的便携式多量程电阻应变变送器输出电阻应变信号时，可以：

1）按所需桥路方式连接电阻应变片；

2）根据可能的应变输入信号大小及输出电压要求设置模式选择开关、电压选择开关、量程选择开关；

3）用BNC电缆将输出信号连接到实验机；

4）打开电源开关，调节调零旋钮，使初始输出信号为零；

5）开始实验，变送器自动将电阻应变信号转换为电压信号输出到试验机；

6）可根据应变片规格或传感器类型标定变送器，确定物理量与电压信号之间的关系；

7）关闭电源开关，取下连接线。

本实用新型提供的便携式多量程电阻应变变送器外形结构简洁紧凑，将桥盒与放大电路整合在一起，略去了多余的AD转换及显示功能，可以方便的连接到试验机中，借助试验机的控制软件实现电阻应变信号的采集及反馈控制。通过模式选择开关SW2和电压选择开关SW3选择±10V、±5V各种输出方式，通过量程选择开关SW1选择各种放大比，可以有效的放大各种量级的电阻应变信号，充分提高输出电压信号强度，以提高抗干扰能力和输出精度。灵活的电桥接线模式，通过桥路选择开关S1、S2、S3、S4可以组成四分之一桥、半桥、全桥进行测量，可以采用内置高精度标准电阻，也可以接入各种温度补偿电阻。适用于各种电阻应变信号的测量，包括直接测量粘结在试样上的应变片，或者链接各种电阻应变片组桥而成的传感器，如载荷传感器、COD位移传感器等。采用高性能锂电池供电，提高了电源稳定性，也便于现场安装使用，配备低电压指示灯，避免电池电压下降后带来的测量误差。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (7)

1.一种便携式多量程电阻应变变送器，包括外壳，所述外壳表面安装有应变片接线端子（1）、调零旋钮（2）、电源开关（6）和电源指示灯（4），所述外壳内置安装有电路板，所述应变片接线端子（1）、调零旋钮（2）分别与所述电路板电连接，所述电路板设有电桥接线电路、放大电路、滤波电路、缓冲电路和电源电路，其特征在于：还包括模式选择开关（SW2）、电压选择开关（SW3）、量程选择开关（SW1）、桥路选择开关（S1、S2、S3、S4）和BNC输出端子（3），所述模式选择开关（SW2）、电压选择开关（SW3）、量程选择开关（SW1）和桥路选择开关（S1、S2、S3、S4）安装在所述电路板上，然后从所述外壳侧壁露出，所述应变片接线端子（1）和调零旋钮（2）固定在所述外壳顶面，所述BNC输出端子（3）固定在所述外壳端面，所述电桥接线电路设有标准电阻，所述标准电阻安装在所述电路板上，并通过所述桥路选择开关（S1、S2、S3、S4）与所述应变片接线端子（1）电相连，其中，所述放大电路包括一级差分放大电路和二级差分放大电路，所述量程选择开关（SW1）与所述一级差分放大电路和二级差分放大电路分别电相连，所述电源电路包括锂电池组和与其依次相连的DC/DC电源模块和精密电源，所述锂电池组经所述电源开关（6）与所述电源指示灯（4）相连，所述精密电源为所述电桥接线电路和一级差分放大电路供电，所述DC/DC电源模块经所述电压选择开关和模式选择开关为所述二级差分放大电路供电，所述应变片接线端子（1）、电桥接线电路、一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路和BNC输出端子（3）依次相连接，外部应变片输入信号经所述应变片接线端子（1）接入所述电桥接线电路，再经所述一级差分放大电路、二级差分放大电路、滤波电路、缓冲电路和BNC输出端子（3）将测量信号输出至外部电压信号采集装置。

2.根据权利要求1所述的便携式多量程电阻应变变送器，其特征在于：其中所述一级差分放大器采用型号为AD8230的电压放大器，二级差分放大器采用型号为AD8420的电压放大器。

3.根据权利要求1或2所述的便携式多量程电阻应变变送器，其特征在于：其中所述模式选择开关（SW2）、电压选择开关（SW3）、量程选择开关（SW1）、桥路选择开关（S1、S2、S3、S4）采用拨码开关。

4.根据权利要求3所述的便携式多量程电阻应变变送器，其特征在于：其中所述DC/DC电源模块输出±10V、±5V供电电压。

5.根据权利要求4所述的便携式多量程电阻应变变送器，其特征在于：其中所述桥路选择开关（S1、S2、S3、S4）包括四分之一桥、同侧半桥、对侧半桥和全桥4档。

6.根据权利要求5所述的便携式多量程电阻应变变送器，其特征在于：其中所述DC/DC电源模块依次连接有电压检测电路和低电压指示灯（5）。

7.根据权利要求6所述的便携式多量程电阻应变变送器，其中所述精密电源采用型号为MAX6126的串联型电压基准。

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