CN207991561U - 一种用于电阻应变片输出调节的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于电阻应变片输出调节的装置，能够减小检测信号的漂移和误差，并且受电阻应变片老化的影响较小，具有更高的稳定性。该装置包括：依次连接的电阻应变片、测量电路、放大器、模数转换电路、微处理器、以及为所述装置供电的直流电源；测量电路具有与电阻应变片的引线并联的固定阻值电阻，以及与固定阻值电阻串联的阻值可调电阻，用于根据电阻应变片的电阻值输出相应的电压信号；微处理器用于根据固定阻值电阻和阻值可调电阻的阻值以及直流电源的电压值，计算电阻应变片的等效电阻的阻值，根据等效电阻的阻值变化生成与电阻应变片形变量相应的测量数据，并输出或存储所生产的测量数据。
Description
技术领域
本实用新型涉及电阻应变传感测量技术领域，尤其涉及一种用于电阻应变片输出调节的装置。
背景技术
电阻应变片是一种常见的传感元件。电阻应变片受到的拉力、压力、扭矩、位移、加速度、温度等物理量发生变化时，其电阻的也会产生相应的变化，通过对其电阻的测量和输出，从而能够获得相应的物理量的测量值。
现有技术中常见的电阻应变片有金属应变片和半导体应变片。金属应变片是由康铜丝或镍铬丝绕成栅状，或用很薄的金属箔蚀刻成栅状夹在两层绝缘薄片中制成，再用镀银铜线与应变片丝栅连接作为电阻片引线，通过金属丝产生形变导致的电阻值的变化来检测应力的大小。半导体应变片是利用单晶硅的压阻效应制成的一种敏感元件，通过半导体材料产生形变而导致电阻率变化来检测应变片所受的压力、拉力等物理量。
由于电阻应变片存在机械滞后性，在受到应力之后不会马上恢复原状，电阻值也不会恢复到初始值，因此在反复的检测过程中输出值必然会出现漂移；同时，电阻应变片存在一定的拉伸寿命，在使用了一定的次数之后，电阻应变片的初始电阻值会在原始的检测范围内发生漂移，超过测量电路的检测范围，导致无数据输出。而且，应变片的输出信号还会随着温度的改变而受到影响，产生温度漂移。
申请公布号为CN105675184A的中国实用新型专利申请公开了一种硅应变片桥式电路零点温度漂移的补偿方法，其通过在多温度点处对应变电阻进行数据采集，来估算串联电阻值和并联电阻值。虽然能够在一定程度上减小温度漂移的影响，然而由于应变片的机械滞后性，当该方案的电桥平衡时，该硬件补偿电路图的输出仍然存在不可忽略的零点漂移。如图1所示，若在时间t测量应力反复情况，该方案测量的应变电阻RA信号与会因应变片的机械滞后性存在△RA的漂移。并且，多次测量后会因为应变片老化而进一步增大输出信号的漂移量，降低检测结果的准确性。
实用新型内容
本实用新型的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于电阻应变片输出调节的装置，能够减小检测信号的漂移和误差，并且受电阻应变片老化的影响较小，具有更高的稳定性，可以用于提高各种电阻应变片的输出信号的检测精度。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案包括以下各方面。
一种用于电阻应变片输出调节的装置，其特征在于，包括：依次连接的电阻应变片、测量电路、放大器、模数转换电路、微处理器、以及为所述装置供电的直流电源；
其中，所述测量电路具有与电阻应变片的引线并联的第一电阻(可以为后述的阻值可调电阻或者固定阻值电阻)，以及与第一电阻串联的第二电阻(可以为后述的阻值可调电阻或者固定阻值电阻)，第一电阻的阻值小于电阻应变片的等效阻值的最小值以使测量电路根据电阻应变片的电阻值输出相应的电压信号；
所述放大器，用于将测量电路输出的电压信号的幅值放大；模数转换电路，用于将放大器的输出信号转化为数字信号；
所述微处理器用于根据第一电阻和第二电阻的阻值以及直流电源的电压值，计算电阻应变片的等效电阻的阻值，根据等效电阻的阻值变化生成与电阻应变片形变量相应的测量数据，并输出或存储所生产的测量数据。
优选的，所述测量电路包括一个阻值可调电阻和一个固定阻值电阻；
其中，电阻应变片一端的引线连接至直流电源，另一端与阻值可调电阻连接；阻值可调电阻的一端与电阻应变片串联，另一端接地；固定阻值电阻与电阻应变片的引线并联；将阻值可调电阻两端的电压作为电压信号输出至放大器。
优选的，所述测量电路包括一个阻值可调电阻和三个固定阻值电阻；
其中，电阻应变片一端的引线连接至直流电源，另一端与第一固定阻值电阻串联后接地；阻值可调电阻的一端连接至直流电源，另一端与第二固定阻值电阻串联后接地；第三固定阻值电阻与电阻应变片的引线并联；将第一固定阻值电阻和第二固定阻值电阻与地之间的电压差作为电压信号输出至放大器。
优选的，所述装置包括两个电阻应变片，所述测量电路包括一个阻值可调电阻和三个固定阻值电阻；
其中，第一电阻应变片一端的引线连接至直流电源，另一端与第一固定阻值电阻串联后接地；阻值可调电阻的一端连接至直流电源，另一端与第二固定阻值电阻串联后接地；第三固定阻值电阻与电阻应变片的引线并联；第二电阻应变片与第二固定阻值电阻并联；将第一固定阻值电阻和第二固定阻值电阻与地之间的电压差作为电压信号输出至放大器。
优选的，在电阻应变片发生形变且电压信号的幅值变化超出放大器的输入电压范围时，调节阻值可调电阻的阻值来改变电压信号的幅值以符合放大器的输入电压范围。
优选的，所述放大器采用ADI公司的低噪声放大器AD8634，其具有9.7MHz带宽，输入电压噪声密度为
优选的，采用Motorola公司MC14433芯片和外围电阻、电容来构成模数转换电路。
优选的，所述微处理器采用TI公司的16位RISC单片机MSP-430F413。
优选的，所述电阻应变片为采用包括硅胶的高分子复合物材料制成的柔性电阻应变片。
优选的，所述柔性电阻应变片的等效电阻值变化范围为100Ω～1MΩ。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：
通过第一、第二固定阻值电阻以及阻值可调电阻，不仅可以将测量电路输出的电压信号的幅值调节至符合放大器的输入电压范围，从而减小检测信号的漂移和误差，并且可以在电阻应变片多次拉伸老化后，电阻应变片的等效电阻变化曲线发生变化时，通过改变阻值可调电阻的阻值来保持测量结果的稳定性，避免电阻应变片老化的影响。
附图说明
图1是现有技术之一测量的应变电阻信号，其存在△RA的漂移。
图2是根据本实用新型实施例的用于电阻应变片输出调节的装置的结构示意图。
图3是根据本实用新型一实施例的测量电路的结构示意图。
图4是现有技术之一输出的电压信号幅值变化示意图。
图5是根据本实用新型实施例的测量电路的输出的电压信号幅值变化示意图。
图6是根据本实用新型另一实施例的测量电路的结构示意图。
图7是根据本实用新型又一实施例的测量电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，以使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
图2示出了根据本实用新型一实施例的用于电阻应变片输出调节的装置。该实施例的装置包括依次连接的电阻应变片、测量电路、放大器、幅度调制电路、模数转换电路、微处理器、通信接口，以及为所述装置供电的直流电源。
其中，测量电路，具有与电阻应变片的引线并联的固定阻值电阻，以及与固定阻值电阻串联的阻值可调电阻，用于根据电阻应变片的电阻值输出相应的电压信号。
放大器，用于将电压信号的幅值放大至幅度调制电路的输入范围，例如，可以采用ADI公司的低噪声放大器AD8634，其具有9.7MHz带宽，输入电压噪声密度为
幅度调制电路，包括三极管和LC谐振回路，用于通过高频载波振荡器产生的等幅载波对输入的电压信号进行非线性频率变换，并输出调幅波。然而，幅度调制电路为可选的，在各种实施方式中，可以通过设置放大器的增益系数来将电压信号的幅值放大至模数转换电路的输入范围之内。
模数转换电路，用于将调幅波转换为数字信号。例如，可以采用Motorola公司MC14433芯片和外围电阻、电容来构成模数转换电路。
微处理器，用于根据固定阻值电阻和阻值可调电阻的阻值以及直流电源的电压值，计算电阻应变片的等效电阻的阻值，并根据等效电阻的阻值变化生成与电阻应变片形变量相应的测量数据。例如，微处理器可以采用TI公司的16位RISC单片机MSP-430F413。
对于生成的测量数据可以通过与微处理器连接的显示器(例如，与电阻应变片设置为一体结构的LED显示屏)直接显示，也可以通过与微处理器连接的通信接口将生成的测量数据发送给其他设备，例如数据分析服务器，以对测量数据进行进一步处理或者存储。
图3示出了根据本实用新型一实施例的测量电路的结构示意图。其中，电阻应变片的等效电阻表示为Rx；电阻应变片一端的引线连接至直流电源VCC，另一端与阻值可调电阻R2连接；阻值可调电阻R2的一端与电阻应变片串联，另一端接地；固定阻值电阻R1与电阻应变片的引线并联；将阻值可调电阻R2两端的电压Uo作为电压信号输出至放大器。在其他实施例中，也可以将电阻R2设置为阻值固定的电阻，并将R1两端的电压作为电压信号输出至放大器。
在针对各种不同种类电阻应变片的应用中，首先可以依据电阻应变片在未发生形变条件下的标称等效电阻值来选择小于该等效电阻值的固定阻值电阻R1，使得R1阻值始终低于Rx，避免应变片阻值变化太大到无法测量；阻值可调电阻R2的初始阻值可以根据固定阻值电阻R1的阻值和放大器的输入电压范围来设置，以获取符合放大器的输入电压范围的电压信号；在电阻应变片发生形变且电压信号的幅值变化超出放大器的输入电压范围时，调节阻值可调电阻R2的阻值来改变电压信号Uo的幅值以使其仍符合放大器的输入电压范围(例如，-14.5V～+14.5V)。从此过程可以看出，本文所指阻值可调电阻，是指生产完成时，由于应变片会随着温度漂移或者其他衰减，可根据电位器(例如，可采用数字电位器MCP41XX)进行动态调整。
例如，对于灵敏度较高的电阻应变片(例如，采用包括硅胶的高分子复合物材料制成的柔性电阻应变片)，其等效电阻值变化△R的范围可以达到100Ω～1MΩ。一方面，这会导致测量电路输出的电压信号幅值变化△U的漂移范围很广，而放大器的输入电压范围有限，无法对输入的电压进行准确地放大；另一方面，在等效电阻值变化△R变化较小的情况下，△U过小，可能会导致放大器电路无任何输出。如图4所示，在t0～t1的范围内，△U低于放大器的最低输入电压，导致无信号输出；在t2～t3的范围内，△U超过放大器的能够检测到的电压范围，导致无信号输出。通过本实用新型的上述实施例，一方面通过与电阻应变片并联的固定阻值电阻来将电阻应变片两端的电压值保持在相对稳定的值，并进一步通过设置阻值可调电阻将电压信号Uo的幅值调节到符合放大器的输入电压范围内，从而减小检测信号的漂移和误差。其输出的电压信号幅值变化△U如图5所示，其在t0～t1的范围内均有稳定的输出。
图6示出了根据本实用新型另一实施例的桥式测量电路的结构示意图。其中，电阻应变片一端的引线连接至直流电源VCC，另一端与第一固定阻值电阻R4串联后接地；阻值可调电阻R2的一端连接至直流电源VCC，另一端与第二固定阻值电阻R3串联后接地；第三固定阻值电阻R1与电阻应变片的引线并联；将第一固定阻值电阻R4和第二固定阻值电阻R3与地之间的电压差作为电压信号Uo输出至放大器。
图7示出了根据本实用新型又一实施例的全桥式测量电路的结构示意图。其与图6所示电路的不同之处在于，该装置包括两个电阻应变片，电阻应变片的等效电阻为Rx和Ry，第二固定阻值电阻R3与Ry并联。
上述实施例中，通过第一至第三固定阻值电阻以及阻值可调电阻，不仅可以将测量电路输出的电压信号Uo的幅值调节至符合放大器的输入电压范围，从而减小检测信号的漂移和误差，并且可以在电阻应变片多次拉伸老化后，电阻应变片的等效电阻变化曲线发生变化时，通过改变阻值可调电阻的阻值来保持测量结果的稳定性，避免电阻应变片老化的影响。
以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于电阻应变片输出调节的装置，其特征在于，包括：依次连接的电阻应变片、测量电路、放大器、模数转换电路、微处理器、以及为所述装置供电的直流电源；
其中，所述测量电路具有与电阻应变片的引线并联的第一电阻，以及与第一电阻串联的第二电阻，第一电阻的阻值小于电阻应变片的等效阻值的最小值以使测量电路根据电阻应变片的电阻值输出相应的电压信号；
所述放大器，用于将测量电路输出的电压信号的幅值放大；模数转换电路，用于将放大器的输出信号转化为数字信号；
所述微处理器用于根据第一电阻和第二电阻的阻值以及直流电源的电压值，计算电阻应变片的等效电阻的阻值，根据等效电阻的阻值变化生成与电阻应变片形变量相应的测量数据，并输出或存储所生产的测量数据。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量电路包括一个阻值可调电阻和一个固定阻值电阻；
其中，电阻应变片一端的引线连接至直流电源，另一端与阻值可调电阻连接；阻值可调电阻的一端与电阻应变片串联，另一端接地；固定阻值电阻与电阻应变片的引线并联；将阻值可调电阻两端的电压作为电压信号输出至放大器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量电路包括一个阻值可调电阻和三个固定阻值电阻；
其中，电阻应变片一端的引线连接至直流电源，另一端与第一固定阻值电阻串联后接地；阻值可调电阻的一端连接至直流电源，另一端与第二固定阻值电阻串联后接地；第三固定阻值电阻与电阻应变片的引线并联；将第一固定阻值电阻和第二固定阻值电阻与地之间的电压差作为电压信号输出至放大器。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置包括两个电阻应变片，所述测量电路包括一个阻值可调电阻和三个固定阻值电阻；
其中，第一电阻应变片一端的引线连接至直流电源，另一端与第一固定阻值电阻串联后接地；阻值可调电阻的一端连接至直流电源，另一端与第二固定阻值电阻串联后接地；第三固定阻值电阻与电阻应变片的引线并联；第二电阻应变片与第二固定阻值电阻并联；将第一固定阻值电阻和第二固定阻值电阻与地之间的电压差作为电压信号输出至放大器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，在电阻应变片发生形变且电压信号的幅值变化超出放大器的输入电压范围时，调节阻值可调电阻的阻值来改变电压信号的幅值以符合放大器的输入电压范围。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述放大器采用ADI公司的低噪声放大器AD8634，其具有9.7MHz带宽，输入电压噪声密度为
7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，采用Motorola公司MC14433芯片和外围电阻、电容来构成模数转换电路。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述微处理器采用TI公司的16位RISC单片机MSP-430F413。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述电阻应变片为采用包括硅胶的高分子复合物材料制成的柔性电阻应变片。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述柔性电阻应变片的等效电阻值变化范围为100Ω～1MΩ。
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