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一种新型便携式静态应变仪的研制
介绍一种新型便携式静态应变仪的主要测试原理和技术特点。该仪器采用单电源工作，解决了应变仪桥源电路需要独立电源的问题。通过对其工作性能的测试，证明了仪器具有精度高和稳定性好、电路简单、功耗低等优点，具有较高使用价值。
关键词：直流电桥；静态应变仪；运算放大器；电压基准；模数转换器
Study on a New Portable Instrument of Static Strain Gauge
ZHANG Yanbing, LIU Yongqian
(Structural Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang
Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China)
Railway Institute, Shijiazhuang 050043, China)
Key words: direct bridge; static strain gauge; operational amplifier; voltage reference; analog-to-digital converter
本机原理电路见图1。其主要测量电路由桥源、放大电路、模数转换电路和液晶显示器等几部分组成。
桥源主要用来给由应变计传感器组成的惠斯顿电桥提供直流稳压电源。桥源在应变仪中具有十分重要的作用，桥源的稳定性，直接关系到测试结果的准确性。本机采用由精密电压基准和运算放大器组成的输出电压为2V的直流恒压源。
在图1中，U1(MAX873)为输出电压+2.5V的低功耗、低漂移、精密电压基准，其电源电压范围为+4.5～+18V；U2A(TL062)为低失调JFET输入运算放大器，U2A、R3、Q1、C1组成电压跟随器。U1输出的+2.5V经R1、R2分压后，在R1上可调出1.67～2.50V的电压，能够满足产生2V桥压的要求。当桥压输出升高(或降低)，反馈至U2A的反向输入端，使U2A运算放大器的输出端电压降低(或升高)，Q1的基极电流则减少(或加大)，Q1的射极电流(流经负载的电流)减少(或加大)。由虎克定律可知：负载电压(桥压)将降低(或升高)，从而达到稳定桥压的目的。
V+与地之间为由模数转换器提供(详见模数转换电路部分)的+5V稳定电压，大于MAX873正常工作所需的+4.5V，保证了MAX873和TL062、Q1能够不受仪器电源电压降低影响，使桥源电路能够提供稳定的桥压。
1.2放大电路
本机采用应变值的绝对测量法，即不对电桥进行平衡，直接测量荷载作用下应变电桥输出值，通过计算即可得出增量或相对值。此方法可消除平衡电路引起的误差，特别是克服了长期监测中平衡值难以保存的问题。
本机的放大电路主要由U3(LTC7652)运算放大器构成。LTC7652为利用CMOS工艺研制的超低漂移、斩波自稳零式精密运算放大器，具有超低失调电压和漂移、高共模抑制比和电源抑制比，为比较理想的应变仪用放大器。由应变测试原理知，等臂电桥的输出电压为：
?
式中：USC——电桥输出电压；U0——桥源电压，在此为2V；K——应变片灵敏系数，为了简化电路，在本仪器中固定为2.0；ε——应变值。
将U0、K、ε代入式(1)可得：USC=ε，即为了达到模数转换器10μV分辨率的要求，需将电桥的输出电压放大10倍。在图1中，R5、R6、R7、R8为电桥的四个应变计外接桥臂。为了提高放大器的输入阻抗，电路采用同相放大方式。放大电路的电压增益为：
应变仪的设计量程为20000με，放大器满量程输入UBD=±20mV，输出UHL=±200mV。当电源电压V+-V-=7～9V，V+-UC=+5V时，V+-UB=+4V，V--UB=-3～-5V，可见，B点作为放大器输出参考点，基本处于电源电压中间，放大器的输出电位则远远小于电源电位，保证了放大器线性度和不会发生溢出。
1.3模数转换电路
本机所用的模数转换器U1(ICL7129)是采用COMS大规模集成电路技术、高性价比的4（1/2）位液晶显示单片模数转换器，具有高精度、低漂移、外围电路简单等优点。
为了提高仪器的准确度和抗工频干扰能力，由Y1、C4、C5组成的频率为100kHz晶振电路为模数转换器ICL7129提供稳定的时钟脉冲。由1.2V、10×10-6/℃的精密电压基准D1(ICL8069)为ICL7129提供1V的参考电压。由于放大电路的输出参考电位低于V+约4V，且不固定，ICL7129的COM端则低于V+约3.2V，两者电位不相等，采用共模电压约为0.6~1.0V差分输入方式(见图1)。?
由于使用电池供电，必须考虑电池电压随着工作时间的增加而降低的问题。本机利用ICL7129的DGND端与V+保持稳定的5.3V电压差这一特点，由U2B、Q2、R15、C10构成电压跟随器，产生桥源电路所需要的地电平，使桥源电压不受电源电压变化的影响。
在图1中，U1(MAX873)为输出电压+2.5V的低功耗、低漂移、精密电压基准，其电源电压范围为+4.5～+18V；U2A(TL062)为低失调JFET输入运算放大器，U2A、R3、Q1、C1组成电压跟随器。U1输出的+2.5V经R1、R2分压后，在R1上可调出1.67～2.50V的电压，能够满足产生2V桥压的要求。当桥压输出升高(或降低)，反馈至U2A的反向输入端，使U2A运算放大器的输出端电压降低(或升高)，Q1的基极电流则减少(或加大)，Q1的射极电流(流经负载的电流)减少(或加大)。由虎克定律可知：负载电压(桥压)将降低(或升高)，从而达到稳定桥压的目的。
V+与地之间为由模数转换器提供(详见模数转换电路部分)的+5V稳定电压，大于MAX873正常工作所需的+4.5V，保证了MAX873和TL062、Q1能够不受仪器电源电压降低影响，使桥源电路能够提供稳定的桥压。
1.2放大电路
本机采用应变值的绝对测量法，即不对电桥进行平衡，直接测量荷载作用下应变电桥输出值，通过计算即可得出增量或相对值。此方法可消除平衡电路引起的误差，特别是克服了长期监测中平衡值难以保存的问题。
本机的放大电路主要由U3(LTC7652)运算放大器构成。LTC7652为利用CMOS工艺研制的超低漂移、斩波自稳零式精密运算放大器，具有超低失调电压和漂移、高共模抑制比和电源抑制比，为比较理想的应变仪用放大器。由应变测试原理知，等臂电桥的输出电压为：
? 式中：USC——电桥输出电压；U0——桥源电压，在此为2V；K——应变片灵敏系数，为了简化电路，在本仪器中固定为2.0；ε——应变值。
将U0、K、ε代入式(1)可得：USC=ε，即为了达到模数转换器10μV分辨率的要求，需将电桥的输出电压放大10倍。在图1中，R5、R6、R7、R8为电桥的四个应变计外接桥臂。为了提高放大器的输入阻抗，电路采用同相放大方式。放大电路的电压增益为：
应变仪的设计量程为20000με，放大器满量程输入UBD=±20mV，输出UHL=±200mV。当电源电压V+-V-=7～9V，V+-UC=+5V时，V+-UB=+4V，V--UB=-3～-5V，可见，B点作为放大器输出参考点，基本处于电源电压中间，放大器的输出电位则远远小于电源电位，保证了放大器线性度和不会发生溢出。
1.3模数转换电路
本机所用的模数转换器U1(ICL7129)是采用COMS大规模集成电路技术、高性价比的4（1/2）位液晶显示单片模数转换器，具有高精度、低漂移、外围电路简单等优点。
为了提高仪器的准确度和抗工频干扰能力，由Y1、C4、C5组成的频率为100kHz晶振电路为模数转换器ICL7129提供稳定的时钟脉冲。由1.2V、10×10-6/℃的精密电压基准D1(ICL8069)为ICL7129提供1V的参考电压。由于放大电路的输出参考电位低于V+约4V，且不固定，ICL7129的COM端则低于V+约3.2V，两者电位不相等，采用共模电压约为0.6~1.0V差分输入方式(见图1)。?
由于使用电池供电，必须考虑电池电压随着工作时间的增加而降低的问题。本机利用ICL7129的DGND端与V+保持稳定的5.3V电压差这一特点，由U2B、Q2、R15、C10构成电压跟随器，产生桥源电路所需要的地电平，使桥源电压不受电源电压变化的影响。
2.1非线性度测试
利用等强度悬臂梁对便携式静态应变仪进行非线性测试，并与7V14静态应变仪(日)的测试结果进行对比，测试数据见表1。表中实际应变值为根据每级荷载等强度悬臂梁所产生的挠度计算得来。从表1数据可看出，手持式应变仪具有良好的线性，三者数据符合很好。
2.2正、负对称性测试
根据应变电测原理，将电桥的A、C(或B、D)反接，可改变输出信号的极性。表2为在等强度悬臂梁上进行的正、负对称性测试结果，表明正值比负值的绝对值小7～10με，说明改变桥路接线方式将引起电桥输出变化，但对增量无影响。
2.3电源电压影响
利用等强度悬臂梁对便携式静态应变仪进行非线性测试，并与7V14静态应变仪(日)的测试结果进行对比，测试数据见表1。表中实际应变值为根据每级荷载等强度悬臂梁所产生的挠度计算得来。从表1数据可看出，手持式应变仪具有良好的线性，三者数据符合很好。
2.2正、负对称性测试
根据应变电测原理，将电桥的A、C(或B、D)反接，可改变输出信号的极性。表2为在等强度悬臂梁上进行的正、负对称性测试结果，表明正值比负值的绝对值小7～10με，说明改变桥路接线方式将引起电桥输出变化，但对增量无影响。
2.3电源电压影响
2.4稳定性测试
通过测试4h内零点变化值来检测仪器的漂移稳定性。应变计R5～R8用120Ω(2W0.01％)的标准电阻代替，将B、D点短路，使应变仪输入为零。预热15min后，第1小时以15min间隔，第2至4小时以30min为间隔，读取应变仪示值的变化。测试结果显示4h内没有产生漂移。
通过测试4h内零点变化值来检测仪器的漂移稳定性。应变计R5～R8用120Ω(2W0.01％)的标准电阻代替，将B、D点短路，使应变仪输入为零。预热15min后，第1小时以15min间隔，第2至4小时以30min为间隔，读取应变仪示值的变化。测试结果显示4h内没有产生漂移。
本仪器成功解决了应变仪桥源电路与放大电路和模数转换电路各为独立电源的问题，它可采 用单电源电池供电。仪器使用应变绝对测量法，解决了一般仪器在长期测试中平衡值不好保 存的问题。通过对便携式应变仪的性能测试，证明该仪器电路设计切实可行，能够满足测试 要求，具有性能稳定、精度高、使用方便等优点。?
工商网监
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