基于双恒流源的应变采集电路设计.pdf

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1、第34卷第3期黄冈师范学院学报Vo1．34No．32014年6月JournalofHuanggangNormalUniversityJun．2014d瑚n如一w衄基于双恒流源的应变采集电路设计彭丽萍，胡宗举。一霉一～一～～一～(1．黄冈师范学院数理学院，湖北黄州438000；2．武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉430070)．摘要针对目前恒压源应变采集系统的不足，提出了一种新颖的基于双恒流源法双端半桥测量原理的应变采集方案。论证和分析该恒流源电路用于应变采集的优点，给出了利用该测量原理设计的应变采集系统。洲一一实验室测试及在某大型风机叶片形变测试中运行表明，该应

2、变采集系统具有较高的测量精度、稳定性、抗干扰性和可靠性。关键词应变采集；双恒流源；双端半桥测量中图分类号TN7文献标志码A文章编号1003—8O78(2O14)03—0042-05l一虽～收稿日期2014—02—26doi10．3969／j．issn．1003—8078．2014．03．10作者简介彭丽萍，女，湖北黄冈人，讲师，硕士，研究方向为物理学。基金项目黄冈师范学院2013年自科重点项目(2013017203)。ThedesignofstrainacquisitioncircuitbasedonTwin-Constant-CurrentSourcePENGL

3、i-ping，HUZong-ju。1．CollegeofMathematicsandPhysics，HuanggangNormalUniversity，Huangzhou438000，Hub罩ei，China；三一一一2．SchoolofInformationEngineering，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070，Hubei，China)一兰应变检测在工程上具有十分重要应用，它属于微弱信号测量，需要检测出几十微欧的电阻值变化。普通电阻应变片的测量电路及传感器中的变换电路大多是采用惠斯通电桥电路，当电桥的平衡被打破时，

4、电桥的输出电压与应变片电阻变化值变成非线性关系[1]，由于受这种非线性关系的影响，导致测量精度大大降低。本文采用双恒流源作为激励的半桥采集方案，消除了非线性误差的影响，在保证数据可靠性的前提下，大大提高了数据采集精度。1恒压桥式电路测量理论应变测量中的恒压电桥如图1所示，假设AB桥臂接工作应变片(即R)，BC桥臂接温度补偿片(即R。)，CD和DA桥臂接相同电阻，电桥的供电电压为U，应变片的灵敏度系数为K，应变为￡。假设初始平衡时应变片灵敏度系数为K，应变为￡。假设初始平衡时为等臂电桥，即R一R一R。一R一R，则此时输出电压应为零。当应变片阻值发生变化时，输出电压也

5、相应变化。测试时，若应变片阻值R增量为AR，温度补偿片的R。的增量AR。假设应变和电阻变化率之间的关系式：,SR／R===KE第3期彭丽萍，等：基于双恒流源的应变采集电路设计·43·BA图1恒压电桥由经验公式得输出电压为]：上U。一7—弋UA(1)2【+￡l+E2J当e一一ez时，非线性误差将自动抵消，这是半桥测试中的大多数情形。即相邻桥臂的应变输出对称，使用恒压桥则不会出现非线性误差。若电桥初始不平衡时，此时研究单个应变片对电路的影响，即假设当AR一0，则有U。=1Ke,(1+1(2)由式(2)可以看出恒压电桥的输出己，。与应变片的电阻变化率△R／R(或应变e)

6、成非线性关系。当应变较小时，两者之间成近似线性关系；对于较大应变情况下高精度测量时，则会表现出灵敏度误差。2电桥及激励形式的选择由上述理论可知恒压电桥的非线性问题是影响应变采集的一个重要因素，本设计采用了改进型恒流电桥作为前端数据信号采集电路，在恒流电桥电路中可以分为单恒流源和双恒流源两种测量电路，见图2(a)和2(b)ab图2两种应变测试原理图我们首先考虑图2(a)单恒流源中有接触电阻R和长导线电阻R，应变片电阻R，由理论推导可得到[]：△U—R·K￡：==UKe(3)其中K为应变片灵敏度系数，￡为应变。由式(3)可以看出接触电阻和长导线电阻对测量结果无影响，而

7、且此电路的电压输出(△U)和应变(￡)呈理想的线性关系，此电路的灵敏度为：ArS一=一KU(4)e注：U为应变片的端电压。若给单恒流源增加一个相同的恒流源，就组成了双恒流源桥式电路，如图2(b)所示，其中有如下关系式：△U—UAB+△【，厂AB—UcB一△己，cB一(IglRg1一g2Rg2)+(g1△Rg1一g2△Rg2)(5)在理想情况下恒流源的各性能指标均相同，R和Rz均为相同材质的测量片，即I一。一，R1一R2=R，则得：△U—I(△R1一△R2)一KIR(e1一e2)(6)比较可知，单、双恒流源均无恒压源所表现的非线性问题，而且恒流源电路非常适用于大应变

8、的测量，只