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1、1 1 测试原理测试原理 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。 1.11.1 桥源电路桥源电路 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
2、.5V 经 R1、R2 分压后,在 R1 上可调出 1.672.50V 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
3、。 1.21.2 放大电路放大电路 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;应
4、变值。 将 U0、K、 代入式(1)可得：USC=,即为了达到模数转换器 10V 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 20000,放大器满量程输入 UBD=20mV,输出 UHL=200mV。当电源电压 V+-V-=79V,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。 1.31.3
5、 模数转换电路模数转换电路 本机所用的模数转换器 U4(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、1010-6/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
6、 0.61.0V 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 2 工作性能试验分析工作性能试验分析 2.12.1 非线性度测试非线性度测试 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
7、持式应变仪具有良好的线性,三者数据符合很好。 2.22.2 正、负对称性测试正、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 710,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。 2.32.3 电源电压影响电源电压影响 图 2 的电源电压与示值关系曲线表明：(1)在 7.512.5V 范围内测试结果准确,电源电压对测试结果无影响;(2)6.77.5V 区间基本准确,对测试结果有影响,但很小。在 7.3V 时,ICL7129 低电压指示符显示,提示更换电池;(3
8、)6.5V 以下已不能工作。 2.42.4 稳定性测试稳定性测试 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 R5R8 用 120(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。 3 3 结语结语 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。 参考文献参考文献 1美I.M.戈特利布著,叶靖国,马积勋译.稳压电源M.北京：科学出版 社,1993. 2沙占友.新型数字多用表实用大全M.北京：电子工业出版社,1996. 3李永敏.检测仪器电子电路M.西安：西北工业大学,1996.
