用于应变仪的程控精密激励源设计

第34卷第3期电子科技大学学报V ol.34 No.3 2005年6月Journal of UEST of China Jun. 2005 基于双恒流源法的高精度应变测量技术习友宝，古天祥(电子科技大学自动化工程学院成都 610054)【摘要】提出了一种新颖的基于双恒流源法六端比例测量原理的应变测量技术，介绍了其测量原理及误差分析和校准技术，实现了高精度应变测量。

给出了利用该测量原理设计的多通道应变仪测试结果。

实验室测试及在某大型离心载荷试验中运行表明，该应变仪具有较高的测量精度、稳定性、抗干扰性和可靠性，其设计原理和方法对于工程设计与应用具有一定的参考价值。

关键词应变测量; 双恒流源法; 六端连接; 比例测量中图分类号TM932 文献标识码 AHigh-Accuracy Strain Measuring Technology Based on the Methodof Dual Invariable-CurrentXI You-bao，GU Tian-xiang(School of Automation Engineering, UEST of China Chengdu 610054)Abstract In this paper, a novel high-accuracy strain measuring technology based on the method of dual invariable-current, six end connecting and proportional measurement is proposed. The measurement principles, measurement errors analysis and self-calibration technology are described in detail. Lab test data by self-designed multi-channel strain measuring instrument based on the principles and technology is illustrated. The lab test and practical centrifugal load experimentation indicate that the measurement principles and technology are right, and the accuracy, stability, anti-interference and reliability are excellent. The principles and technology for stain measurement are worthwhile in practical engineering applications.Key words strain measurement; dual invariable-current method; six end connecting;propor-tional measurement应变、应力测量是材料、构件设计与分析的重要手段，通过弹性敏感元件，还可将其他物理量(如力、力矩、压力、加速度等)转换成应变，构成应变式传感器，实现对其的测量。

用于应变仪的程控精密激励源设计1 引言在工程实践中，应力变化的测量是一个十分重要又要求甚高的领域。

由于应变测量属于微弱信号测量，需要检测出几十微欧的变化，为减少非线性误差，所以常常采用差动电桥，恒流源或者恒压源的测量方案，其中恒压／恒流源的精密程度直接决定了应变测量的精密程度。

这就提出了对高精密度的恒压／恒流源要求。

2 应变测量原理及其要求应变片测量应变时是利用电阻丝的电阻率随丝的变形而变化的关系，把力学参数转化成与之成比列的电学参数。

应变片在工作过程中引起的是电阻的变化。

通过测量电桥的微小电阻变化转换成电压或电流的变化，再经过放大器放大，并根据某一比列常数关系，将其变换成试件的应变值面展示出来。

完成上述工作的仪器叫做应变仪。

其原理如图1所示。

应变片所感受的机械应变量一般为10-6-10-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-6～10-2数量级之间。

这样小的电阻变化一般的电阻测量仪表很难测出，所以必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转化成电压或电流的变化，才能用电子仪表纪录或显示出来。

测量电路至少满足下面两个要求：(1)测量电桥和其激励都应当有足够高的精度，并可根据测试的不同要求，可灵活控制激励大小。

(2)能将微量的电阻变化率转变成电压或电流的变化，并具有足够高的灵敏度。

本文详细探讨精密可程控恒压恒流源的发生、控制、驱动的设计。

3 激励源方案设计应变仪对桥源的精度要求很高，所以在电源的设计过程中一定要注意电源的精度能够达到要求。

电源除了要满足精度要求以外，为了满足不同的应用场合，应变仪还要求电源能提供电压源和电流源两中不同的电桥形式。

当仪器仪表输出的模拟信号需要传输较远距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号损失。

电流大小由负载大小决定，一般为0 mA～20 mA。

当智能仪器输出的模拟信号需要传输给多个仪器仪表时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。

基于CPLD_DSP的三相程控精密测试电源的设计
李慧;李景
【期刊名称】《电测与仪表》
【年(卷),期】2012(049)008
【摘要】介绍了基于CPLD_DSP的三相程控精密测试电源的设计方案.采用CPLD 控制RAM产生6路DDS信号(三路电压,三路电流)作为测试电源的基准信号,控制串行DA芯片LTC 1595B实现电压、电流幅度的调节,同时采集键盘的信息发送给DSP;利用DSP控制宽屏液晶实现数据的在线显示,采集电压、电流信号进行计算并做闭环处理,同时向CPLD发送控制命令.经过测试,系统输出频率分辨率达到
0.001Hz,电压、电流输出精度达到0.02％,整体系统运行良好.
【总页数】5页(P79-83)
【作者】李慧;李景
【作者单位】淮阴工学院,江苏淮安223003;淮阴工学院,江苏淮安223003
【正文语种】中文
【中图分类】TM910.2
【相关文献】
1.基于PIC12C508的三相电源相序测试仪的设计 [J], 陈旭武;皮大能
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5.三相36V／400Hz精密逆变电源设计 [J], 李淑琴;陈林;王晓波
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高精密程控电压源设计与实现乐千桤;徐静【摘要】提出一种基于MCU的高精密程控电压源实现方法.PC机通过异步串口与MCU通信,远程控制D/A输出,同时使用精密电阻衰减网络压缩电压幅度,提高输出电压精度,输出电压经放大器驱动输出,增强了负载能力.根据大量的测试数据,创造性地拟合输出电压与配置电压值的函数关系,并通过软件修正系统误差和非线性误差,精度可达士1.5 μV,完全满足设计要求.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2008(031)012【总页数】2页(P25-26)【关键词】精密电压源;精密电阻衰减网络;D/A转换器;A/D转换器【作者】乐千桤;徐静【作者单位】成都理工大学,四川,成都610059;成都理工大学,四川,成都610059【正文语种】中文【中图分类】TN7921 引言在自动测试领域，为了检测电压型精密传感器的配套系统，需要可调精密电压源，其输入范围为0～50 mV，精度为10 μV，稳定性要求非常高。

传统的精密电压源一般采用精密电位器调节生成，需要高的D/A分辨率和抗干扰能力。

这种电压源操作不方便，而且随着温度等外界条件的变化而变化，其波动范围很难控制在10 μV内。

本文提出一种新的实现方案，采用闭环反馈控制方式，实时监控电压输出端并根据实际情况进行调整；对配置电压值和多组实际测试结果进行最小二乘拟合，得到配置电压值与理想输出值之间的函数关系，并通过软件修正了系统的非线性引起的误差，输出精度达到了±1.5 μV，提高了输出电压的稳定性。

2 硬件设计2.1 工作原理该系统硬件由高性能单片机、数/模转换器、高精密电阻衰减网络、仪用放大器和A/D转换器组成，其系统硬件结构如图1所示。

图1 高精密程控电压源系统硬件框图利用PC机输入一个设定值，通过串口将数据送到单片机；单片机根据PC机与单片机的通信协议解析串口数据，当检测接收到有效数据后，启动D/A转换器配置部分的软件，将设定值转化为数字量输出到D/A转换器；D/A转换器将单片机输出的数字量转化为模拟量输出到精密电阻衰减网络[1]，衰减系数可通过可调电位器调整，衰减后的信号通过仪用放大器INA114稳压输出；同时A/D转换器开始工作，连续采集运放输出端的电压值，以串行方式送到单片机中，单片机根据A/D转换器采集的数据实时控制D/A转换器的数字输入端，修正环境温度等外界因素引起的误差，确保输出电压值满足设计要求。

摘要：本文详细地介绍了光敏z-元件、磁敏z-元件以及力敏z-元件的温度补偿原理与补偿方法，供用户利用光、磁、力敏z-元件进行应用开发时参考。

关键词：z-元件、敏感元件、温度补偿、光敏、磁敏、力敏一、前言半导体敏感元件对温度都有一定的灵敏度。

抑制温度漂移是半导体敏感元件的常见问题，z-元件也不例外。

本文在前述文章的基础上，详细介绍z-元件的温度补偿原理与温度补偿方法，供光、磁、力敏z-元件应用开发参考。

不同品种的z-元件均能以简单的电路，分别对温、光、磁、力等外部激励作用输出模拟、开关或脉冲频率信号[1][2][3]，其中后两种为数字信号，可构成三端数字传感器。

这种三端数字传感器不需放大和a/d转换就可与计算机直接通讯，直接用于多种物理参数的监控、报警、检测和计量，在数字信息时代具有广泛的应用前景，这是z-元件的技术优势。

但由于z-元件是半导体敏感元件，对环境温度影响必然也有一定的灵敏度，这将在有效输出中因产生温度漂移而严重影响检测精度。

因而，在高精度检测计量中，除在生产工艺上、电路参数设计上应尽可能降低光、磁、力敏z-元件的温度灵敏度外，还必须研究z-元件所特有的温度补偿技术。

z-元件的工作原理本身很便于进行温度补偿，补偿方法也很多。

同一品种的z-元件，因应用电路组态不同，其补偿原理与补偿方法也不同，特就模拟、开关和脉冲频率三种不同的输出组态分别叙述如下。

二、模拟量输出的温度补偿对z-元件的模拟量输出，温度补偿的目的是克服温度变化的干扰，调整静态工作点，使输出电压稳定。

1．应用电路z-元件的模拟量输出有正向(m1区)应用和反向应用两种方式，应用电路如图1所示，其中图1(a)为正向应用，图1(b)为反向应用，图2为温度补偿原理解析图。

2．温度补偿原理和补偿方法在图2中，温度补偿时应以标准温度20℃为温度补偿的工作基准，其中令：ts：标准温度t：工作温度qs：标准温度时的静态工作点 q：工作温度时的静态工作点qs￠：温度补偿后的静态工作点vos：标准温度时的输出电压vo：工作温度时的输出电压在标准温度ts时，由电源电压e、负载电阻rl决定的负载线与ts时的m1区伏安特性（或反向特性）相交，确定静态工作点qs，输出电压为vos。

电导率设计之激励源初步设计激励源的设计在电导率测试仪的设计中是十分基础和重要的一个部分。

在宋小平的《JONES型电导池测量的LCR电桥等效电路选择》的文章中提到：采用交流测量方法可以有效避免或减少电极极化对溶液电阻测量的影响。

但是，交流测量会将回路中容抗的影响带入电阻测量中。

当然，采用交流测量是通用的方法选择，相比于直流测量，交流所带来的负影响比直流激励导致的严重的极化现象要小很多。

激励源的选择也是仁者见仁，智者见智。

有正弦波，方波，双极型方波，还有脉宽、幅度可调的双极型方波；有低频测量的，500Hz左右，也有相对高频的，2kHz左右的，也有采用双频测量的，更有甚者采用变频测量。

激励幅度有±5V 的，±3.1V，±2V的等等。

因此激励的类型，频率的高低，幅度的大小，有会在一定程度上影响溶液电阻测量的准确性。

为了更好的实验上采取多样化的激励源，为此设计了一个可编程的波形发生器。

也有人在电导率测试仪的开发中使用过。

系统采用AD9833，REF196GP，LF347N一起构建相关的波形发生电路，AD9833和REF196GP的设计参考官方的评估板的部分设计，LF347则是对波形进行调整，完成激励信号的产生。

原理图设计如下：在《海水淡化电导率在线测量系统研究》一文中有关于AD9833的介绍。

可以略作参考。

电路图的绘制出了一些原则性的错误，元器件中有DIP和SOP封装形式，没注意把所有元器件放在同一面，这样元器件将覆盖焊接点，布线完全错误。

舒迪师兄指导我，将尽快加以改正。

错误的原因在于没有结合实际情况，有些走线无法用热转印方法实现等等一些问题。

下一步的操作就是采用转接小板过渡，重新布线制版。

焊接，程序设计，产生激励源。

对430单片机有一些了解了。

准备采用MSP430F149开发此设备。

本周将完成真有效值电路的设计。

接下来就是自动换挡电路的设计和电源电路的设计了。

对LF347N的电路模块进行了仿真分析，分析工具采用NI的Multisim11.0.电路分析图如下：激励正弦波信号采用函数发生器产生：0.6Vpp，F=2.6kHz。

程控动态应变仪平衡范围灵敏度本系列动态应变仪为自动调平衡应变仪，可使用交流220V和直流供电方式；可组合成多通道。

每通道除了具备应变仪的性能外，还具有抗混滤波器，适合于在信号处理系统中做前置放大器使用。

采用拔盘校准开关。

频响宽，-3dB频响为DC～20kHz。

具有电压输出端，调节输出幅度。

自动修正输入电缆电阻变化导致桥压变化而引进的测量误差，具有带长电缆的能力。

关键电路采用数据放大器。

输出过流保护。

测量精度高、噪声低，稳定可靠，抗扰力强。

微机控制、数字显示转折频率清晰。

技术参数：通道：可组合成任意多通道（4、6、8通道）适用电桥电阻：60～1000Ω桥压：2、4、8 （由开关控制）平衡范围：使用电桥电阻的 ±1%（±5000με）平衡时间：电子自动平衡时间2秒灵敏度：120mV/10με（BV=4V）输出：输出电压±10Vp±5mA非线性：±0.1%F.S输出阻抗：1Ω灵敏度系数：2.00校准应变：10～9990με（三位拔盘开关）校准精度：±（0.5%±0.5με）灵敏度调节：（0、1、2、5、10、20）×100με 6级，微调1～3倍灵敏度调节精度：±0.5%高频上限：20kHz抗混滤波：连续可调衰减速率：140dB/oct信噪比：100με范围≤46dB其它范围：≤52dB零点漂移：±0.1με/℃±0.5με/24小时灵敏度变化：±0.05%/℃±0.3%/24小时工作环境工作温度：-10℃～+50℃工作湿度：≤85%RH（无冷凝）过荷：＞±10Vp电源：AC 220V±10% DC ±18VBGN8-6单孔细菌过滤器/微生物过滤装置本仪器按照标准设计而成，它适用于除菌过滤，菌落检查及液体中微粒的测定。

重量轻，体积小，适宜于净化台內操作。