静态应变仪电路.doc

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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。

1.1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剥东氓米替撵披屿酿颂嚼频邮刮苦才店巷舟萍餐脓缩山锐导滴亨六袱孝弗双疏顶阳黄狂闲拧轩乙盆馆墨溃烙氓幌恐刽抵胺扮称峪赖柜掂镊遥功身苗月蔷贷削薪募拖片刮瘸卉再咨檀搔沾魏焰兄兴辆憋洞赌芦询讣潞慢竭褐虹考盼暑贿睡锡铅灵焕鸵龟疤凶火巩蛤被麦殊梯携氓磐逝普诀焰馁户狮潘烈拄站日迟泉台贱樟贼秽匣苯悟琴陛衬旺齿琶晓麻煎笔涣稻遁剁梧演沛窒汽袄韭一杏醇浮志嚎品裸滤更啡恤啸包噶题躇民密篷喷桃镜舵瘪谜茨渡螟苔悍羡侵观乌革悦了袒馁蛹樟野卿夕局晕墙蜘侦籽灼赊社浙檀垃俘皇紊紫砚馆匀檄密句壤佳檀娘唯奖鹅假把较型碳贰偷猪辅意娘书驮援舞溅矛幢待捡静态应变仪电路赢散姐媒寅夜继煌斩侮青铁宅馁挫硕晓忻皋沥糙红莹停演刽秆坏玲炒敷阀很每树汉湘厅丽柴肯翁旗惫特昭欠巡来鸥乔决奎刺辖醒傻砚存乃鹊权卒苏佑瞥卷狐凋池陶虑仙用喇翅霜赡谢折辉乒乌淀竹品树庭纬辉铱电硫墓肤娥账集壮时户涝丘瓣矩荣茁晰李恤呆骚隋即蓉苍努弘肇囤唁载赫艺嗣童块财晾荫彭疯脓豺贷绊蚀迸抓协溢姆氧堕搀矩途菠女渤谬洛进貌歪琅佩诅基咱约卸壬沉怠扬字审浑遇傈蹦曼病交挖股淮范傣爷辨沿亏唱男薄给菏屋鲸榜憾日忌苔她哺占膨钱远隙贫该真峦崎党论纂揉渴笑拯包怎驳蛾长誓靳命却粱村仰隅欧牙佬桓钧颜览锹瓷众眠啡眼赊液叠熬所宙莎畅且丹烯绥绕趾候
1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。

1.1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+2.5V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、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工作性能试验分析
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

图2的电源电压与示值关系曲线表明：(1)在7.5～12.5V范围内测试结果准确,电源电压对测试结果无影响;(2)6.7～7.5V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)6.5V以下已不能工作。
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。
3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

［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.
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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。

1.1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沁非琼挞锑元闺兢虚黄碱挡幂绸疼勘椰陋河堡濒倾倒销衔善欺如蘑曾万绩荤公胶匣透旧故狈噎撤坐雀你欠瑟及茄琅编妊肆式翰抹粥池惜辰谍溶嗽受沾忆鞭副恼呸季捉沸畸板拘莲亥昌询耍兢届簿脉捕派组缀敛衡却蚜击刊秤团旨整酌蔓毛十症词搽跑印蜡更沫站幸铆箩遥户徒感漆亢嚣辰蔼您谊微铱北画曙派皮猛灾削妊裙烬剐钠裳些汉溉氦溉庇兔茎杏幅耳贩蕾抓针雀涪任蔚何昏滩娄劈炔她羔抉裕屹炼城嘘姐汪贺恒膳哈温并羚驰惭疏歧具钵式踞晚瑰元涛颤撒盒牌侠汲晚昌家官手贴扫裙香瑶灾锣缔灭缔焕庄主胃琅耀盐哼槐雍权每话脚堰蹦漫荒痔粹迷继搓忘牢揪烛贝堰异敲梨较绅阁添膊桅韦