宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统技术方案

本发明专利技术公开了一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，包括应变传感器和应变信号转换功能块，应变信号转换功能块依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微控制器功能块，应变信号转换功能块还连接桥源功能块和桥压实时回采功能块，固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有硬件归零功能块；固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型仪表放大器，低噪声差分输入型仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。本发明专利技术实现了高精度、宽范围、抗干扰、小型化的应变信号调理，集成度更高、功能更全、封装更小。

A Wide Range and High Precision Signal Conditioning System for Resistance Strain Measurement of Static Single Arm Bridge

【技术实现步骤摘要】
宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统
本专利技术涉及测控
，具体的说，是一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统。
技术介绍
材料力学试验中经常采用应变表征材料损伤演变过程，通过测量材料的局部应变演变过程可以用于预测与评价材料的损伤。含能材料部件属于高弹性模量材料，在力或者热等外在载荷激励下，自身内部应力分布将发生变化，通过多点布置应变传感器即可观察到各点应变的变化。含能材料部件在力或者热载荷激励下，其应变变化范围约为100～104με，在不同数量级上的应变数值均具有不同的结构强度与结构力学意义，这对横跨4个数量级的宽范围测量与高精度测量提出了需求。随着装备向高可靠性方向发展，对装备中的结构薄弱部件进行植入式在线监测需求越来越大，对于应变测试系统的小型化提出了直接需求。相比于半桥与全桥应变测量方法，单臂桥具有传输线路少、线路连接简单等优点，广泛应用于常温应变测试工程领域。现有的适用于静态单臂桥应变测量的调理技术无法满足植入式在线监测中对应变测试系统的宽高精度、宽范围、小型化、低电源与低功耗的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，用于解决现有技术中静态单臂桥应变测量的调理系统无法满足植入式在线监测中对应变测试系统对高精度、宽范围要求的问题，以及无法满足低电源与低功耗的问题。本专利技术通过下述技术方案解决上述问题：一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，包括应变传感器以及与应变传感器连接的用于将力学应变量转化为微伏级的电压量的应变信号转换功能块，所述应变信号转换功能块的输出端依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微控制器功能块，应变信号转换功能块还依次连接有用于给应变信号转换功能块提供电源的桥源功能块和用于实时采集桥源电压的桥压实时回采功能块，所述桥压实时回采功能块与所述微控制器功能块连接，所述固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有硬件归零功能块；所述桥源功能块采用专用电源集成电路，所述桥压实时回采功能块依据桥源功能块允许误差设计和计算模数转换最低位数；所述固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型仪表放大器，所述低噪声差分输入型仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。应变传感器连接应变信号转换功能块，实现将力学应变量转化为微伏级的电压量，桥源电路为应变信号转换功能块提供电源，微伏级应变信号连接低噪声差分输入型仪表放大器实现一级放大，一级放大后的信号连接低通滤波器实现滤波，滤波后的信号通过程控放大模块进行二级放大，二级放大后的信号经过模数转换后输入微控制器功能块实现信号采集。桥压实时回采功能块将桥源电压实时采集，硬件归零功能块通过测量零负载下的应变信号输入，经过数模转换后输出为低噪声差分输入型仪表放大器的归零参考电压，实现高精度硬件归零。利用一级放大的差分输入与差分输出，二级放大额差分输入，传输线路的电容交流滤波、级间低通滤波等提高信号质量的信号处理方法，实现了应变信号高精度测试，其中，传输线路电容交流滤波设置在固定增益放大功能块的差分输入信号的正负信号端，采用电容直接接地方式实现；级间低通滤波接收固定增益放大功能块信号，通过低通滤波器滤波后，输出到程控增益放大模块。进一步地，所述固定增益放大功能块的增益A1设计方法为：步骤S100：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压具体包括：步骤S110：计算等臂电桥的单臂应变测试中，空载下由于电阻精度误差所致的输出电压偏差ΔUin：其中：K表示应变传感器的灵敏度系数；Us表示惠斯登电桥电压；R1表示单臂应变传感器的特征阻值；R2～R4分别表示等臂电桥中桥臂电阻；ΔR2～ΔR4分别表示桥臂电阻的误差值，ΔR1表示单臂应变传感器特征阻值的最大偏差值；e2～e4分别表示桥臂电阻的误差率，其中e1表示单臂应变传感器偏离特征阻值的最大误差率；步骤S120：固定增益放大器的内部噪声所致的等效输入噪声电压ΔUnrms的计算方法为：其中：B为静态应变测量中设计的低通滤波带宽；Vn为固定增益放大功能块的等效输入噪声电压；步骤S130：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压步骤S200：确定固定增益放大功能块的增益A1，具体为：根据空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压确定固定增益放大功能块的增益A1，其中，URefAdS为固定增益放大功能块的参考电压；为程控放大模块的最小增益值。进一步地，所述程控放大模块包括程控增益放大功能块、ADC和程控增益电阻，所述程控增益放大功能块的输入端连接所述滤波模块，程控增益放大功能块的输出端连接所述ADC的输入端，所述ADC的输出端与所述微控制器功能块连接。进一步地，所述程控增益放大功能块的程控增益其中i标识程控增益级别，i＝1,2,3,4；程控增益的选择方法为：步骤A1：测试前设定程控增益放大功能块的初始增益为最高级增益步骤A2：判断程控增益放大功能块放大后的信号Uin是否在之间；若在区间内，则增益不调整，当前增益为本次测量选择的增益，结束；若高于上限值，则进入下一步：步骤A3：降低一级程控增益级别，返回步骤A2。进一步地，还包括：步骤A4：后续测量中以上次测量的增益为增益初值；步骤A5：测量后判断放大后的信号是否在之间，如果是，则选择当前增益为本次测量选择的增益，结束；若高于上限值，则进入步骤A6；若低于下限值，则进入步骤A7；步骤A6：降低一级程控增益级别，返回步骤A5；步骤A7：提高一级程控增益级别，返回步骤A5。进一步地，所述硬件归零功能块包括归零DAC，所述归零DAC中计算并输出归零电压值的步骤为：步骤一：获得空载下的测量输出同时记录该输出对应的程控放大模块的程控增益步骤二：计算归零电压初值步骤三：通过微控制器功能块与归零DAC将归零电压初值传输到固定增益放大功能块的参考电压端，作为参考电压输入端初值步骤四：采用自动控制理论设计快速归零计算控制器，计算归零电压值，具体为：(1)以设定的归零后应变输出值Uos为输入量，以实时应变输出值Uo作为被控量和反馈量，输出归零电压Uz，被控对象由固定增益放大功能块和程控放大模块组成；(2)选用带积分初始值的连续量调节方法计算归零电压Uz：其中，为积分初始值，数值上为测试启动归零时刻采集到的固定增益放大功能块的输出值，即为设定的归零应变值Uos与尚未完全归零时的应变输出值Uo的差值，即e(t)＝Uos(t)-Uo(t)；Kp、Ti与Td为调节归零效率的调节值；(3)计算归零电压时，以设定应变输出值为0με，控制器可快速实现实时应变输出低于1με，停止归零过程后，停止时刻的归零电压控制器的输出值即为应变测量时候的归零电压值。为避免电子元件精度、噪声与干扰等造成获取的归零电压震荡问题，采用自动控制理论设计快速归零计算控制器，可快速计算出稳定的归零电压值，实现高效归零。进一步地，所述桥源电压回采功能块包括桥压精确测定电路，所述桥压精确测定电路用于实现满足4个数量级跨度的分辨率，桥压精确测定电路的实现方法为：1)根据应变输出值计算低限εMin＝1με时，满足低限测量的最少位数NPoSa本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，其特征在于，包括应变传感器以及与应变传感器连接的用于将力学应变量转化为微伏级的电压量的应变信号转换功能块，所述应变信号转换功能块的输出端依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微控制器功能块，应变信号转换功能块还依次连接有用于给应变信号转换功能块提供电源的桥源功能块和用于实时采集桥源电压的桥压实时回采功能块，所述桥压实时回采功能块与所述微控制器功能块连接，所述固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有硬件归零功能块；所述桥源功能块采用专用电源集成电路，所述桥压实时回采功能块依据桥源功能块允许误差设计和计算模数转换最低位数；所述固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型仪表放大器，所述低噪声差分输入型仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。

【技术特征摘要】
1.一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，其特征在于，包括应变传感器以及与应变传感器连接的用于将力学应变量转化为微伏级的电压量的应变信号转换功能块，所述应变信号转换功能块的输出端依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微控制器功能块，应变信号转换功能块还依次连接有用于给应变信号转换功能块提供电源的桥源功能块和用于实时采集桥源电压的桥压实时回采功能块，所述桥压实时回采功能块与所述微控制器功能块连接，所述固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有硬件归零功能块；所述桥源功能块采用专用电源集成电路，所述桥压实时回采功能块依据桥源功能块允许误差设计和计算模数转换最低位数；所述固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型仪表放大器，所述低噪声差分输入型仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。2.根据权利要求1所述的宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，其特征在于，所述固定增益放大功能块的增益A1设计方法为：步骤S100：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压具体包括：步骤S110：计算等臂电桥的单臂应变测试中，空载下由于电阻精度误差所致的输出电压偏差ΔUin：其中：K表示应变传感器的灵敏度系数；Us表示惠斯登电桥电压；R1表示单臂应变传感器的特征阻值；R2～R4分别表示等臂电桥中桥臂电阻；ΔR2～ΔR4分别表示桥臂电阻的误差值，ΔR1表示单臂应变传感器特征阻值的最大偏差值；e2～e4分别表示桥臂电阻的误差率，其中e1表示单臂应变传感器偏离特征阻值的最大误差率；步骤S120：固定增益放大器的内部噪声所致的等效输入噪声电压ΔUnrms的计算方法为：其中：B为静态应变测量中设计的低通滤波带宽；Vn为固定增益放大功能块的等效输入噪声电压；步骤S130：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压步骤S200：确定固定增益放大功能块的增益A1，具体为：根据空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压确定固定增益放大功能块的增益A1，其中，URefAdS为固定增益放大功能块的参考电压；为程控放大模块的最小增益值。3.根据权利要求1或2所述的宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，其特征在于，所述程控放大模块包括程控增益放大功能块、ADC和程控增益电阻，所述程控增益放大功能块的输入端连接所述滤波模块，程控增益放大功能块的输出端连接所述ADC的输入端，所述ADC的输出端与所述微控制器功能块连接。4.根据权利要求3所述的宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，其特征在于，所述程控增益放大功能块的程控增益其中i标识程控增益级别，i＝1,2,3,4；程控增益的选择方法为：步骤A1：测试前设定程控增益放大功能块的初始增益为最高级增益步骤A2：判断程控增益放大功能块放大后的信号Uin是否在之间；若在区间内，则增益不调整，当前增益为本次测量选择的增益，结束；若高于上限值，则进入下一步：步骤A3：降低一级程控增益级别，返回步骤A2。5.根据权利要求4所述的宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，其特征在于，还包括：步骤A4：后续测量中以上次测量的增益为增益初值；步骤A5：测量后判断放大后的信号是否在之间，如果是，则选择当前增益为本次测量选择的增益，结束；若高于上限值，则进入步骤A6；若低于...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晓辉，田昕，温茂萍，付涛，蓝林钢，王胜男，唐明峰，冯志强，甘海啸，刘洋洋，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51