新型智能静态应变仪

　　1　引　　言

　　为了克服传统电阻应变仪由于稳定性差、功能单一、无法集成的缺点,研制了一种以8051为核心的多功能智能电阻应变仪。该仪表测量精确,同时还增加数据存储、打印测量结果和与上位机的485通讯等功能,大大提高了仪表的智能化程度。

　　2　整机结构

　　测试系统硬件由信号调理电路和微机数字主电路两部分组成。如图1所示。

　　3　信号调理电路

　　应变测量的基本原理是用应变片感受物体表面应变;通过惠斯通电桥完成应变-电测的转换,然后利用电子电路进行电信号的测量,最后显示出应变值。由于电桥输出信号一般是μV级,所以要求电路前级放大部分必须有较强的噪音抑止功能,以免有用信号被外部的噪声淹没。

　　3.1　惠斯通电桥桥源

　　首先桥源不能随时间和温度变化而变化,其次电源的纹波必须要小,最后桥源选用电流源。采用电流源比采用电压源有许多优点,其中最主要的是消除了由温度波动和热效应引起的引线电阻的变化的影响。电流源电路如图2所示,其中基准电压来自于AD574第8脚的10V参考电压输出,输出电流I=U基准/(R1+R2),通过引入变阻器R2来控制输出电流的大小。

　　3.2　小信号放大

　　因为仪表最小分辨率对应的电桥电压输入为几个微伏,导致大部分运算放大器由于失调电压过高而不能使用。故采用温漂小的仪表放大器AD620和斩波放大器ICL7650。AD620是一种低价格、低功耗、高精度仪用放大器。只需一个外接电阻就可设置1～1000的放大增益。AD620具有很高的精度,且漂移小、噪声低,故可以应用于精确的数据采集系统。但是在系统开发过程中发现使用单个AD620来实现放大功能效果并不理想,故在前级另加ICL7650。ICL7650是intersil公司利用动态校零技术和CMOS工艺制作的斩波稳零式高精度运放,它具有输入偏置电流小、失调小(最大失调电压仅为1μV)、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂移低、性能稳定及价格低廉等优点。完全符合此类微弱信号的放大的要求。为了抑止放大电路两级间的噪声,放大电路采用仪表放大器的典型结构。电路由两级放大电路构成,第一级由两个ICL7650组成的具有差动输入端和输出端的输入级,两片ICL7650的输出端分别为Va和Vb,这两个信号分别加在仪表放大器AD620的两个输入端形成差动到单端的输出级。输出信号为V0-Vref,其中Vref为AD620参考端的输入电压。

　　3.3　量程自动切换

　　由于应变计一般测量范围为几千个微应变,以1千微应变、对应满量程为10V为例,1个微应变对应的AD输入电压为10mV,不利于AD对小应变进行采样,所以引入量程自动切换电路。当应变小于10时选择后级放大倍数为50,当应变为10～100时选择放大倍数5,当应变为100～1000时选择放大倍数为0.5,使得最后AD输入电压一般都在0.5～5V这个范围以内。仪表采用4051多路模拟开关作为切换的主要器件。电路如图所示,切换由51的P2.6和P2.7脚控制,放大倍数:K=1+R2/R1;其中R2*代表R21、R22、R23。