高精度材料试验机力测量器的研制

　　引　言

　　材料拉伸试验是应用广泛的材料力学性能测试方法,它可以测定材料的强度、弹性、塑性、硬化等重要的基本力学性能指标,这些是对材料进行评价的基本参数,也是各类工程构件的强度、刚度、稳定性设计的基本依据之一。材料试验机就是用于进行拉伸试验以测定这些性能参数的仪器。

　　在材料试验机力学性能试验中,经常需要测量应变、位移、力值,这就要用到电阻应变计(应变片)、位移传感器和压电力传感器等测量电气元件,通过它们将检测到的各种非电量变化转换为电压信号,再输入试验机测量主系统。但这种变化量一般都非常微小,使得转化后的电信号只有几毫伏到几十毫伏,并且还经常伴有许多干扰信号。因此,常常需要根据实际情况用信号调理电路对低电平信号进行放大、相敏解调、滤波、电平变换等前期处理,再通过模数转换通道输入主系统中才能进行存储、处理、显示、打印等后续工作,所以在传统材料试验机力学性能参数测量电路中常常包括这些基本信号调理电路。随着超大规模集成电路技术的发展,高集成度集成电路无论在模拟信号还是数字信号调理中都起着重要作用。专门用于测量的模数转换器(ADC)常常在芯片内包含可编程增益放大器(PGA)和可编程数字滤波器(PDF)等电路,从而将对外部调理电路的要求减少到最低限度,并推动材料试验机向着高精度化、自动化、系统化、微小化、复合化方向发展[1]。本文在介绍传统材料试验机中力测量模块电路基础上,重点讲述一种高精度电桥传感器模数转换芯片AD7730的主要特点、结构和工作原理,及其在高精度材料试验机力测量器中的应用。

　　1　传统材料试验机中力测量模块电路

　　从上世纪50年代开始,随着非电量电测技术的发展,传统的测量方法逐渐被电测法所取代,并且出现了一些新型的试验机和试验设备,如电子万能试验机及电液伺服试验机等[2]。在采用电测法的材料试验机中,各种力学性能参数(应变、位移、力值)测量电路基本类似,只是所用的测量电气元件有所不同,如图1所示电子测力系统方框图中,如果将负荷传感器换成位移传感器就是位移测量系统了,这就有利于进行模块化设计,实现试验机测量系统的优化升级。

　　以力测量模块电路为例,如图2所示。它采用载波调幅原理,应变片桥路将检测到的被测对象所承受负荷转换成电信号,然后用正弦振荡器产生的频率较高的载波进行幅度调制,再将调制波经过交流放大、相敏解调、低通滤波,通过A/D通道输入测量主系统。这里正弦波振荡器和移相器也可以改用专用的精密波形发生器,以产生高质量的载波及提供稳定的相敏解调参考信号。该力测量模块电路的优点是增益高(可达几万倍以上)、零点漂移小、负荷测量范围宽,由于有相敏解调环节,因而抗干扰能力强[3]。缺点是线路复杂,频率响应易受载波频率所限,不能满足某些特别情况下的高精度要求。