基于锁相放大器的万能试验机采集系统研制

　　万能材料试验机是一种配备全数字化测量控制系统的试验机，主要用于橡胶、塑料、金属、水泥等材料拉伸剥离等力学性能试验[1]。 材料试验机作为一种精密测试仪器，对于材　　料科学的发展，工业产品和工程结构设计，有效的使用材料，改进工艺，减轻产品重量和缩小体积，提高产品质量和 降低成本，以及保证产品安全可靠，提高使用寿命，都具有极其重要的作用。 目前，国内传统的万能材料试验机在功能、精度、成本上都有不少改进的空间。 本文基于意法半导体公司的STM32 处理器作为采集控制系统的核心。 在力传感器等小信号采集中，设计了一种混合式锁相放大器的方案，采用多个处理器完成小信号采集。利用 8 位单片机 STM8S 自带的编码器接口，通过 PCI 专用接口芯片，设计了一种高精度，接口电路简单，性价比高的万能材料试验机解决方案。

　　1 系统总体设计和工作原理

　　试验机的总体结构如图 1 所示，整个系统包括：主控制芯片 STM32，数据采集部分，控制部分，与计算机通讯接口和无线手操器等 5 部分。 数据采集包括测量力、形变、位移等量。 力和形变两个量，为毫伏信号，为了实现高精度采集，同时保证一定速度，采用一种混合式的锁相放大器来完成。 位移量信号经过光电隔离后，进入 STM8S 单片机，利用其自带的编码器接口模式进行采集，再通过 IIC 与 STM32 通讯。 对于控制方式，有两种模式。 对于伺服电机，通过定时器产生一定频率的脉冲信号，对于液压系统，通过 DA 来控制。 与 PC机的通讯，通过专用的 PCI 接口芯片，与 STM32 连接。而对于手动控制实验的手操器，采用无线方式连接。

　　2 高精度小信号采集模块

　　试验机系统的一个重要指标就是力传感器等小信号采集的精度和速度。 而且采集系统的速度与精度又直接影响到控制系统的性能。 这些传感器满量程 10 mV 左右，要达到十　　万分之一的分辨率，就需要能测量出 100 nV 的信号。 对于如此小的信号快速精确的采集是本系统的关键。 如何把微弱的有用信号从背景噪声中提取出来，是小信号采集的关键。 在微弱信号检测的各种技术中，检测精度比较高，应用最为广泛的是锁相放大器。

　　锁相放大器是一种运用互相关原理，对检测信号和参考信号进行相关运算的设备。 锁相放大器的基本原理如图 2 所示。 锁相放大器的原理是基于这样的事实，噪声同时符合与　　信号既同频又同相的概率是很低的。 锁相放大器包括信号通道、参考通道、相关器等几部分[2]。 信号 通 道 将 伴 有噪 声 的 输入信号进行放大、滤波等预处理，以滤除信号通带以外的噪声;参考信号提供与被测信号同频，并有一定相位差的信号;相关器包括相敏检波器(乘法器)和低通 滤波器(积分器)，经过相敏检波器会出现输入信号与参考信号的差频项与和频项，再通过低通滤波器滤除和频项，保留差频项，最后输出的直流信号只与被测信号 振幅成正比。