#KD6009应变放大器内容.docx

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#KD6009应变放大器内容

一、概述

KD6009型应变放大器是一种直流供桥差分直耦式高性能信号调节放大器，用于测量材料或结构的动静态应变及小信号电压测量。

如配用相应的电阻应变片或应变式传感器，可测量力、压力、扭矩、位移、速度、加速度等物理量的变化过程，是实验应力分析及动静力强度研究的一种重要工具。

本仪器具有如下特点：

●直流桥压长线补偿适合远距离传输，导线可长达1000米

●电子自动调平衡操作简单使用方便

●可选择的低通滤波器

●可作电压放大器

●数字显示

二、技术参数

2.1通道数：

8通道以内组合

2.2桥路电阻：

60～1000Ω

2.3供桥电压：

2、4、8VDC

误差：

±0.2％

电流：

50mAmax

2.4灵敏度系数：

k＝2.00

2.5平衡系统：

自动：

±5000με（桥路电阻R×1％桥路不平衡）

时间：

约10秒

2.6输入阻抗：

100MΩ

2.7额定输入电压：

0～±100mV

2.8共模电压：

±10Vp

2.9共模抑制比：

>100dB（DC～60Hz）

2.10增益：

100、200、500、1000、2000、5000

2.11精度误差：

±0.5%

2.12频响：

DC～1MHz-3dB±1dB

2.13低通滤波器：

1KHz、10KHz、100KHz、1MHz（线性F）-24dB/oct

2.14输出：

±5Vp/10mA

2.15.线性度：

0.05%

2.16噪声：

折合至输入端,输入短路,增益放置最大

12μVrms

2.17稳定度：

温度：

零点：

±1μVRTI*/℃

灵敏度：

±0.01%F·S/℃

时间：

零点：

±0.1%F·S/2h（输入短路）

灵敏度：

±0.1%F·S/2h

2.18输出指示：

四位半LED最大显示19999（多通道组合型为通道切换显示）

2.19显示模式：

DC

2.20电源：

220V±10%50VA

2.21工作环境：

温度：

0～40℃

湿度：

40℃（20～90）％RH

2.22尺寸：

340（宽）×133（高）×240（深）［八通道尺寸］

三、原理

3.1测量原理

电阻应变片多用金属箔印制腐蚀而成，也有用细金属丝绕制，测量应变时，首先要求应变片的应变与被测试件的应变相等。

因此要用粘结剂把应变片牢牢地粘贴在试件的测点上，当试件受到外力作用时，测点产生的变形通过粘结剂和应变片的基底传给应变片的敏感栅，于是敏感栅也随测点同时变形，从而引起电阻的变化。

这样把力学参数如压力、载荷、位移、应力等转换成与之成比例的电学参数。

用灵敏的惠斯顿电桥测出电阻值的变化△R/R，就可换算出相应的应变量，若用被测物理量来刻度，就可直读出非电量，完成了非电量电测。

电阻应变片的电阻变化率与试件的最大主应变之比称为电阻片的灵敏度系数k。

△R△L△R

k＝/＝/ε

RLR

式中ε是结构或材料的应变，是长度变化单位的相对值，是很微小的值，一般用με或μm/m（长度相对变化10-6）表示。

相应地电阻变化△R/R也是很小的值。

3.2仪器工作原理

仪器的原理框图见图1，各部分工作原理简述如下：

图1整机方框图

3.2.1前置放大器

如前所述，由于材料的变形引起的电阻变化△R是个很小的值，通过电桥将电阻微量变化转换成电压或电流的变化，一般在微伏到毫伏级，要处理该信号，就要求放大器有足够高的增益。

特别是前置放大器，它是应变仪中的关键部件，其漂移和噪声要极小。

本仪器前置放大器采用高性能运放组成同相输入差分仪表放大电路，这种测量放大器具有低噪声、低漂移、高输入阻抗、高共模抑制比、高线性度等一系列重要优良特性，从而保证了整机的稳定度。

3.2.2加法器

加法器对前置放大器，自动平衡电路，标定信号进行处理，当桥路存在固有不平衡时，前置放大器输出一个不平衡电压，自动平衡电路亦输出一个与其幅度相等方向相反的补偿电压，经过加法器使用其相互抵消，放大器输出为零。

本机标定采用电压注入法，通过开关控制，从加法器输入一个与应变成比例的电压，它不受电桥电阻的限制。

3.2.3衰减器中间放大器

中间放大器对小信号再次放大以满足整机灵敏度的要求。

3.2.4低通滤波器

为了有效的滤除无用的高频分量，本机设置了分档调节的低通滤波器，滤波器采用四阶巴特澳斯型，具有平坦的幅频特性和较线性的相频特性，使系统有较高的信噪比。

3.2.5输出放大器过载指示

本机设有输出放大器，放大器采用前馈补偿技术，有较强的容性负载能力，有限流保护措施。

过载指示器是监视电压输出是否超出有效电压范围，灵敏的自举电路能使短至数十微秒的脉冲激励电路，保持发光约1秒。

3.2.6自动平衡电路

该电路由过零比较器、计数器、D/A转换器等组成，人工启动后，D/A转换器向加法器输出一个线性度极高的斜坡电压，当放大器输出经过零点时，过零比较器动作，计数器中断计数，D/A转换器输出一恒定电压补偿测量电桥的不平衡输出，使放大器输出为零，达到自动平衡。

3.2.7桥压源

应变测量中，桥压源的稳定性是非常重要的，本机采用高稳定的能带间隙基准源及运算放大器控制的高精度稳压源。

对于远距离测量，导线电阻造成的系统误差往往是不允许的（指供桥电源线），尽管可以通过长线修正减小此误差，但修正的方法既麻烦，又不准确，因此本仪器采用四线桥压模式，两线用于向桥路供电，两线用于采样（桥路输出的两线接放大器称为六线测量系统），由反馈回路控制电源放大器，使其输出提高，提高的输出电压正好补偿导线线阻压降，保证施加在桥路上的电压为标称额定值，处理数据时不需要修正。

四、面板操作功能

4.1前面板

4.1.1电源带显示通道（面板左侧），该单元上有显示功能切换键。

4.1.1.1显示器由五位LED组成，正负号自动切换，显示值为直流19999，分辨率1mV（多路时显示器共用），作直流零点监测或标定。

4.1.1.2通道显示，由单只LED指示当前通道。

4.1.1.3通道及功能切换键在通道显示单元下方，用微动按键按动切换。

按键功能分别为：

通道：

切换通道，由独立LED显示器指示，循环切换。

（按键为左上方）

增益：

切换增益（所指增益为当前增益指示值×100），循环切换。

（按键为左下方）

桥压：

改变应变片或传感器供桥电压，循环切换。

（按键为右上方键）

低通：

切换低通滤波频率点，循环切换。

（按键为右下方键）

平衡：

本仪器为自动平衡。

平衡前应设置好量程、桥压等，然后按平衡键，平衡完成后如显示不为零，应在测量时扣除该值，特别是在测量小信号时更为重要。

（平衡键为中央键）

4.1.2通道功能

4.1.2.1通道部分为每单元独立，功能显示均以电子开关切换，并以LED（发光二极管）显示量程档位。

4.1.2.2当需要某通道的数值要设定时，请根据4.1.1.3所示操作方法来改变。

4.2后面板

4.2.1风扇，接通电源即工作，使仪器散热。

（四通道以内不配）

4.2.2不接地/接地开关，根据测试情况而定（见6.4）。

4.2.3交流/直流开关在用AC：

220V电源时，开关拨至交流方向，用直流时，开关拨至直流方向。

4.2.4电源插座供220V交流使用，插座内藏备有保险丝一只。

4.2.5直流接线柱用于外接直流，红接+12V，黑接-12V，中间为地。

五、使用方法

5.1输入连接

①.全桥应变片或应变式传感器的连接。

S-:

负桥压补偿P-:

负桥压in-:

负输入

S+:

正桥压补偿P+:

正桥压in+:

正输入

图2

本放大器输入为七芯插座，各芯的功能见图2，输入电缆为六芯对绞、双护套、双屏蔽抗干扰电缆，插座的第七芯为内层屏蔽，外壳为外层屏蔽,连接时，在应变计的一端内外屏蔽层均应开路，保证系统只有一点接地。

最长输入电缆可达1000米。

各种桥路接法可参看附1：

桥盒接线方法。

②.1/4桥，半桥的连接

当使用1/4桥或半桥测量时,必须配接一只电桥盒，图3所示电桥盒内置二只120Ω的精密电阻位置。

图3

如远距离测量，应首先考虑延长电桥盒至放大器的连接电缆，以利发挥六线制测量的优点，应变片到电桥盒的连接线要尽量短并采用四芯屏蔽电缆。

如引线较长时,对测量值要进行修正。

③.电压测量方法

电压型输出的传感器或电压信号可接入本仪器进行测量，最大输入电压≤±50mV，由于输入电路不能完全浮地，对于正负输入端必须有一个回到地回路的连接线。

接线方法参看“桥盒接线方法”电压输入一栏。

5.2输出连接

本仪器额定电压输出为峰值±5V，如输出严重过载或在自动平衡调节过程中，特别是在高增益档，放大器输出处于饱和状态，最大输出可达到峰值±6V左右，连接到记录设备时要注意，对于输入有要求的记录仪，应使放大器调过平衡后再接入，在使用中应避免输出过载，对于输入过载能力较强的仪器不必考虑上述问题。

5.3桥压的选择

①.本机采用直流桥压。

②.供桥电压采用四线制。

在桥路端点P＋与S＋连接，P－与S－连接，接触要牢固不可接错。

如果只用功率线P+与P-，不用取样线S＋与S－，则长线时桥压不具补偿作用。

③.向应变片施加桥压时，应从低到高逐渐加大，为提高灵敏度在允许的情况下，尽可能提高桥压来实现，但要注意激励电压过高会使应变片发热影响稳定性，桥压40％应变片功率增加100％，正确的选择应使流过应变计的电流不超过25mA。

5.4平衡

①.将应变片或应变传感器与桥盒相连，桥盒与仪器相连，选择适当的桥压。

②.放大器预热30分钟

③.将增益切换至适当的位置，按自动平衡按钮，约10秒后放大器输出回零，输出小于10mV。

④.测量中如切换桥压或改变增益，应重新进行一次平衡调节，在重调平衡时，传感源要在卸载的情况下进行，否则自动平衡电路会误将传感器应力输出信号作为不平衡输出对待，一起进行平衡予以清除。

⑤.作电压放大器使用时，先将输入端对地短路，按自动平衡按钮，放大器输出为零，然后再进行电压测量。

（接线方法见图5）

5.5增益及应变量计算

本放大器增益为六档。

测量时增益的选择以输出电压上限不超出10V，下限不低于1V，当输出高于或低于该数值，可降低或提高放大器增益，使其处于最佳信噪比状态。

仪器的应变计算为：

4×输出电压（V）×106

机械量（με）=

K×桥压（V）×有用桥臂数*×仪器增益

*有用桥臂数：

指工作片数量而不是含补偿片。

5.6滤波器

本放大器设有四档低通滤波器，可根据实际情况确定档位，设置频率档应高于被测频率的三倍。

5.7显示单元

显示器是对通道零点、标定值进行显示。

该显示器为直流电压表，通过通道切换显示各通道数值。

5.8测量值的修正

①.应变片灵敏度系数的修正

由于本放大器设置的应变片灵敏度系数k＝2.00，当使用应变片灵敏度系数不等于2.00时，对测量值需要进行修正。

2.00

ε’＝×ε

kc

式中：

ε’：

为修正后的测量值

ε：

测量值

kc：

所使用的电阻应变片灵敏度系数

②.不同桥路结构的修正

当桥路中只有片工作（1/4桥）或电阻式应变传感器接法时，对测量值不需要进行修正，桥路中有2片或4片工作时，需要对测量值进行修正。

ε

半桥（2片工作片）：

ε’＝

2

ε

全桥（4片工作片）：

ε’＝

4

③.应变片联接导线较长时的修正

当应变片桥盒之间联接的导线较长时，设导线电阻的阻值为r（Ω）见图3，由于r串联接入桥臂，但r不随应变而变化，故桥臂阻值的相对变化率将减小，使仪器输出信号变小，所以对测量值进行修正。

2r

ε’＝（1＋）ε

R

当r≥0.05%R时进行修正，R为使用的应变片阻值。

表2导线截面积与电阻的关系

表2

标称截面积mm2

20℃直流电阻Ω/km