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电阻应变仪

测试技术与应用论文

应变式传感器测试系统设计

学院：

航空宇航学院

专业：

测试计量技术及仪器

学号：

SX1401112

姓名：

高媛

南京航空航天大学

2015年01月

应变式传感器测试系统设计

1应变式传感器测试系统简介

工程应用中使用应变片作为传感元件，对应变、应力相关物理量进行测量。

在被测构件表面黏贴电阻应变片，当受到外力作用时被测构件发生形变，应变片敏感栅及其电阻值产生变化，其受到的外力和电阻变化量具有一定比例关系，将应变片接入测量电桥，电桥将微弱的应变转换为点信号输出，经过调理电路和模数转换，输入计算机进行处理显示储存，得到测量应变值。

2应变式传感器

电阻应变片一般由敏感栅、基底、覆盖层和引线组成（图2.1）。

测量时，电阻应变片按一定方向粘贴在试件的测量位置上。

实验证明，在一定范围内，应变片的长度变化率与电阻变化率有下述关系，即

（2-1）

式中，R为应变片的标称电阻，ΔR为电阻变化量，K为电阻应变片的灵敏系数，ε为试件的应变。

K值主要取决于敏感栅的材质、几何形状与尺寸，一般在1.8~2.8之间。

表2.1为实验中用到的箔式式电阻应变片参数。

两种类型应变片最大应变时，理论计算电阻的变化值为：

（2-2）

图2.1电阻应变片组成和各种类的应变片

表2.1试验所用到的应变片参数

3总体方案设计

本次应变测试模块为由非线性校正电路、RFI滤波、三运放放大电路、低通滤波器四部分组成。

电源电路为应变测试电路中的各部分提供稳定的供电电压；被测对象应变量通过电阻应变片和电桥转换为电压信号，通过非线性校正电路可以将这一对应关系转换为线性关系；放大电路主要对电桥输出电压信号进行放大，便于后续测量处理，通过调节电位器可以改变电压放大倍数；低通滤波器主要作用是滤除掉输出信号中的不需要的交流成分，最后通过输出接口输出。

由于输出信号通过NIPxIe-6536数据采集卡采集，其输入范围在-10V~+10V之间，为了防止电荷放大器的输出电压超出采集范围，引起数据采集卡意外损坏，因此设计了输出电压过载指示电路。

在原理图设计完成后，根据原理图先组装一个实验电路进行性能试验，进一步验证原理。

由于本文所设计电路最高工作频率为几千赫兹，属于低频范围，所以可以使用面包板搭接实验电路，实验电路元器件都尽量以最短距离布线。

3.1电源模块设计

电源电路是电子电路的能量供应部分，在选取电源时，首先考虑了使用市电供电，因为比较方便得到。

电网的噪声是电子电路的受干扰的主要源头之一，电源电路本身就是一个干扰源，例如纹波、尖峰脉冲等，都是对电路造成干扰的重要原因。

因此，抑制电源噪声是电源模块抗干扰技术非常重要的问题。

在实际实验中发现电路中仍然存在低幅值的50Hz工频噪声，但是经过放大电路放大后，其幅值也会相对较大，本文使用了双T网络陷波器实现，如图3.2所示，双T网络要求

根据截止频率公式

，调节滑动变阻器，当R1=R2=30.4kΩ，,C1=C2=0.1μF，C3=0.2μF时，陷波器截止频率为50Hz。

图3.250Hz陷波器

3.2非线性校正电路

应变片电桥电路就是将电阻的变化转化为电信号的电路，按照供电电源的不同分为直流电桥、交流电桥。

通常由电阻应变片和电阻共同组成桥臂，按桥接方式组成单臂电桥、半桥双臂、全桥四臂三种，如图3.3。

图3.3桥路连接图

对电路进行分析得出：

（3-1）

当满足R1R4=R2R3时，电桥输出电压为零，电桥达到平衡状态。

本次实验考虑到方便性选择单臂电桥，有一个桥臂随被测量而变化，设该桥臂变化的电阻为R1，电阻随被测量变化而产生的电阻增量为△R，当R1=R2=R3=R4时，根据式（3-1）得出输出电压：

（3-2）

从公式中可看出，当△R远远小于R的情况下，应变片变化的电阻与桥路的输出电压成一定的线性关系。

3.3射频干扰（RFI）滤波

在现实环境中，必须考虑无处不在的射频干扰（RFI），当有很强的RF干扰存在时，它可能会表现为直流输出失调电压误差。

放大器的CMRR能力通常会减小在其输入端的共模信号，但是在20kHz以上的频率条件下没有CMRR能力。

本电路中，检测微小信号的电压在毫伏级，所以必须处理射频干扰。

很强的射频信号首先被放大器的输入级整流，然后表现为直流失调误差。

一旦被整流，其输出端的低通滤波也不能去除这个误差。

如果RFI是断续性的，这会导致无法检测的测量误差。

RFI滤波器实质是在放大器前设计一个差分低通滤波器，对RF信号进行衰减。

该滤波器需要完成如下功能：

尽可能多地从输入端去除RF能量，保持每个输入端和地之间的交流信号平衡，以及在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。

本文中设计的RFI滤波器电路如图3.4所示，首先，确定两个串联电阻器R1、R2的阻值，同时保证前面的电路能够驱动这个阻抗，推荐电阻值在2kΩ和10kΩ之间，电阻产生的噪声不应当大于后级放大器芯片的噪声。

采用一对2kΩ电阻器，约翰逊噪声会增加8nV/Hz；采用4kΩ电阻器，会增加11nV/Hz；采用10kΩ电阻器，会增加18nV/Hz。

由于后级放大器TLC2652典型噪声为23nV/Hz，因此，电阻选择10kΩ；其次，确定C2电容器的值，它确定滤波器的差分带宽。

在保证不衰减输入信号的条件下，这个电容值最好总是选择得尽可能低。

本文选择0.22μF，最后确定C1、C3的电容值，它们决定了共模带宽。

对于可接受的CMRR，其带宽应当小于由C2电容值设置的差分带宽的10%，选择电容值为1nF，通过仿真分析，该电路下限截止频率为352Hz左右。

图3.4RFI滤波器及其幅频特性曲线

3.4放大电路设计

在放大0~5mV的低电平信号时，普通的集成运放一般具有mV级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，因而将普通集成运放直接用于微弱信号的放大是十分困难的。

要求用作前置放大器的集成运放具有高的输入阻抗,低的输出阻抗,低失调电压和温度漂移以及精密的反馈特性和高的共模抑制比能力，否则造成的漂移问题将使系统无法正常工作。

本文采用德州仪器公司生产的斩波稳零型运算放大器TLC2652，主要由主放大器、校零放大器、时钟和开关电路、补偿网络和箝位电路（CLAMP）组成。

该芯片输入失调电压为0.6μV，温漂为0.003μV/℃，长期漂移为0.003μV/月，输入噪声电流为0.004fA/Hz，共模抑制比为120dB。

在同等条件下，测量微小信号的失真更小，分辨率准确度更高，长期稳定性更好。

根据电桥输出电压公式和应变公式，可得出电桥输出电压与应变值的关系为：

（3-3）

来自传感器的信号通常伴随着很大的共模电压，因此本文采用了经典三运放高共模抑制比电路，由三片TLC2652组成，两个运放组成同相并联输入第一级放大，以提高放大器的输入阻抗和增益，另一个为差动放大，作为放大器的第二级，整个电路的共模抑制比取决于第一级放大电路中的两个运放共模抑制比的对称成都、第二级放大电路运放的共模抑制比、差动放大级的闭环增益以及电阻的匹配精度等，电路图如图3.5所示。

从电路中可以得知，电桥两端输出电压V1和V2分别接入两个运算放大器U1和U2的同相输入端，构成平衡对称差动放大输入级，用来抑制两者共模信号，电阻R3和电阻R4、R5组成深度的电压串联负反馈，U3构成双端入单端输出的反相放大输出级。

根据差分放大器的原理，可以得到:

（3-4）

为了提高电路的CMRR和增益稳定性，电路中取R3=3.9kΩ，取R1=R2=10kΩ，R5=R4=1MΩ，R8=R6=10kΩ，代入上式进行计算，该电路的放大倍数理论值为-513倍。

在实际电路中存在电阻不匹配的问题，会造成电路的CMRR下降。

平衡失配产生原因不仅来自电阻的精度，还与电阻的分布电容、频率特性等因素有关。

图3.5三运放放大电路

3.5低通滤波电路

由于电路器件噪声，外界辐射干扰，使得微弱信号放大后夹杂着高频噪声和较低频率的输出波动，因此需要采用低通滤波器提高信噪比，这里设计简单的RC低通滤波器，用于滤除交流信号和放大电路中与时钟频率相关的尖峰信号。

本次应变仪需要测出频率为0-50Hz,根据

选择R=300KΩ，C=0.1μF。

借此滤波50Hz以外的杂波。

4应变仪实验分析与调试

4.1自制应变测试电路

本次试验采用GWINSTEK公司制造的GPC-3060D直流稳压电源提供±5V电源，选择TEKTRONIX公司出产的MD03012型号示波器观察波形，如图4.1。

图4.1直流稳压电源和示波器

本次实验通道一的放大倍数固定为513倍，而通道二放大倍数可调。

已知应变片的电阻变化率和应变值关系为

（k为灵敏度系数）。

通过第三章可以推出应变电路的输出电压和可测应变值关系如下：

（4-1）

其中，n为放大倍数，U0为电路输出电压，U为电桥电压。

试验中采用悬臂梁的形式，一端固定，另一端为自由端。

在悬臂梁上事先贴好应变片，随后在自由端悬挂砝码，不加砝码为初始状态，此时数值是由于未调零，电阻本身标称值与实际值的误差使得电桥的不平衡输出，经过测试此数值对本次试验不影响，可以后续用软件消除，所以通过示波器观察不需要调零。

之后依次加入砝码，共5枚砝码，每次加一个100g重量的砝码，待每次悬臂梁处于平衡稳定状态时通过示波器记录数据，试验装置如图4-2。

通过加砝码模拟实际蒙皮产生应变的情况。

图4-2悬臂梁和测量电路板

表4.1自制应变测试电路实验数据

通道一

第一次

第二次

电压/mV

应变/με

电压/mV

应变/με

100g

-160

116.8

-160

116.8

200g

-330

240.9

-328

239.4

300g

-490

357.3

-470

343.1

400g

-640

467.2

-625

452.6

500g

-790

576.7

-783

571.6

附：

在数据处理中把0g时电桥不平衡误差已调零消除。

4.2自制应变测试电路与Vishay应变仪对比试验

Vishay（威世）是世界最大的分立半导体和被动元件的制造商之一，Vishay元件广泛应用于工业，计算机，汽车，消费，电信，军事，航空及医疗市场的各种类型的电子设备中。

威世公司在称量产业实现了从应变计传感器到仪器仪表的垂直市场整合。

从阻抗应变计到传感器，再到用来测量和控制换能器输出的电子仪表和系统。

本实验室配备了VishayMeasurementsGroup公司生产的产品：

P—3500应变指示仪和SB—10电阻转换平衡箱，产品实物如图4.3所示。

图4.3Vishay（威世）应变仪

对悬臂梁上所加砝码使得应变片产生的应变在相同条件下使用Vishay（威世）应变仪进行测量，如表4.2

表4.2Vishay（威世）应变仪测量数据

第一次/με

第二次/με

第三次/με

均值/με

100g

117

200g

231

300g

341

343

342.3

400g

450

449

449.7

500g

554

560

554

556

表4.3自制应变测试电路与Vishay应变仪测量数据对比

通道一平均

Vishay

电压/mV

应变/με

100g

-160

116.8

117

200g

-329

240.1

231

300g

-480

350.4

342.3

400g

-632.5

461.7

449.7

500g

-786.5

574.1

556

通过表4.1和4.3发现自制应变测试电路电压与应变基本成线性关系，并且与标准应变仪测量的数据基本相同。

4.3自制应变测试电路放大倍数的校准和标定

为了进一步减小测量误差，对表4.1中的数据取平均值，应变仪的平均值和自制应变测试电路平均值如表4.3数据所示，通过数据分析，发现每个通道的应变值和载荷呈正比例关系，Vishay应变仪和载荷也呈比例关系，由于检测仪表精度达不到0.001mv，无法用实验方法准确测量自制应变测试电路各通道的实际电路放大倍数，而计算时使用的仍然是理论值513倍，因此需要通过商用应变仪对三个通道应变测试电路进行参数校正。

已知应变仪和自制应变测试电路均与载荷成线性关系，以应变仪为标准对自制应变电路进行标定，标定方法如下：

每个通道的应变值均与应变仪准确值成比例，将每个通道的6组数据分别与准确值相除，因为误差等外界因素影响，得到的6组比例系数并不相同，对6组比例系数取平均值，记为标定比例系数m0，用准确值分别乘以该标定系数得到新的一组数据，就完成了每个通道的应变值标定。

通过计算，通道一的标定比例系数m0为0.98。

由此可以计算出通道一的放大倍数为523,标定后的数据如表4.4所示。

表4.4标定后的应变测试电路测量数据

通道一

Vishay

偏差

偏差率

应变/με

100g

114.4

117

2.6

2.2%

200g

235.2

231

4.2

1.8%

300g

344.5

342.3

2.1

0.7%

400g

453.6

449.7

3.9

0.9%

500g

562.1

556

6.1

1.1%

由表4.4可知，经过商用应变仪进行标定后，校正效果明显改善，分析数据发现，应变仪测量出来的数据并非严格线性，这与悬臂梁本身结构弯曲特性相关。

通过校定后的应变测试电路可以代替应变仪进行测量。

4.4应变测试电路的误差分析

在应变测试实验中，根据标定后的放大倍数，应变测试电路最大偏差率大约为2.2%，但是在实际测量中由于PCB板中的放大电路存在40mV的噪声，所以抗漂移性并不是很好，在20-40mV内漂动，为14-28个με的漂动。

（1）导线电阻误差分析

应变片是由从测试系统外壳面板接入电路的，必须通过导线连接，时候导线会比较长，因此会引入测量误差。

假设导线电阻为r，桥臂的电阻变化率不是ΔR/R,而是ΔR/（R+r），被测对象的真实应变值为

（4-2）

而读出的应变值为

（4-3）

导线的电阻降低了灵敏度系数，降低后的灵敏度系数为：

（4-4）

所以误差为：

r/R

（2）迟滞和重复性

测试电路在正反行程中输入输出曲线不重合为迟滞，迟滞误差由满量程输出的百分比表示即：

式中△Hmax为正反行程最大差值，yFS为满量程输出。

重复性误差是指电路在同一方向多次变动时特性曲线不一致的程度，比较正形成的最大重复性误差ΔRmax1，ΔRmax2的大小，重复性误差取其中较大者为ΔRmax，用满量程输出的百分比来表示，即：

（3）分辨力

放大电路使用的芯片输入失调电压0.6μV，代入4-1式计算理论数值得：

但实际由于放大电路存20-40mV噪声误差，所以分辨力并没有这么小。

4.5调试实验注意事项

（1）实验前首先确保直流稳压电源稳定在±5V两个值上，因为较小电源的跳动，经过放大电路之后都会引起数据较大的跳动。

（2）在实验前需考虑到器件的耗损，一一检查运算放大器之类的器件是否能正常工作，示波器也需自检后再进行实验，否则后期对数据的读取影响很大。

实验前也需要测出自制应变测试电路各个方面的噪声数值，以此来判断PCB板焊接质量，以及明晓电路本身带的干扰。

（3）在电桥电路中加入滑动变阻器可以把因电阻导线误差产生的电桥不平衡输出消除，但是因为电阻只有120Ω，所以不能选取较大阻值的滑动变阻器，因为即使平衡了不平衡输出但是大阻值滑动变阻器同时大大较低了电桥输出电压，这样放大电路之后输出的电压也随之减小，所以尽可能采取软件调零，在处理数据时减去无外力情况下的应变值。

（4）在实验前连线的时候避免导线裸露的金属部分接触PCB板造成误差，并且尽量按照红进黑出的原则选择导线，导线尽可能短些以减少带来的阻值误差。

（5）实验中由于电位器存在迟滞现象，所以调节电位器时，需转一下再回转一点停顿观察，并且放大倍数要选择适当，以免超出运放所能负载的5V电压范围。

（6）在实验中应尽量避免外界环境的干扰，如温度，风力等影响。

例如在实验室中空调开强风会对悬臂梁产生影响，以及悬臂梁固定端上方的其他物品的振动，使得悬臂梁振动的影响。

放砝码时需要轻拿轻放，读数的时候需要等悬臂梁振动停止时，再开始进行读数，并且正反行程均需读出，并且应变片受到压力改变阻值也是需要一定稳定时间，所以读数不宜过快。

5全文总结

本论文主要是说明了应变式传感器系统设计中的硬件部分，并通过实验测量比较得出其性能基本能满足需求，但是此设计方案仍然存在很多误差，如导线误差，电阻匹配误差，以至于存在14-28个με的漂动，还有待提高。

系统采用示波器显示结果，但由于示波器本身存在不可避免的误差，并且调节范围有局限，所以后续系统软件部分使用虚拟机labview呈现结果更人性化。

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