便攜式差阻式讀數(shù)儀的設(shè)計與實現(xiàn)

江蘇省徐州市擷秀中學(xué)（高中） 楊雯睿

1 前言

在巖土監(jiān)測系統(tǒng)中，用來進行長期監(jiān)測建筑物內(nèi)部性態(tài)的儀器主要有兩類，差阻式儀器和鋼弦式儀器。國內(nèi)在水工混凝土建筑物內(nèi)部埋設(shè)監(jiān)測儀器，首選的是差阻式儀器，特別是鋼筋混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫及溫度的監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)在施工期需要對所安裝的儀器進行現(xiàn)場測量，在自動系統(tǒng)運行后需要對自動化系統(tǒng)的測值進行比對。本文設(shè)計的差阻式讀數(shù)儀能夠?qū)崿F(xiàn)電阻比、電阻和的測量，讀數(shù)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定可靠，測量電路簡單，功耗極低，電池供電，方便攜帶，應(yīng)用前景廣泛。

2 差阻式儀器的測量原理

差阻式儀器內(nèi)部采用兩根特殊固定方式的鋼絲，受到外界的拉壓變形時，一根鋼絲受拉，電阻增加；另一根鋼絲受壓，電阻減少。測量兩根鋼絲電阻的比值，可以求出儀器的變形量。由于溫度引起的兩根鋼絲的電阻變化是同方向的，測定兩根鋼絲的串聯(lián)電阻，可以求得外界溫度對儀器的影響。差阻式儀器的測量原理如圖1所示，其中R1、R2為鋼絲電阻，R1+R2<=125Ω，0.8<=R1/R2<=1.2，目前廣泛采用五芯電纜引長的差阻式儀器，r1～r5為水工電纜的芯線電阻，Rs為標(biāo)準(zhǔn)電阻，Is為直流恒流源，由于測量U1、U2、U3的電路的輸入阻抗極高，所以r2、r3、r4上沒有電流，可以得出：

由于Rs已知，通過式(1)(2)，就可以求出電阻比Z和電阻值R，消除了長電纜對測量結(jié)果的影響。

圖1 五芯儀器測量原理

五芯儀器測量的技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1 五芯儀器測量的技術(shù)指標(biāo)

3 讀數(shù)儀硬件設(shè)計

本讀數(shù)儀的電路非常簡單，沒有使用單片機，圖2是讀數(shù)儀的硬件結(jié)構(gòu)圖，主要包括電源電路、恒流源、刀盤轉(zhuǎn)換開關(guān)、儀表放大器、MAX7129ADC、4位半LCD等。

圖2 讀數(shù)儀的硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3 Max7129電壓測量電路原理圖

3.1 MAX7129

MAX7129是美國Maxim公司生產(chǎn)的4位半液晶顯示單片A/D轉(zhuǎn)換器，具有高精度、高分辨力、微功耗、外圍電路簡單等特點。它可以直接驅(qū)動4位半LCD顯示器，最大顯示值±19999。ICL7129有200mV和2V兩個量程，屬于雙斜積分式A/D轉(zhuǎn)換器，對50Hz干擾有較強的抑制能力，加上其自調(diào)零的性能，使其最高分辨力達10μV，精度高達±0.005%，可以滿足差阻式儀器的測量要求（見圖4）。

電路工作電源為VCC+=4.5V，VCC-=-4.5V，由電源電路產(chǎn)生，詳見3.4節(jié)。

電路為了抑制50Hz的串模干擾，采用100kHz的石英晶體振蕩器。

量程選擇管腳Pin37懸空，所選量程為200mV，此時測量分辨力達10μV，精度高達±0.005%，可以滿足差阻式儀器的測量要求。在200mV量程下，MAX7129的電壓測量結(jié)果如式(3)所示：

3.2 電阻比測量電路

結(jié)合公式(1)、(3)和圖1，可以得出電阻比測量電路示意圖如圖4所示。

圖4 電阻比測量電路示意圖

其中，用1.2mA的恒流源來激勵差阻式儀器，可以忽略電流激勵帶來的儀器鋼絲電阻溫度變化的影響。

AD620為高精度儀表放大器，它的放大倍數(shù)由1、8腳間的電阻Rg決定的，通過調(diào)整200歐的電位器，可以使AD620的放大倍數(shù)為10.0000，這樣通過MAX7129在4位半LCD上的讀數(shù)就是五芯儀器的電阻比。

AD620的輸入阻抗和MAX7129IN+端和IN-端間的輸入阻抗都很高，可以消除長電纜對測量結(jié)果的影響。

3.3 電阻值測量電路

結(jié)合公式(2)、(3)和圖1，可以得出電阻值測量電路示意圖如圖5所示。其中，Rs采用1KΩ精度為±0.01%的精密電阻，這樣通過MAX7129在4位半LCD上的讀數(shù)就是五芯儀器的電阻值R1+R2，測量精度可以滿足差阻式儀器電阻值的測量要求。

3.4 刀盤轉(zhuǎn)換開關(guān)

讀數(shù)儀有且僅有兩個工作狀態(tài)，一個是測量電阻比的狀態(tài)，一個是測量電阻值的狀態(tài)。刀盤轉(zhuǎn)換開關(guān)的作用類似于常用數(shù)字萬用表上的檔位轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過檔位的轉(zhuǎn)換，切換電路PCB上導(dǎo)線的連接方式，使得測量電路在測量電阻比的狀態(tài)和測量電阻值的狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，具體電路不再贅述。

圖5 電阻值測量電路示意圖

3.5 電源電路

讀數(shù)儀采用9V疊層電池供電，電源電路如圖6所示。

圖6 電源電路原理圖

電源開關(guān)是自鎖型雙刀雙擲開關(guān)，按下后，通過T2給其它模塊提供VCC+=4.5V、VCC-=-4.5V的工作電源，U1A是電壓比較器，通過調(diào)整E2和R2的數(shù)值，可以設(shè)置定時關(guān)機時間，防止電源開關(guān)忘關(guān)導(dǎo)致電池的耗盡。

3.6 恒流源電路

讀數(shù)儀采用1.2mA的恒流源去激勵差阻式儀器，可以忽略電流激勵帶來的五芯儀器鋼絲電阻溫度變化的影響，恒流源電路如圖7所示，其中，Z1是1.2V精密電壓基準(zhǔn)源，R11為精密電阻，電流源輸出電流Is的值見式(5)：

圖7 恒源流電路原理圖

4 試驗結(jié)果

為了測試該讀數(shù)儀的精確度，采用電力工業(yè)部巖土工程儀器質(zhì)量檢驗測試中心的SQL型電橋率定器對讀數(shù)儀進行測試，如表2所示，測試環(huán)境溫度為20±2℃。對比表1和表2可見，讀數(shù)儀的分辨力和精度均滿足差阻式儀器的測量要求。

表2 讀數(shù)儀比測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文設(shè)計的差阻式讀數(shù)儀能夠?qū)崿F(xiàn)電阻比、電阻值的測量，讀數(shù)準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定可靠，硬件電路簡單，無需編寫軟件，性價比高，功耗極低，電池供電，一枚 6F22 電池(疊層 9V)可工作半年，方便攜帶，在巖土監(jiān)測系統(tǒng)有較好的應(yīng)用前景。

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