動態應變采集系統的設計及誤差測試

陳 誠，李建青，馬爭爭，戴亞文，陳子鵬

（1.武漢理工大學 理學院，武漢430070；2.中南財經政法大學 信息工程學院，武漢430073）

應變測量技術是現代工程項目研究和實施過程中一項必不可少的重要技術，具有很高的應用價值和研究意義[1]。 傳統的應變測量系統設計主要包含應變信號采集與轉換、信號放大、硬件濾波、A/D轉換、數字濾波等5 大模塊[2]。 此類傳統的應變測量系統，通常在室溫條件下該應變測量系統的系統測量性能穩定且誤差較低[3]。 在實際工程應用中時，由于溫度場變化復雜，系統電路中電阻的溫漂特性就會對應變測量系統的精確度產生較大的影響[4]。 在應變測量電路設計中，電路中電阻溫漂問題一直未能得到很好的解決。 對此，針對應變測量電路中的溫漂問題，設計了一款基于程控式放大器AD8231，24位數模轉換器AD1256，RAM 處理器的高精度應變測量系統方案， 通過電路優化實現了溫漂補償，從而提高測量精度的目的。

1 應變測量系統的信號輸出及激勵源設計

整個應變測量系統的設計如圖1 所示。 當機械構件受力產生形變時[5]，應變片會產生阻值變化由應變采集轉換模塊完成應變信號到電信號的轉換，然后經過放大電路進行放大處理，再由硬件濾波電路對放大輸出信號進行硬件濾波處理，通過A/D 轉換模塊將模擬信號轉換為數字量[6]，最終由STM32F103VCT6 控制器對采集數據進行數字濾波處理，并反饋給上位機完成信息交互[7]。

圖1 應變測量系統設計框圖Fig.1 Strain measurement system design block diagram

1.1 1/4 惠更斯橋路信號輸出

測量試驗中， 使用1/4 惠更斯橋路模擬應變測量過程中的信號輸出采集端， 輸出10-6V 量級的微應變信號。 在1/4 惠更斯橋路中使用型號為BX120-3AA 的高精度電阻式應變片， 應變柵尺寸為6.6 mm×3.6 mm，標準阻值為120 Ω[8]。 考慮到惠更斯橋路中電阻阻值的溫漂問題， 在1/4 橋路部分添加了雙調零補償電路來減小因電阻溫漂特性所帶來的測量誤差，并以此保證在應變采集轉換過程中信號的穩定性，如圖2 所示。

圖2 1/4 惠更斯橋路的雙調零補償電路Fig.2 1/4 Huygens Bridge Road’s dual-zero compensation circuit

1.2 激勵源的選擇和測試

應變測量中要求激勵源具有低噪聲、 高穩定性、足夠的負載調整率、足夠的輸出功率等特點[9]。在此，采用低噪聲（最大噪聲為3.5 μV）、低溫漂（A級，最大10-6/℃；B 級，最大3×10-6/℃）的ADR431 作為激勵源為整個系統提供激勵電壓； 由LT1761ES5_5，LT3461ES6 為ADR431 提 供 穩 定 供電電壓，以此減小激勵源紋波，保證供電電壓穩定。對激勵電源進行室溫和變溫條件下的電壓測試試驗。 數據處理結果如圖3 所示。

圖3 激勵電源實測數據處理結果Fig.3 Excitation power supply measured data processing results

由圖3（a）可見，在室溫條件下的輸出電壓值較穩定，其最大電壓為2.497988 V，最小電壓為2.497960 V，輸出電壓波動幅值僅為0.000028 V；由圖3（b）可見，當溫度從室溫升高至60 ℃時，激勵源的輸出電壓值同樣十分穩定，輸出電壓波動幅值僅為0.000131 V。 測試結果顯示， 該激勵電壓源精度高、溫漂低，能夠滿足精密應變測量的需求。

2 基于INA333 應變測量系統的設計及測試

2.1 系統的放大和濾波模塊的設計

應變測量中應變信號一般是微應變級別的信號，使用一般的數據采集電路根本無法識別。 因此需要對橋路的輸出信號進行放大處理。

放大處理電路中，選用德州儀器公司的儀表放大器INA333 搭建放大電路。 該芯片具有微功耗、零漂移、軌到軌的特性，其輸入噪聲僅為漂移電壓僅為0.1 μV/℃，0.01%建立時間僅為15 μs， 并且可通過外接增益電阻來設置其放大倍數。 為了保證應變測量的精度，在橋路輸出信號進入INA333 之前增加差分濾波電路，對初始放大信號進行濾波處理；經過INA333 放大后的信號再由TLC濾波器進行硬件濾波處理，為后續的數字信號處理提供保障。 放大濾波電路的硬件設計如圖4 所示。

2.2 實測數據及其分析

在完成INA333 應變系統設計后，對NA333 應變測量系統進行（室溫28 ℃）測試試驗。 將INA333應變測量電路放置在DHG-9031A 恒溫箱中以保持室溫條件，設置應變輸入為0，通過串口助手來記錄室溫條件下的采集數據。 其數據處理結果及實測曲線見表1。

圖4 IN333 放大濾波電路的硬件設計Fig.4 Hardware design of the IN333 amplification filter circuit

表1 INA333 應變測量系統的實測數據Tab.1 Measured data of INA333 strain measurement system

由表可知， 在室溫條件下此應變測量系統的3次試驗測試結果具有很好的可重復性。 同時，室溫條件下測量誤差僅為0.102～0.135 mV， 對應的應變誤差為0.5004～0.675 με； 表明基于INA333 的應變測量系統在室溫條件下能夠滿足設計需求。

為模擬實際應用中復雜的溫度環境，對此應變測量系統進行了變溫條件下的應變測量試驗，溫度變化區間為28～60 ℃。 測試結果見表1。

由表可知，在變溫條件下的系統誤差為6.902 mV，對應的應變誤差為34.51 με。也就是說，當溫度變化較大時， 即使應變測量輸入為0， 系統也存在著34.51 με 的“虛假”輸出。

INA333 外接增益電阻的溫度特性曲線如圖5所示。 由圖可見，增益電阻阻值的變溫變化趨勢與此應變測量系統的系統誤差測試結果的變化趨勢一致。 由于IN333 放大器具有低溫漂高精度的特性，可認為系統溫漂來自外接增益電阻溫漂。

圖5 1 kΩ 增益電阻的實測溫度特性曲線Fig.5 Measured temperature characteristic curve of 1 kΩ gain resistor

3 基于AD8231 應變測量系統的設計及測試

3.1 系統的放大和濾波模塊的設計

針對外接增益電阻溫漂過大導致應變測量系統溫漂過大的問題，在此從結構設優化計方面提出一套基于程控式AD8231 放大器的應變測量系統。

AD8231 放大器微功耗、零漂移、軌到軌儀表放大器（輸入噪聲僅為，漂移電壓僅為0.05 μV/℃）。 同時，AD8231 不需要外接增益電阻來設置增益倍數， 可通過對CS，A0，A1，A2 引腳的適當配置來設置增益倍數，有效規避外接增益電阻帶來的溫漂過大的問題。此外，還可利用AD8231 內置的運算放大器搭建應變濾波電路，通過簡化應變測量電路設計以降低系統的溫漂。 AD8231 內部結構如圖6 所示，放大濾波電路硬件設計如圖7 所示。

圖6 AD8231 放大器的內部結構Fig.6 Internal structure of the AD8231 amplifier

圖7 改進后的放大濾波電路的原理Fig.7 Principle of improved amplifier filter circuit

3.2 實測數據及其分析

首先， 對AD8231 應變測量系統進行室溫測試和變溫測試試驗， 試驗步驟與INA333 應變測量系統的測試步驟持一致。

室溫28 ℃條件下基于AD8231 應變測量系統的測試數據和實測曲線見表2。由表2 可知，在室溫條件下的3 次測量結果具有很好的重復性，且系統測量誤差僅為0.014～0.038 mV， 對應的應變誤差為0.07～0.19 με。 與INA333 應變測量系統相比，在室溫條件下AD8231 系統測量誤差減小了71.85%～86.2%。

同時， 對AD8231 應變測量系統進行了變溫條件下的應變測量試驗，溫度變化區間為28～60 ℃。測試結果見表2。

由表1 可知，INA333 應變測量系統在變溫條件下的系統誤差為6.902 mV， 對應的應變誤差為34.51 με。 也就是當溫度變化較大的時候，即使應變測量輸入為0 時，系統也存在著34.51 με 的“虛假”輸出。

表2 AD8231 應變測量系統的系統誤差試驗數據Tab.2 System error experimental data of AD8231 strain measurement system

由表2 可知，AD8231 應變測量系統在變溫條件下的系統誤差為0.233～0.310 mV， 對應的應變誤差為1.165～1.52 με。 此結果表明AD8231 應變測量系統在變溫區間的測試精度得到大幅度提升，與INA333 應變測量系統相比，其溫漂改善了95.59%～96.62%。

4 結語

設計了INA333 應變測量系統， 并對該系統進行了試驗測試和分析研究， 找到了主要溫漂來源——外接增益電阻；針對溫漂過大的問題提出了程控式AD8231 應變測量方案。 通過這2 系統的試驗測試結果的對比， 表明AD8231 應變測量系統不僅能夠很好地解決放大電路中外接增益電阻溫漂產生的應變測量誤差問題，同時優化了應變測量電路的設計。 試驗結果表明，AD8231 應變測量系統的測量精度在變溫條件下，可以達到1.52 με，與INA333 應變測量系統相比， 其溫漂改善了95.59%～96.62%，對解決實際工程中精密應變測量的溫漂問題具有重要的指導意義。