微應變信號測量處理系統的設計

白 添，張玉紅，高 桂，李玉麗，李佳倫

吉林建筑大學 電氣與計算機學院,長春 130118

0 引言

在工程測量和工程檢測領域一般會涉及到微弱信號的檢測.在對管道泄漏系統的研究發現,當管道出現泄漏點時,會引起其管道壁的形變,這種形變量一般較小,對于這種信號的測量,需要設計高靈敏度的檢驗電路.本文以此為出發點,研究微小信號的測量處理,微小信號處理電路不僅涉及信號的放大,而且要求信號放大的同時具有穩定性及高精密度[1],但是微小信號本身的能量較小,極易被噪聲淹沒或者受到外界的干擾,這一缺陷是微小信號處理電路設計的難點.目前對于微小信號處理電路的設計,要么在精確度和穩定性方面達不到很好的效果,要么在提高了穩定性與精確性的同時又產生了電路和設備過于復雜和昂貴的弊端,故而開發一個簡便、經濟并且又可以最大滿足穩定精確放大要求的微小信號處理系統是十分必要的.

OP 07作為一種高精度的運算放大器,其芯片具有低噪聲、極低失調電壓和溫漂的優良特性,同時具有較寬輸入電壓范圍、高共模抑制比以及高輸入阻抗等特點,而且還具有很好的精確度、穩定性和線性度,這些優良特性使得OP 07在高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面特別適用[2].因此，以OP 07為微小信號測量處理系統的核心,是解決微弱信號處理問題的一個很好的廉價方案.

本文設計了一個以OP 07為核心的高精度信號處理系統.本系統先通過應變傳感器進行微弱信號測試,該傳感器采用橋式電路結構,將物體發生微弱形變時產生的力信號轉化為電信號.從橋式電路中獲得的電信號通常存在著較大的共模信號,其數值有時遠大于差模信號[3],因此，需要一種抑制共模信號只放大差模信號、增益較高的放大電路.本文利用OP 07作為系統濾波放大電路及電壓跟隨器的核心,對微弱電信號進行處理,經處理后的信號可直接進行A/D轉換及數字化處理,最后通過實驗驗證了電路的可行性.

1 應用ANSYS軟件分析管道泄漏微應變

微小信號測量處理系統的用途非常廣泛,無論在工程測量還是在工業領域都有涉獵.例如,對于運輸各種流體介質能源的管道,若出現泄漏現象,便會引起管道壁的形變.對這種形變的監測將有助于各類管道的健康監測,降低損失.為掌握管道泄漏時的形變狀況,本文借助ANSYS 軟件獲得如圖1和圖2所示的管道泄漏模型模擬結果.由圖1可以看出,管道在正常工作時變形量極小.由圖2可以看出,當管道一旦泄漏時原有狀態將被打破,泄漏孔附近的變形量會急劇增大,泄露孔直徑可達9 cm.因此,可由檢測管道形變量來判斷管道是否存在泄漏.當管道內壁泄漏發生形變時,產生的微弱應變信號經微小信號測量處理系統采集、轉化及放大濾波處理后,可直接經A/D 轉換并上傳至計算機,進而實現對管道的及時運維.因此,微小信號測量處理系統的開發非常必要.

圖1 管道正常無泄漏模型Fig.1 Pipeline normal leak-free model

圖2 管道泄漏產生形變模型Fig.2 Pipeline leakage produces a deformation model

2 微小信號處理電路的設計

本文微小信號處理系統主要由5部分構成,分別是系統供電模塊、電橋穩壓電源模塊、應變電橋電路、放大濾波電路、電壓跟隨器.系統供電模塊主要作用是用來為系統其它模塊提供穩定可靠的電壓,保證系統的正常運行.應變橋式電路的作用是將物體發生微弱形變時產生的力信號轉化為電信號.放大濾波電路是以OP 07為核心的運算放大器,對應變電橋輸出的微小電信號進行濾波放大.電壓跟隨器在本系統中的主要功能是盡可能減少信號損耗,起到了緩沖及隔離的作用.

2.1 電橋穩壓電源

電橋穩壓電源模塊是一個重要的設計,由于測量電橋輸出的信號很微弱,為了保證電橋穩定工作,則需要一個穩定的電源模塊.一般測量現場都與供電電源相距較遠,需要較長的電線與測量電橋相連才可將電源引入測量電橋以實現供電,而長電線輸送電源會有微弱的干擾信號,會對測量電橋產生顯著的影響.此處在電橋的一端設計連接了LM 7805穩壓芯片使供橋電壓穩定在5 V,達到了本地對電橋供電的目的,并消除了電源波動產生的不良影響,進而實現了穩定供電.

2.2 電阻應變電橋

電橋電路主要分為直流電橋和交流電橋,一般應變電橋多采用交流電供電[4],但交流電會影響電橋平衡,并且在測量應變信號時操作也會變得復雜.相反,直流供電的橋路更加平衡,在信號的采集和 A/D 轉換時也更加平穩,故本文中的應變電橋采用直流供電.

電阻應變電橋的工作原理,即導體在外界力的作用下產生機械變形時其電阻值相應發生變化[5].本文對于微弱應力的測量試驗,先將橋臂上的120 Ω應變片置于合金鋼片粘貼,鋼片無形變時應變片無形變,此時電橋處于靜態,沒有應變發生,即沒有信號輸出,則有應變橋臂電阻R1=R2=R3=R4=120 Ω.當鋼片發生微小形變,應變片就產生形變, 相應的電阻值發生變化, 從而使橋路失去平衡,就會有微弱的應變信號輸出.

2.3 放大濾波與電壓跟隨電路

微弱力信號通過電阻橋式電路,會輸出一個mV級的差模應變信號,要處理該微小信號,就必須設計一個高增益、高共模抑制比并且低噪聲的放大器[6].普通的一階低通濾波電路,由于濾波陡度較為平緩,濾波效果較差,不能有效地達到實驗精度要求[7].在本文設計的放大濾波電路中,以OP 07為高精度運算放大器的核心,它可以很好的抑制共模信號并放大差模信號,將其與有一定阻容配比的電阻電容構成有源低通濾波放大電路,可保證放大信號的精確與穩定.如圖3為放大濾波電路和電壓跟隨電路,放大濾波電路的截止頻率可通過配置電阻R8與電容C1的值來決定,即,信號放大倍數則可通過配置電阻R8與R5的阻值比決定,即.由此,放大濾波電路的放大倍數和截止頻率均可根據實際要求來進行匹配,以滿足低通濾波和放大的效果.

放大濾波電路有著比較高的輸出阻抗,若后級電路的輸入阻抗小的話,那么經放大濾波的信號就會在前級的輸出電阻上產生相當大的損耗[8-9],這時就需要電壓跟隨器來承上啟下,從中進行緩沖和隔離來盡可能的減少信號的衰減.如圖3所示的電壓跟隨電路,通過調整R9和C3,使其阻容配置的低通截止頻率和前一級相等,因此輸出的信號可直接通過A/D轉換器進行模數轉換,最后通過單片機的協調,將數字信號送入數碼管[10].

圖3 放大濾波和電壓跟隨電路Fig.3 Amplification filter and voltage follower circuit

圖4 實驗裝置Fig.4 Experimental device

3 實驗測量

圖4為實驗裝置,裝置中彈性材料為一條彈性好、強度高的合金鋼片,應變片需貼在鋼片表面,為最大限度地提高精確性,首先要將粘貼應變片處的油污、鐵銹清理干凈,并將鋼片打光、清洗,粘貼應變片后要將其加壓固化,經上述一系列操作后方可開始實驗.

圖4中的固定裝置臺已將螺旋測微計和合金鋼片固定,此時合金鋼片處于水平位置,無任何形變.然后調整螺旋測微計, 每次以0.5 mm為基準來旋轉旋鈕,一邊旋轉,一邊測量放大濾波電路輸入端電壓及電壓跟隨器輸出端的電壓,并記錄在表.

為更好地驗證本文設計電路對微小信號測量及處理的精確性和穩定性,圖3中設定濾波截止頻率fp為72.343 Hz,輸入電阻R5固定為10 kΩ,放大電阻R8則在常用電阻中分別選擇750 kΩ，820 kΩ，910 kΩ及1MΩ等4個規格,在不同放大倍數下測量數據以驗證電路放大效果,并進行線性相關度測試,此處用線性相關系數R2來考量線性相關度.

如表1所示,在相同形變量下接入不同放大電阻時測得的輸出電壓,其放大倍數基本與設計增益相符,由此可看出本電路靈敏性高,有著很好的放大效果,實驗數據有些許誤差則主要因為器件內部連接和線路損耗,是不可避免的.

表1 放大實驗測量結果Table 1 Measurement results of amplification experiment

根據表1可繪制放大電阻R8分別為750 kΩ，820 kΩ，910 kΩ及1 MΩ時的系統輸出電壓隨鋼片形變量的變化曲線,如圖5所示.

圖5 不同放大電阻下系統輸出電壓隨鋼片形變量的變化曲線Fig.5 Variation curves of system output voltage with deformation quantity of steel sheet under different amplifying resistances

圖6 系統輸出電壓線性度隨放大電阻的變化曲線Fig.6 Variation curve of system output voltage linearity with amplifying resistance

當放大電阻R 8分別為750 kΩ,820 kΩ,910 kΩ及1 MΩ時,由表1計算得到其線性相關度分別為0.987 4，0.991 6，0.986 7和0.979 5,如圖6所示.由此可知,本文設計的電路在不同放大倍數下均保持著較高的線性度.由圖6可見,當本測試電路放大電阻選用820 kΩ時,其輸出電壓測試的線性相關度達到最高,效果最好.

4 結論

本文設計的微小應變信號測試處理系統,既簡單輕便,又不失高精度和高穩定性，而且成本低廉.在實驗驗證下,信號放大倍數基本與設計增益相符,增益線性相關度最高可達0.991 6,收到了較好的測試效果.因此,該系統的設計為微小信號測試處理提供了一種良好的方法,可有助于管道滲漏的檢測，并對其他涉及領域具有借鑒參考價值.