應變檢測中小信號測量的硬件設計

楊超 中國飛機強度研究所

1 前言

應變片在實際測量中按照惠斯通電橋方式連接，如下圖所示，就是本試驗中應變片四分之一橋測試電路的簡化示意圖，通過測量輸出電壓u得到應變片實際的阻值變化近似公式：ΔR=4R×u/(E-2u)，將此式帶入ε=ΔR/（K×R），可得到實際應變值，在這里 R：應變片的原電阻值Ω（應變片出廠阻值）；ΔR：伸長或壓縮所引起的電阻變化；K：比例常數(應變片常數)；ε：應變。

圖1 應變片使用方式

例如粘貼的應變片型號為DE120-3AA（3CA），量程20000με，輸入橋壓為1.8V。通過計算可以得知，對應應變測量結果的1個με變化，輸出電壓的變化為0.2mV。也就是說應變測量設備需要準確的測量到0.2mV的電壓變化，才能獲得με級別的應變分辨率。為了使應變測量設備能夠準確的測量微小的電壓信號，除了使用軟件濾波之外，硬件電路的設計是決定測量結果是否準確真實的關鍵環節。

2 硬件設計

在我們自研的應變測量設備中，ADC采集模塊的硬件設計結構如下圖所示：

圖2 硬件設計結構圖

由以上的硬件設計結構圖中可以得知，除去兩路大信號測量直接使用了電壓跟隨器輸出至ADC轉換芯片外，最關鍵的是在進行應變片輸出信號的采集過程中，使用了三級的信號調理。通過兩級放大，將小信號進行按照測量量程進行相應的放大，在經過一級二階濾波器的濾波，濾除低頻干擾，最終將條例完成的信號輸入ADC轉換芯片，完成信號的前端調理。為了保證微小的電壓信號在調理過程中不失真，每一級的元器件選擇是至關重要的。

如下圖所示，在應變測量橋路設計中，使用RFG1117-1.8作為輸入橋壓，LDO型的RFG1117-1.8成本低，噪音低，靜態電流小，這些是它的突出優點。此外它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個旁路電容。其可達到以下指標：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態電流6μA，電壓降只有100mV。從而保證了激勵源的穩定。使用120Ω的精密電阻R12、10KΩ的R13、R14精密電阻與應變片構成完整的惠斯通電橋，R11是作為分路檢驗功能時的并聯電阻。

圖3 應變測量橋路設計

在硬件調理電路的第一級和第二級如下圖所示，起到對信號的放大作用。第一級選用INA141儀表放大器，儀表放大器是一種精密差分電壓放大器，它源于運算放大器，且優于運算放大器。INA141具有非常低的直流偏移、低漂移、低噪聲、非常高的開環增益、非常大的共模抑制比、高輸入阻抗，所以非常適合于對測量準確性和測量穩定性非常高的應變測量硬件電路。實際使用中默認使用100倍增益。第二級使用AD8251程控放大器，其具有寬電壓輸入，高共模抑制比和遞增益漂移等優良的特性。并且可以通過程序控制其增益倍數，所以在使用中可以通過軟件配置進行應變測量量程的修改。

圖4 第一和第二級調理電路設計

硬件調理電路的第三級如下圖所示，用于對放大后的信號進行硬件濾波。在實際硬件電路中使用AD8610組成二階低通濾波器，AD8610具有低噪聲、低失調電壓、低輸入偏置電流、快速建立時間、寬電壓范圍供電、單位增益穩定等特點。適合用于測量精度要求很高的場合。在原先的設計中，還使用ADG1204模擬多路復用器進行濾波參數的選擇，可以通過軟件來控制二階低通濾波的截止頻率。后來在大量的使用中，發現測量中帶入測量信號的低頻干擾信號比較單一，無需再進行截止頻率的切換，故此部分在后期的設計中被取消。

3 結論

按照以上的設計方法，確保了激勵源的品質，保證了小信號在放大過程中的真實準確性，并且使用濾波器剔除了混入測量信號的低頻干擾。最終將處理過的測量信號輸入AD7734，進行模數轉換，AD7734是4通道、±10V輸入范圍、高吞吐速率、24位Σ-Δ型的ADC芯片，可以準確高效的完成模擬信號到數字信號的轉換，其24位的轉換位數也足以支撐對于1個με的測量分辨率。對于本文設計的應變測量設備進行標檢的到標檢結果如下表所示，線性度為0.01%，準確度為0.02%，證明了這樣的硬件設計保證了測量的高精度。

表1 標定結果