应变测量的原理及恒压/恒流源的应用电路设计

2020-10-19 00:29字体:
  

  是一个异常厉重又哀求甚高的界限。因为应变衡量属于轻微信号衡量,需求检测出几十微欧的转变,为节减非线性差错,因此不时采用差动,恒流源或者恒压源的衡量计划,个中恒压/恒流源的严谨水准直接决意了应变衡量的严谨水准。这就提出了对高严谨度的恒压/恒流源哀求。

  应变片衡量应变时是操纵电阻丝的电阻率随丝的变形而转变的干系,把力学参数转化成与之成比列的电学参数。应变片正在任务流程中惹起的是电阻的转变。通过衡量电桥的微细电阻转变转换成电压或电流的转变,再颠末放大器放大,并按照某一比列常数干系,将其变换成试件的应变值面闪现出来。完结上述任务的仪器叫做应变仪。其道理如图1所示。

  应变片所感觉的呆板应变量普通为10-6-10-2,随之而发作的电阻转变率也大约正在10-6~10-2数目级之间。云云小的电阻转变普通的电阻衡量仪外很难测出,因此必需采用肯定大局的衡量电道将微细的电阻转变率转化成电压或电流的转变,才略用电子仪外记载或显示出来。

  (1)衡量电桥和其胀励都该当有足够高的精度,并可按照测试的分歧哀求,可活泼把持胀励巨细。

  (2)能将微量的电阻转变率转折成电压或电流的转变,并具有足够高的乖巧度。

  应变仪对桥源的精度哀求很高,因此正在电源的打算流程中肯定要提防电源的精度可能抵达哀求。电源除了要餍足精度哀求以外,为了餍足分歧的利用场所,应变仪还哀求电源能供给电压源和电流源两中分歧的电桥大局。当仪器仪外输出的模仿信号需求传输较远隔断时,普通采用电流信号而不是电压信号,由于电流信号抗骚扰才力强,信号线电阻不会导致信号亏损。电流巨细由负载巨细决意,普通为0 mA~20 mA。当智能仪器输出的模仿信号需求传输给众个仪器仪外时,普通采用直流电压信号而不是直流电流信号。这是由于,假若采用直流电流信号,为了担保众个给与信号的兴办取得同样的信号,必需将他们的输入端相互串联起来。这就导致了一个不牢靠的要素,当任何一个给与兴办产生断道障碍时,其他给与兴办也会落空信号。并且,相互串联的各个授与兴办也会失却信号。并且,相互串联的各个授与兴办对地的电位不等,也会引出少许繁难。 同时为了添加应变仪利用的活泼性和遍及性,本打算研制了可程控电源。所谓程控电源便是可能服从预先设定好的次第和数值自愿把持电源兴办的输出(电压或电流),使其安靖正在给定命值。

  如图2所示,正在本模块中,为了担保打算精度咱们选用16位可编程D/A转换器,云云咱们可能使其步长为10W(216)≈0.152mV。因此当咱们的电压胀励为2V时,16位DAC电压输出的最大差错为,因此其全部适宜体例打算哀求。咱们选用的DAC是DAC 7731EC,并陪以MAX 6225的2.5 V外部参考电压源,以最小水准的减小非线LSB。到此,咱们从DAC取得了高精度的恒定电压,然而因为DAC带负载的才力很差,不行驱动后面的V/I拔取电道和恒压恒流源驱动电道,则咱们需求正在DAC输出之后加一个驱动电道,正在这里咱们拔取的是高精度运算放大器OPA 227。从图中可能一开到咱们是用的是开环联贯体例,云云即可能完成最大电压值以把持场效应管的G端又能抵达电压阻隔的方针。

  因为对统一负载电桥正在不怜悯况下,需求利用恒压源或者恒流源,因此咱们需求正在桥源部门有个无电阻值(以担保利用恒压源时不会对负载桥源发作分压),严谨的V/I拔取切换电道。同时又因为正在负载利用恒流源时,需求具有低漂移,高精度,而大功率的驱动电道,普通的严谨仪外放大器难以同时餍足以上条款。因此正在本文中咱们采用了一个全新格式来发作高精度,且大电流的恒流源体例。

  如图3所示,假设此时DAC输出的程序电压值为8 V,则同过开环联贯的严谨放大器OPA 227的输出端输出12V的电压加入效应管IRF840的G端,以把持其开闭。同时从OPA 227负端输出同样的程序电压值8V至继电器的COM端。通过ON/OFF把持信号,使继电器的COM端和ON端连通。因为继电器的内阻额外小,可能疏忽不计,因此可能以为其无分压效应,则其外接负载电桥的1端电压为程序的8V,而其2端通过继电器接地。同时对待IRF840的G端和S端,它们的电压为VGS=4V,而VDS=4V,由场效应管的输出性格可知,此时正在场效应管可能通过最大1 A的电流,然而正在本打算中电流巨细由DAC发作的严谨、低差错电压值(正在此为8V)和负载电桥阻值决意,而+12V电源和其包庇电阻R1只起到供给电流的效率。

  通过以上配置,咱们可能正在为外接负载电桥供给严谨程控恒压源的同时,避免了从应变仪自身电源引入得噪声。由于一样应变仪利用外部220V互换电源,再正在应变仪内部颠末交直流变换取得直流电压源(如+12V),然而云云做一样会正在应变仪的电源之中留下很强的工频噪声。对待测试微细应变的电桥来说,彰着这些噪声是弗成授与的。而本打算的好处就正在于,咱们既通过DAC发作的电压外接负载电桥供给了高精度的恒压基准,又由仪器自身的电源通过场效应管供给驱动电流,正在大幅进步应变仪带负载才力的同时,有用地将噪声减之最小。

  同样如图4所示,当继电器的COM端和OFF端毗邻触时。此时外接负载电桥的2端通过继电器联贯的一个400Ω的严谨电阻接地,与此同时2端还与基准电压电道输出的准确电压值V-COM通过继电器相连。同时电桥的1端如故和场效应管的S端连正在一同。咱们如故设V-COM=8 V,则此时场效应管的VGS=4V而VDS》0V,因此场效应管处于翻开状况。而流过负载电桥的电流,由基尔霍夫定律可知:从负载电桥的1端流入电桥的电流,I1等于从其2端经严谨电阻流人大地的电流I2。而此时I2的巨细是可能通过电压基准电道输出的的严谨电压值V-COM与严谨电阻R2把持的。同时和恒压源相似应变仪本身的+12V电源和场效应管只是供给负载电桥的电流,但不行决意其巨细。因此咱们同样完成了正在为外接负载供给严谨低差错的恒流源的同时,有用阻隔了仪器自身电源引入的噪声。

  通过对DAC,场效应管和继电器的有用组合,构成了餍足应变测试哀求的严谨,低差错,低噪声的程控恒压/恒流源。通过DAC为负载电桥天生严谨的基准电压或电流值,然而通过仪器自身的电源供给负载的驱动电流。云云既办理了普通的桥源驱动才力不强的题目,又有用的阻隔了应变仪电源自身所带的噪声。同时咱们通过FPGA对继电器的把持,活泼地正在恒压源和恒流源之间举办了拔取切换,使其正在同临时刻唯有一种胀励源正在利用之中,有用的低浸了电道的功耗。总之,比拟于其他用于应变仪的桥源,本打算体积更小,功耗更低,装备活泼同时也抵达了衡量哀求。本打算仍然胜利利用于实践的应变仪之中,通过实践试验与利用,其抵达了打算程序。

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