多通道高精度应变测量技术研究

　　1　引言

　　应力、应变测量是机械设计、材料、构件参数优化等领域中用得最多的待测物理量,为了提高输出信号的灵敏度、减小非线性误差,一般采用恒流源供电的惠更斯电桥,图1为应变测量系统电路框图。在理想情况下,电桥输出的电压信号经由运算放大器A1放大后,再由A/D转换器送入CPU,经CPU线性化及处理后显示出测量构件的应变值,A/D转换器输出的数字量D0为

　　其中:U0—理想运算放大器输出电压;

　　KD—理想A/D转换器变换系数;

　　KF—理想运算放大器增益;

　　Δe—电桥输出电压。

　　在理想情况下,CPU读取A/D转换的数字量D0后,经过软件处理,可以获得精确的测量参数。但由于电流源、运算放大器、A/D转换器都存在漂移、器件特性非理想化等因素,将产生很大的测量误差,因此必须消除整个测量环节中的这些因素的影响。

　　1·运算放大器的定态误差可以从两方面看:一是失调和漂移,二是参数不理想。由于失调和漂移是近似直流的缓变信号,所以本文分析运算放大器在低频工作状态下的定态误差时,运算表达式用标量表示。

　　失调和漂移包括输入失调电压及其漂移、输入平均偏置电流及其引起的漂移电压,它们是温度T、时间t、正电源ΔE+、负电源ΔE-的函数,其中对输出影响最大的是漂移电压,漂移电压USR可表示为

　　2·运算放大器的开环增益、输入阻抗、输出阻

　　抗不理想时,使闭环增益不单纯取决于外接回路元件的参数,还取决于运算放大器本身的特性。总体上说,开环增益、输入阻抗、输出阻抗的不理想会使运算放大器的闭环增益变小。所以实际运算放大器由于漂移、非理想特性的影响,对于输入电压Δe的输出电压U10可表示为

　　3·在应变测量系统中,除运算放大器存在定态

　　误差外,恒流源及A/D转换器也存在漂移、器件非理想特性的问题,所以实际A/D转换器输出的数字量D10应表示为

　　如果图1所示电桥初始平衡,由电桥特性可知,电桥输出电压变化量为

式中:KT—电桥变换系数。

　　在组成电桥的4个电阻中,如果R1、R2为固定电阻,R3、R4为电阻应变片,则由于应变片电阻变化A/D转换器输出的数字量D10为

式(7)中,CPU读取的数字量D10即包含应变片的电阻变化量,也包含漂移信号及系统增益的变化。

　　2　多通道应变测量电路特性

　　由上述对实际的应变测量系统的分析可知,CPU读取的数字量不仅包含测量信号,还包含整个测量系统其它环节的非测量信号。只有消除运算放大器、电桥供电电流源及A/D转换器带来的误差,才能够提高整个系统测量精度,因此我们设计了如图2所示的一种新型多通道应变测量电路。这种电路由以下几部分构成: