应变测量的原理及恒压/恒流源的应用电路设计

2020-10-27 15:58字体:
  

  是一个相称紧张又哀求甚高的范畴。因为应变衡量属于轻微信号衡量,必要检测出几十微欧的改观,为删除非线性偏差,以是通常采用差动,恒流源或者恒压源的衡量计划,个中恒压/恒流源的周详水平直接决计了应变衡量的周详水平。这就提出了对高周详度的恒压/恒流源哀求。

  应变片衡量应变时是运用电阻丝的电阻率随丝的变形而改观的相干,把力学参数转化成与之成比列的电学参数。应变片正在职责进程中惹起的是电阻的改观。通过衡量电桥的渺小电阻改观转换成电压或电流的改观,再过程放大器放大,并按照某一比列常数相干,将其变换成试件的应变值面涌现出来。竣事上述职责的仪器叫做应变仪。其道理如图1所示。

  应变片所感应的死板应变量凡是为10-6-10-2,随之而形成的电阻改观率也大约正在10-6~10-2数目级之间。如此小的电阻改观凡是的电阻衡量仪外很难测出,以是务必采用肯定式样的衡量电途将渺小的电阻改观率转化成电压或电流的改观,才力用电子仪外记录或显示出来。

  (1)衡量电桥和其激劝都该当有足够高的精度,并可按照测试的区别哀求,可敏捷担任激劝巨细。

  (2)能将微量的电阻改观率变动成电压或电流的改观,并具有足够高的伶俐度。

  应变仪对桥源的精度哀求很高,以是正在电源的计划进程中肯定要留意电源的精度也许抵达哀求。电源除了要餍足精度哀求以外,为了餍足区别的利用场地,应变仪还哀求电源能供应电压源和电流源两中区别的电桥式样。当仪器仪外输出的模仿信号必要传输较远间隔时,凡是采用电流信号而不是电压信号,由于电流信号抗搅扰才力强,信号线电阻不会导致信号耗费。电流巨细由负载巨细决计,凡是为0 mA~20 mA。当智能仪器输出的模仿信号必要传输给众个仪器仪外时,凡是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,为了保障众个吸收信号的摆设取得同样的信号,务必将他们的输入端彼此串联起来。这就导致了一个不牢靠的要素,当任何一个吸收摆设产生断途窒碍时,其他吸收摆设也会落空信号。况且,彼此串联的各个接纳摆设也会失却信号。况且,彼此串联的各个接纳摆设对地的电位不等,也会引出少许费事。 同时为了弥补应变仪操纵的敏捷性和普通性,本计划研制了可程控电源。所谓程控电源即是也许遵守预先设定好的措施和数值主动担任电源摆设的输出(电压或电流),使其不变正在给天命值。

  如图2所示,正在本模块中,为了保障计划精度咱们选用16位可编程D/A转换器,如此咱们能够使其步长为10W(216)≈0.152mV。以是当咱们的电压激劝为2V时,16位DAC电压输出的最大偏差为,以是其齐全合适编制计划哀求。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,以最小水平的减小非线LSB。到此,咱们从DAC获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抉择电途和恒压恒流源驱动电途,则咱们必要正在DAC输出之后加一个驱动电途,正在这里咱们抉择的是高精度运算放大器OPA 227。从图中能够一开到咱们是用的是开环连绵方法,如此即能够完成最大电压值以担任场效应管的G端又能抵达电压断绝的目标。

  因为对统一负载电桥正在不怜惜况下,必要操纵恒压源或者恒流源,以是咱们必要正在桥源个别有个无电阻值(以保障操纵恒压源时不会对负载桥源形成分压),周详的V/I抉择切换电途。同时又因为正在负载操纵恒流源时,必要具有低漂移,高精度,而大功率的驱动电途,凡是的周详仪外放大器难以同时餍足以上条目。以是正在本文中咱们采用了一个全新手段来形成高精度,且大电流的恒流源方法。

  如图3所示,假设此时DAC输出的模范电压值为8 V,则同过开环连绵的周详放大器OPA 227的输出端输出12V的电压参与效应管IRF840的G端,以担任其开闭。同时从OPA 227负端输出同样的模范电压值8V至继电器的COM端。通过ON/OFF担任信号,使继电器的COM端和ON端连通。因为继电器的内阻至极小,能够轻视不计,以是能够以为其无分压效应,则其外接负载电桥的1端电压为模范的8V,而其2端通过继电器接地。同时对付IRF840的G端和S端,它们的电压为VGS=4V,而VDS=4V,由场效应管的输出个性可知,此时正在场效应管能够通过最大1 A的电流,然而正在本计划中电流巨细由DAC形成的周详、低偏差电压值(正在此为8V)和负载电桥阻值决计,而+12V电源和其爱惜电阻R1只起到供应电流的效用。

  通过以上修设,咱们能够正在为外接负载电桥供应周详程控恒压源的同时,避免了从应变仪自己电源引入得噪声。由于平常应变仪操纵外部220V相易电源,再正在应变仪内部过程交直流变换获得直流电压源(如+12V),然而如此做平常会正在应变仪的电源之中留下很强的工频噪声。对付测试渺小应变的电桥来说,明显这些噪声是弗成接纳的。而本计划的好处就正在于,咱们既通过DAC形成的电压外接负载电桥供应了高精度的恒压基准,又由仪器自己的电源通过场效应管供应驱动电流,正在大幅抬高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端贯串触时。此时外接负载电桥的2端通过继电器连绵的一个400Ω的周详电阻接地,与此同时2端还与基准电压电途输出的正确电压值V-COM通过继电器相连。同时电桥的1端已经和场效应管的S端连正在一块。咱们已经设V-COM=8 V,则此时场效应管的VGS=4V而VDS》0V,以是场效应管处于掀开状况。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端经周详电阻流人大地的电流I2。而此时I2的巨细是能够通过电压基准电途输出的的周详电压值V-COM与周详电阻R2担任的。同时和恒压源相通应变仪本身的+12V电源和场效应管只是供应负载电桥的电流,但不行决计其巨细。以是咱们同样完成了正在为外接负载供应周详低偏差的恒流源的同时,有用断绝了仪器自己电源引入的噪声。

  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周详,低偏差,低噪声的程控恒压/恒流源。通过DAC为负载电桥天生周详的基准电压或电流值,然而通过仪器自己的电源供应负载的驱动电流。如此既治理了凡是的桥源驱动才力不强的题目,又有用的断绝了应变仪电源自己所带的噪声。同时咱们通过FPGA对继电器的担任,敏捷地正在恒压源和恒流源之间实行了抉择切换,使其正在同有时刻惟有一种激劝源正在操纵之中,有用的下降了电途的功耗。总之,比拟于其他用于应变仪的桥源,本计划体积更小,功耗更低,摆设敏捷同时也抵达了衡量哀求。本计划一经告捷利用于实质的应变仪之中,通过实质试验与操纵,其抵达了计划模范。

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