一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，涉及一種電阻應(yīng)變儀。本發(fā)明由外接的電阻應(yīng)變計(jì)和儀器內(nèi)精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級(jí)差分放大電路，二級(jí)差分放大電路后端連接單端-差分變換電路，單端-差分變換電路輸出連接A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸送至單片機(jī)，單片機(jī)連接有操作按鍵和串口通信電路；還包括一電源，所述的電源輸出+2.048V電壓給惠斯通電橋供電，輸出+2.500V電壓為單端-差分變換電路提供基準(zhǔn)電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓。優(yōu)點(diǎn)：在低橋路激勵(lì)電壓的情況下保證測量精度的問題，功耗更低，更易于攜帶和使用。
【專利說明】一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電阻應(yīng)變儀，具體是一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，適用于機(jī)械、土建、石化等多個(gè)行業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的測量需求，同時(shí)也適用于高等院?？蒲小⒔虒W(xué)的需求。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻應(yīng)變計(jì)習(xí)慣稱為電阻應(yīng)變片，簡稱應(yīng)變計(jì)或應(yīng)變片。電阻應(yīng)變計(jì)的應(yīng)用范圍十分廣泛，適用的結(jié)構(gòu)包括航空、航天器、原子能反應(yīng)堆、橋梁、道路、大壩以及各種機(jī)械設(shè)備、建筑物等；適用的材料包括鋼鐵、鋁、木材、塑料、玻璃、土石、復(fù)合材料等各種金屬及非金屬材料。并且，它不僅適用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、模型實(shí)驗(yàn)，還可以在現(xiàn)場對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)或部件進(jìn)行測量，這些特點(diǎn)是任何一種傳感元件或傳感器所不能比擬的。另外，它在對(duì)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安全監(jiān)測方面也有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]電阻應(yīng)變計(jì)是一種用途廣泛的高精度力學(xué)量傳感元件，其基本任務(wù)就是把構(gòu)件表面的變形量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渥陨碜柚档淖兓?，進(jìn)而被電阻應(yīng)變儀測量。通常電阻應(yīng)變儀通過惠斯通電橋?qū)?yīng)變計(jì)的阻值變化ΔΛ/Λ轉(zhuǎn)換為電壓或電流的增量，進(jìn)而再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)
換等完成最終的信號(hào)采集并通過軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)變值的顯示。當(dāng)前市場上恒壓式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀比較常見，這種應(yīng)變儀都通過惠斯通電橋?qū)?yīng)變量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。從提升應(yīng)變儀測量 精度考慮，應(yīng)變儀中惠斯通電橋的激勵(lì)電壓越高越好，因?yàn)楦鶕?jù)公式1=+^^，較高的激
勵(lì)可以得到較高的輸出電壓，進(jìn)而有助于提高應(yīng)變儀的測量精度。但是，惠斯通電橋激勵(lì)電壓較高對(duì)應(yīng)變測試系統(tǒng)的精度十分不利。這是因?yàn)?，激?lì)較高使得電阻應(yīng)變計(jì)的功耗大增，又由于應(yīng)變計(jì)絲柵與被測材料之間隔著一層導(dǎo)熱性能不太好的基底和粘接膠，因此使得電阻應(yīng)變計(jì)處于局部高溫之中，溫度誤差增大，進(jìn)而降低系統(tǒng)測量精度。綜合考慮以上因素，從提升測試系統(tǒng)的精度出發(fā)，靜態(tài)應(yīng)變儀應(yīng)當(dāng)在保證一定儀器精度的同時(shí)盡量降低惠斯通電橋激勵(lì)電壓。當(dāng)前市場上的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀均不能很好地滿足以上要求，當(dāng)惠斯通電橋激勵(lì)為2V時(shí)儀器誤差普遍高于0.5%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決現(xiàn)有應(yīng)變儀在低橋路激勵(lì)電壓的情況下無法保證測量精度的問
題，本發(fā)明提供一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，在低橋路激勵(lì)電壓的情況下保證測量精度的問題，功耗更低，更易于攜帶和使用。
[0005]本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，由外接的電阻應(yīng)變計(jì)和儀器內(nèi)精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級(jí)差分放大電路，二級(jí)差分放大電路后端連接單端-差分變換電路，單端-差分變換電路輸出連接A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸送至單片機(jī)，單片機(jī)連接有操作按鍵和串口通信電路；還包括一電源,所述的電源輸出+2.048V電壓給惠斯通電橋供電,輸出+2.500V電壓為單端-差分變換電路提供基準(zhǔn)電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓。
[0006]其進(jìn)一步是:所述的二級(jí)差分放大電路包括兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650，兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650的輸出端連接一儀表放大器AD620。
[0007]所述的單片機(jī)采用51單片機(jī)。
[0008]所述的單端-差分變換電路由運(yùn)算放大器AD8138及其外圍電路構(gòu)成。
[0009]所述的精密電壓源由集成電路芯片ADR4520、ADR4525、ADR4540及其外圍電路組成的三組精密電壓源。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:1、通過降低應(yīng)變儀激勵(lì)電壓極大地降低了惠斯通電橋的功率，進(jìn)而降低了應(yīng)變儀所在測試系統(tǒng)對(duì)電阻應(yīng)變計(jì)的使用要求，從而有助于提高測試系統(tǒng)的精度，這種設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)應(yīng)變儀只注重儀器精度，不重視應(yīng)變儀所在測試系統(tǒng)整體精度的缺陷。2、本發(fā)明根據(jù)當(dāng)今芯片技術(shù)的發(fā)展對(duì)電阻應(yīng)變儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了降低儀器體積和功耗的目的；3、本發(fā)明強(qiáng)化了應(yīng)變儀的通訊功能，將應(yīng)變儀所有的人機(jī)交互功能全部轉(zhuǎn)移到上位機(jī)，符合智能儀器發(fā)展趨勢，便于客戶定制人機(jī)界面。4、小巧輕便，抗干擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，靈活易用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明電路原理圖；
圖2是本發(fā)明的電路圖；
圖3是本發(fā)明的電源電路圖；
圖4是本發(fā)明的放大電路、單端-差分變換電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]如圖1所示，一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，由外接的電阻應(yīng)變計(jì)和儀器內(nèi)精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級(jí)差分放大電路，二級(jí)差分放大電路后端連接單端-差分變換電路，單端-差分變換電路輸出連接A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸送至單片機(jī)，單片機(jī)連接有操作按鍵和串口通信電路；還包括一電源，所述的電源輸出+2.048V電壓給惠斯通電橋供電,輸出+2.500V電壓為單端-差分變換電路提供基準(zhǔn)電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓。
[0013]如圖2-4所示，所述的二級(jí)差分放大電路包括兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650，兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650的輸出端連接一儀表放大器AD620。所述的單片機(jī)采用51單片機(jī)。所述的單端-差分變換電路由運(yùn)算放大器AD8138及其外圍電路構(gòu)成。所述的精密電壓源由集成電路芯片ADR4520、ADR4525、ADR4540及其外圍電路組成的三組精密電壓源。所述的A/D轉(zhuǎn)換電路采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7170。
[0014]該應(yīng)變儀由±5V電源供電。惠斯通電橋由集成電路芯片ADR4520提供精密的橋路激勵(lì)，再由內(nèi)置電阻和外接應(yīng)變計(jì)共同組成橋路，在+2.048V激勵(lì)電壓下將應(yīng)變量轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出；信號(hào)放大電路在接收到惠斯通電橋的電壓信號(hào)后，首先由兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650實(shí)現(xiàn)信號(hào)的一級(jí)差動(dòng)放大,然后又通過儀表放大器AD620實(shí)現(xiàn)信號(hào)的二級(jí)放大；經(jīng)過放大后的信號(hào)在運(yùn)算放大器AD8138組成的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路部分被首先調(diào)整成差分信號(hào)，然后被模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7170轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)首先被單片機(jī)讀取并存儲(chǔ)在內(nèi)置存儲(chǔ)器中，然后被單片機(jī)通過串口發(fā)送到上位機(jī)。通信與操作按鍵由單片機(jī)、鍵盤電路和USB轉(zhuǎn)串口電路組成，其功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的讀取、存儲(chǔ)和發(fā)送，同時(shí)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的時(shí)序控制。
[0015]具體地講，首先該應(yīng)變儀的ADR4520芯片構(gòu)成的精密電源電路為惠斯通電橋提供了精準(zhǔn)的軌到軌參考電壓。這個(gè)精準(zhǔn)的2.048V電橋激勵(lì)電壓保證了電橋輸出信號(hào)的精度，
因?yàn)閺墓娇芍姌虻妮敵雠c激勵(lì)成正比。再配上性能穩(wěn)定的精密電阻，即可保證電橋輸出信號(hào)的穩(wěn)定、精確。其次，由兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650和儀表放大器AD620組成的放大電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電橋輸出信號(hào)的穩(wěn)定、準(zhǔn)確放大，因?yàn)檫@種放大電路具有很高的精度，且輸入偏置電流小、失調(diào)小、共模抑制能力強(qiáng)、噪聲低、性能穩(wěn)定。最后，芯片ADR4525和ADR4540構(gòu)成的兩組精密軌到軌輸出電壓分別為單端-差分變換電路和A/D轉(zhuǎn)換器提供了精準(zhǔn)的電壓參考，從而保證了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換。
【權(quán)利要求】
1.一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其特征在于:由外接的電阻應(yīng)變計(jì)和儀器內(nèi)精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級(jí)差分放大電路，二級(jí)差分放大電路后端連接單端-差分變換電路，單端-差分變換電路輸出連接A/D轉(zhuǎn)換電路，A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸送至單片機(jī)，單片機(jī)連接有操作按鍵和串口通信電路；還包括一電源，所述的電源輸出+2.048V電壓給惠斯通電橋供電,輸出+2.500V電壓為單端-差分變換電路提供基準(zhǔn)電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉(zhuǎn)換電路提供基準(zhǔn)電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其特征在于:所述的二級(jí)差分放大電路包括兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650，兩個(gè)斬波穩(wěn)零放大器ICL7650的輸出端連接一儀表放大器AD620。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其特征在于:所述的單片機(jī)米用51單片機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其特征在于:所述的單端-差分變換電路由運(yùn)算放大器AD8138及其外圍電路構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種便攜式低功耗靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，其特征在于:所述的電源由集成電路芯片ADR4520、ADR4525、ADR4540及其外圍電路組成的三組精密電壓源。
【文檔編號(hào)】G01B7/16GK103852002SQ201410074057
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】陳維林, 權(quán)亞蕾, 陳以云 申請(qǐng)人:陳維林