应变测量的原理及恒压/恒流源的应用电路设计

2020-08-28 05:32字体:
  

  是一个非常紧急又哀求甚高的范围。因为应变衡量属于微小信号衡量,需求检测出几十微欧的转折,为削减非线性差错,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/恒流源的严谨水准直接决断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诈骗电阻丝的电阻率随丝的变形而转折的联系,把力学参数转化成与之成比列的电学参数。应变片正在职责经过中惹起的是电阻的转折。通过衡量电桥的眇小电阻转折转换成电压或电流的转折,再源委放大器放大,并按照某一比列常数联系,将其变换成试件的应变值面展现出来。杀青上述职责的仪器叫做应变仪。其道理如图1所示。

  应变片所感想的板滞应变量寻常为10-6-10-2,随之而爆发的电阻转折率也大约正在10-6~10-2数目级之间。云云小的电阻转折寻常的电阻衡量仪外很难测出,以是务必采用必定外面的衡量电道将眇小的电阻转折率转化成电压或电流的转折,才具用电子仪外记载或显示出来。

  (1)衡量电桥和其激发都应该有足够高的精度,并可按照测试的分别哀求,可聪明节制激发巨细。

  (2)能将微量的电阻转折率变动成电压或电流的转折,并具有足够高的聪明度。

  应变仪对桥源的精度哀求很高,以是正在电源的打算经过中必定要贯注电源的精度不妨抵达哀求。电源除了要餍足精度哀求以外,为了餍足分别的利用局势,应变仪还哀求电源能供给电压源和电流源两中分别的电桥外面。当仪器仪外输出的模仿信号需求传输较远隔断时,寻常采用电流信号而不是电压信号,由于电流信号抗作对材干强,信号线电阻不会导致信号失掉。电流巨细由负载巨细决断,寻常为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,寻常采用直流电压信号而不是直流电流信号。这是由于,倘使采用直流电流信号,为了保障众个收受信号的修设得到同样的信号,务必将他们的输入端相互串联起来。这就导致了一个不牢靠的身分,当任何一个收受修设发作断道妨碍时,其他收受修设也会失落信号。况且,相互串联的各个领受修设也会失却信号。况且,相互串联的各个领受修设对地的电位不等,也会引出少许困难。 同时为了推广应变仪操纵的聪明性和寻常性,本打算研制了可程控电源。所谓程控电源即是不妨遵从预先设定好的标准和数值自愿节制电源修设的输出(电压或电流),使其宁静正在给定命值。

  如图2所示,正在本模块中,为了保障打算精度咱们选用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。以是当咱们的电压激发为2V时,16位DAC电压输出的最大差错为,以是其完整适合体例打算哀求。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,可是因为DAC带负载的材干很差,不行驱动后面的V/I拣选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,正在这里咱们拣选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结合办法,云云即可能完成最大电压值以节制场效应管的G端又能抵达电压分开的主意。

  因为对统一负载电桥正在不怜惜况下,需求操纵恒压源或者恒流源,以是咱们需求正在桥源一面有个无电阻值(以保障操纵恒压源时不会对负载桥源爆发分压),严谨的V/I拣选切换电道。同时又因为正在负载操纵恒流源时,需求具有低漂移,高精度,而大功率的驱动电道,寻常的严谨仪外放大器难以同时餍足以上前提。以是正在本文中咱们采用了一个全新要领来爆发高精度,且大电流的恒流源办法。

  如图3所示,假设此时DAC输出的圭臬电压值为8 V,则同过开环结合的严谨放大器OPA 227的输出端输出12V的电压加入效应管IRF840的G端,以节制其开闭。同时从OPA 227负端输出同样的圭臬电压值8V至继电器的COM端。通过ON/OFF节制信号,使继电器的COM端和ON端连通。因为继电器的内阻十分小,可能轻视不计,以是可能以为其无分压效应,则其外接负载电桥的1端电压为圭臬的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,由场效应管的输出特质可知,此时正在场效应管可能通过最大1 A的电流,可是正在本打算中电流巨细由DAC爆发的严谨、低差错电压值(正在此为8V)和负载电桥阻值决断,而+12V电源和其爱惜电阻R1只起到供给电流的功用。

  通过以上创立,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。由于平淡应变仪操纵外部220V交换电源,再正在应变仪内部源委交直流变换取得直流电压源(如+12V),可是云云做平淡会正在应变仪的电源之中留下很强的工频噪声。对付测试眇小应变的电桥来说,鲜明这些噪声是弗成领受的。而本打算的好处就正在于,咱们既通过DAC爆发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,正在大幅升高应变仪带负载材干的同时,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端连接触时。此时外接负载电桥的2端通过继电器结合的一个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正确电压值V-COM通过继电器相连。同时电桥的1端依然和场效应管的S端连正在沿途。咱们依然设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节制的。同时和恒压源相似应变仪自己的+12V电源和场效应管只是供给负载电桥的电流,但不行决断其巨细。以是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,有用分开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,可是通过仪器自身的电源供给负载的驱动电流。云云既处理了寻常的桥源驱动材干不强的题目,又有用的分开了应变仪电源自身所带的噪声。同时咱们通过FPGA对继电器的节制,聪明地正在恒压源和恒流源之间举行了拣选切换,使其正在同有时刻唯有一种激发源正在操纵之中,有用的下降了电道的功耗。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,设备聪明同时也抵达了衡量哀求。本打算一经告成利用于本质的应变仪之中,通过本质试验与操纵,其抵达了打算圭臬。

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