[发明专利]宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统

说明书

本发明公开了一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，包括应变传感器和应变信号转换功能块，应变信号转换功能块依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微控制器功能块，应变信号转换功能块还连接桥源功能块和桥压实时回采功能块，固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有硬件归零功能块；固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型仪表放大器，低噪声差分输入型仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。本发明实现了高精度、宽范围、抗干扰、小型化的应变信号调理，集成度更高、功能更全、封装更小。

技术领域

本发明涉及测控技术领域，具体的说，是一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统。

背景技术

材料力学试验中经常采用应变表征材料损伤演变过程，通过测量材料的局部应变演变过程可以用于预测与评价材料的损伤。含能材料部件属于高弹性模量材料，在力或者热等外在载荷激励下，自身内部应力分布将发生变化，通过多点布置应变传感器即可观察到各点应变的变化。含能材料部件在力或者热载荷激励下，其应变变化范围约为10⁰～10⁴με，在不同数量级上的应变数值均具有不同的结构强度与结构力学意义，这对横跨4个数量级的宽范围测量与高精度测量提出了需求。随着装备向高可靠性方向发展，对装备中的结构薄弱部件进行植入式在线监测需求越来越大，对于应变测试系统的小型化提出了直接需求。相比于半桥与全桥应变测量方法，单臂桥具有传输线路少、线路连接简单等优点，广泛应用于常温应变测试工程领域。现有的适用于静态单臂桥应变测量的调理技术无法满足植入式在线监测中对应变测试系统的宽高精度、宽范围、小型化、低电源与低功耗的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，用于解决现有技术中静态单臂桥应变测量的调理系统无法满足植入式在线监测中对应变测试系统对高精度、宽范围要求的问题，以及无法满足低电源与低功耗的问题。

本发明通过下述技术方案解决上述问题：

一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，包括应变传感器以及与应变传感器连接的用于将力学应变量转化为微伏级的电压量的应变信号转换功能块，所述应变信号转换功能块的输出端依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微控制器功能块，应变信号转换功能块还依次连接有用于给应变信号转换功能块提供电源的桥源功能块和用于实时采集桥源电压的桥压实时回采功能块，所述桥压实时回采功能块与所述微控制器功能块连接，所述固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有硬件归零功能块；所述桥源功能块采用专用电源集成电路，所述桥压实时回采功能块依据桥源功能块允许误差设计和计算模数转换最低位数；所述固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型仪表放大器，所述低噪声差分输入型仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。

应变传感器连接应变信号转换功能块，实现将力学应变量转化为微伏级的电压量，桥源电路为应变信号转换功能块提供电源，微伏级应变信号连接低噪声差分输入型仪表放大器实现一级放大，一级放大后的信号连接低通滤波器实现滤波，滤波后的信号通过程控放大模块进行二级放大，二级放大后的信号经过模数转换后输入微控制器功能块实现信号采集。桥压实时回采功能块将桥源电压实时采集，硬件归零功能块通过测量零负载下的应变信号输入，经过数模转换后输出为低噪声差分输入型仪表放大器的归零参考电压，实现高精度硬件归零。利用一级放大的差分输入与差分输出，二级放大额差分输入，传输线路的电容交流滤波、级间低通滤波等提高信号质量的信号处理方法，实现了应变信号高精度测试，其中，传输线路电容交流滤波设置在固定增益放大功能块的差分输入信号的正负信号端，采用电容直接接地方式实现；级间低通滤波接收固定增益放大功能块信号，通过低通滤波器滤波后，输出到程控增益放大模块。

进一步地，所述固定增益放大功能块的增益A₁设计方法为：