相关检测技术在应变测量中的应用.pdf

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1、总第199期2011年第l期舰船电子工程ShipElectronicEngineeringV01．31No．1140相关检测技术在应变测量中的应用’李日忠黄俊斌谭波顾宏灿(海军工程大学兵器工程系武汉430033)摘要为了提高应变测量系统的测量精度，采用了相关检测技术测量应变电阻阻值，能显著抑制环境电磁干扰和放大器的直流误差、1／f噪声．提高了测量精度。关键词应变；相关检测；电阻值测量；电阻桥中图分类号TN407ApplicationofCorrelationDetectioninStrainMeasurementLiRizhongHuangJunbinTan130Gu

2、Hongcan(Dept．ofWeaponryEng．，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033)Al晦tragtInordertOimprovetheprecisionofthestrainmeasurementsystem，correlationdetectiontechnologyisusedtOmeasuretheresistanceofstrainresistors．Theenvironmentalelectromagneticdisturbance，DCerrorand1／fnoiseofam—plifierarer

3、ejectedobviouslybyusingthistechnology，hencethemeasureprecisionisimprovedgreatly．KeyWordsstrain。correlationdetection，resistancemeasurement，resistorbridgeCI粥Numl晰TN4071引言各种大型结构体(如大型船体，桥梁建筑等)通常需要监测其结构的安全状态，结构安全状态监测一般通过测量结构应变[1~2]、振动[3‘、温度[4]等物理量来实现。目前，测量应变常采用的传感器是应变电阻，通过测量安装在结构体上的应变电阻阻值来获得

4、结构的应变大小，应变电阻阻值R，一Ro+AR，△R为应变电阻受应变后的电阻值变化量，通常认为△R正比于应变￡，应变的测量精度由△R的测量精度决定。2常用测量方案一般用电阻桥来实现电阻的高精度测量L5~6]，常用的测量应变电阻阻值的方案如图1所示。图1中，采用电阻桥来测量应变电阻见的阻值，其中R。一R：一R。一R。，电阻桥直流偏置电压U，仪表放大器(In-amp)的增益为G，仪表放大器图l应变电阻测量方案输出电压：Ⅵ一(象专尝一基)u·G2瓮Ⅵ·Gc·，仪表放大器输出电压Ⅵ经低通滤波器(Low-passfilter)滤波后由ADC转化为数字信号，送入CPU中处理，整个系

5、统能实现自动化测量和控制。这是目前最常用的结构体应变测量方案，能满足一般的测量要求。但如果对应变测最精度要求高时，此方案存在两个方面的问题：1)环境电磁干扰埋]，应变电阻Rx和测试电路的连接电缆一般较长。容易引入环境的电磁干扰，在一些恶劣的电磁环境(如舰船、电站等)中，这种干扰尤为明显，而且干扰·收稿日期：2010年8月13日．修回日期：2010年9月20日作者简介：李日忠．男．博士研究生，讲师，研究方向：光纤光棚传感。2011年第1期舰船电子T程141噪声的频率低(如50Hz丁频干扰)，难以用滤波器滤除；2)仪表放大器存在输入失调电压，且随环境温度变化，给测量带来直

6、流误差【7~8]，虽然目前高性能的仪表放大器输入失调电压很小，但在测量精度要求高的场合，其误差影响仍不可忽略。文献[8]提出了一种多通道测量方案来消除放大器失调误差引起的测量误差，但方案中应变片等元件的布设过于复杂，不利于T程应用。本文提出用相关检测技术来测毋应变电阻阻值，能有效抑制环境电磁干扰和放大器的直流误差。3相关检测方案为了减小环境电磁干扰和仪表放大器输入失调电压的影响，可以给电阻桥加交流调制电压，使得应变电阻阻值变化量肷引起的电压信号V。频率与环境电磁干扰和仪表放大器输入失调电压的频率显著不同，从而可以用相关检测技术精确的测量出△R。采用相关检测技术的测量方

7、案如图2所示，偏置电压u改为交流信号电压，由DSP按特定频率生成。图2中仪表放大器输出U由3部分构成：Vo(￡)=V(￡)+U(￡)+u(2)其中，Ⅵ(f)为信号电压。U(t)为各种电磁干扰和电路噪声引起的噪声电压，U为仪表放大器输入失调电压引起的直流误差电压。设偏置电压U(f)一‰cos(co,t+伽)，则信号电压V(f)=垒舡cOs(cost+妒)=Kcos(触￡+妒)(3)其中，K一学‰，在DSP中将u(f)和一对正厶』、0交参考信号(角频率毗)作相关运算，可准确求得信号u(f)的振幅K，从而进一步解出应变电阻的阻值变化量△R。图2相关检测技术