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时间:2021-01-25
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1、用于应变仪的程控精密激励源设计1引言 在工程实践中,应力变化的测量是一个十分重要又要求甚高的领域。由于应变测量属于微弱信号测量,需要检测出几十微欧的变化,为减少非线性误差,所以常常采用差动电桥,恒流源或者恒压源的测量方案,其中恒压/恒流源的精密程度直接决定了应变测量的精密程度。这就提出了对高精密度的恒压/恒流源要求。 2应变测量原理及其要求 应变片测量应变时是利用电阻丝的电阻率随丝的变形而变化的关系,把力学参数转化成与之成比列的电学参数。应变片在工作过程中引起的是电阻的变化。通过测量电桥的微小电阻变化转换成电压或电流的变化
2、,再经过放大器放大,并根据某一比列常数关系,将其变换成试件的应变值面展示出来。完成上述工作的仪器叫做应变仪。其原理如图1所示。 应变片所感受的机械应变量一般为10-6-10-2,随之而产生的电阻变化率也大约在10-6~10-2数量级之间。这样小的电阻变化一般的电阻测量仪表很难测出,所以必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转化成电压或电流的变化,才能用电子仪表纪录或显示出来。 测量电路至少满足下面两个要求: (1)测量电桥和其激励都应当有足够高的精度,并可根据测试的不同要求,可灵活控制激励大小。 (2)能将微量
3、的电阻变化率转变成电压或电流的变化,并具有足够高的灵敏度。 本文详细探讨精密可程控恒压恒流源的发生、控制、驱动的设计。 3激励源方案设计 应变仪对桥源的精度要求很高,所以在电源的设计过程中一定要注意电源的精度能够达到要求。电源除了要满足精度要求以外,为了满足不同的应用场合,应变仪还要求电源能提供电压源和电流源两中不同的电桥形式。当仪器仪表输出的模拟信号需要传输较远距离时,一般采用电流信号而不是电压信号,因为电流信号抗干扰能力强,信号线电阻不会导致信号损失。电流大小由负载大小决定,一般为0mA~20mA。当智能仪器输出的模拟
4、信号需要传输给多个仪器仪表时,一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。这是因为,如果采用直流电流信号,为了保证多个接收信号的设备获得同样的信号,必须将他们的输入端互相串联起来。这就导致了一个不可靠的因素,当任何一个接收设备发生断路故障时,其他接收设备也会失去信号。而且,互相串联的各个接受设备也会失却信号。而且,互相串联的各个接受设备对地的电位不等,也会引出一些麻烦。同时为了增加应变仪使用的灵活性和广泛性,本设计研制了可程控电源。所谓程控电源就是能够按照预先设定好的程序和数值自动控制电源设备的输出(电压或电流),使其稳定在给定数值
5、。为满足本设计中电阻应变仪对桥源的不同需求,给出如下的激励源设计指标: (1)恒压源:0V~8V,输出电流稳定度好于0.01%。 (2)恒流源:0mA~20mA,输出电流稳定度好于0.02%。 4程控恒压源基准电路 如图2所示,在本模块中,为了保证设计精度我们选用16位可编程D/A转换器,这样我们可以使其步长为10W(216)≈0.152mV。所以当我们的电压激励为2V时,16位DAC电压输出的最大误差为,所以其完全符合系统设计要求。我们选用的DAC是DAC7731EC,并陪以MAX6225的2.5V外部参考电压源,
6、以最小程度的减小非线性误差,最大误差仅为1LSB。到此,我们从DAC得到了高精度的恒定电压,但是由于DAC带负载的能力很差,不能驱动后面的V/I选择电路和恒压恒流源驱动电路,则我们需要在DAC输出之后加一个驱动电路,在这里我们选择的是高精度运算放大器OPA227。从图中可以一开到我们是用的是开环连接方式,这样即可以实现最大电压值以控制场效应管的G端又能达到电压隔离的目的。 5V/I选择电路及驱动电路 由于对同一负载电桥在不同情况下,需要使用恒压源或者恒流源,所以我们需要在桥源部分有个无电阻值(以保证使用恒压源时不会对负载
7、桥源产生分压),精密的V/I选择切换电路。同时又由于在负载使用恒流源时,需要具有低漂移,高精度,而大功率的驱动电路,一般的精密仪表放大器难以同时满足以上条件。所以在本文中我们采用了一个全新方法来产生高精度,且大电流的恒流源方式。5.1恒压源驱动电路 如图3所示,假设此时DAC输出的标准电压值为8V,则同过开环连接的精密放大器OPA227的输出端输出12V的电压到场效应管IRF840的G端,以控制其开闭。同时从OPA227负端输出同样的标准电压值8V至继电器的COM端。通过ON/OFF控制信号,使继电器的COM端和ON端连通。由
8、于继电器的内阻非常小,可以忽略不计,所以可以认为其无分压效应,则其外接负载电桥的1端电压为标准的8V,而其2端通过继电器接地。同时对于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性可知,此时在场效应管可以通过最大1A的电
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