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一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，涉及一種電阻應變儀。本發明由外接的電阻應變計和儀器內精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級差分放大電路，二級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轉換電路，A/D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號后輸送至單片機，單片機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電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉換電路提供基準電壓。優點：在低橋路激勵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電阻應變儀
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電阻應變儀，具體是一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，適用于機械、土建、石化等多個行業對結構應力的測量需求，同時也適用于高等院校科研、教學的需求。
【背景技術】
[0002]電阻應變計習慣稱為電阻應變片，簡稱應變計或應變片。電阻應變計的應用范圍十分廣泛，適用的結構包括航空、航天器、原子能反應堆、橋梁、道路、大壩以及各種機械設備、建筑物等；適用的材料包括鋼鐵、鋁、木材、塑料、玻璃、土石、復合材料等各種金屬及非金屬材料。并且，它不僅適用于室內實驗、模型實驗，還可以在現場對實際結構或部件進行測量，這些特點是任何一種傳感元件或傳感器所不能比擬的。另外，它在對結構和設備的安全監測方面也有廣泛的應用前景。
[0003]電阻應變計是一種用途廣泛的高精度力學量傳感元件，其基本任務就是把構件表面的變形量轉變為其自身阻值的變化，進而被電阻應變儀測量。通常電阻應變儀通過惠斯通電橋將應變計的阻值變化ΔΛ/Λ轉換為電壓或電流的增量，進而再經過信號調理、模數轉
換等完成最終的信號采集并通過軟件實現應變值的顯示。當前市場上恒壓式靜態電阻應變儀比較常見，這種應變儀都通過惠斯通電橋將應變量轉換成電壓信號。從提升應變儀測量 精度考慮，應變儀中惠斯通電橋的激勵電壓越高越好，因為根據公式1=+^^，較高的激
勵可以得到較高的輸出電壓，進而有助于提高應變儀的測量精度。但是，惠斯通電橋激勵電壓較高對應變測試系統的精度十分不利。這是因為，激勵較高使得電阻應變計的功耗大增，又由于應變計絲柵與被測材料之間隔著一層導熱性能不太好的基底和粘接膠，因此使得電阻應變計處于局部高溫之中，溫度誤差增大，進而降低系統測量精度。綜合考慮以上因素，從提升測試系統的精度出發，靜態應變儀應當在保證一定儀器精度的同時盡量降低惠斯通電橋激勵電壓。當前市場上的靜態電阻應變儀均不能很好地滿足以上要求，當惠斯通電橋激勵為2V時儀器誤差普遍高于0.5%。

【發明內容】

[0004]為了解決現有應變儀在低橋路激勵電壓的情況下無法保證測量精度的問
題，本發明提供一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，在低橋路激勵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]本發明是以如下技術方案實現的:一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，由外接的電阻應變計和儀器內精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級差分放大電路，二級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轉換電路，A/D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號后輸送至單片機，單片機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電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉換電路提供基準電壓。
[0006]其進一步是:所述的二級差分放大電路包括兩個斬波穩零放大器ICL7650，兩個斬波穩零放大器ICL7650的輸出端連接一儀表放大器AD620。
[0007]所述的單片機采用51單片機。
[0008]所述的單端-差分變換電路由運算放大器AD8138及其外圍電路構成。
[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]本發明的有益效果是:1、通過降低應變儀激勵電壓極大地降低了惠斯通電橋的功率，進而降低了應變儀所在測試系統對電阻應變計的使用要求，從而有助于提高測試系統的精度，這種設計克服了傳統應變儀只注重儀器精度，不重視應變儀所在測試系統整體精度的缺陷。2、本發明根據當今芯片技術的發展對電阻應變儀的結構進行了優化，達到了降低儀器體積和功耗的目的；3、本發明強化了應變儀的通訊功能，將應變儀所有的人機交互功能全部轉移到上位機，符合智能儀器發展趨勢，便于客戶定制人機界面。4、小巧輕便，抗干擾能力強，性能穩定，靈活易用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發明電路原理圖；
圖2是本發明的電路圖；
圖3是本發明的電源電路圖；
圖4是本發明的放大電路、單端-差分變換電路和模數轉換電路圖。
【具體實施方式】
[0012]如圖1所示，一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，由外接的電阻應變計和儀器內精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級差分放大電路，二級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轉換電路，A/D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號后輸送至單片機，單片機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電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉換電路提供基準電壓。
[0013]如圖2-4所示，所述的二級差分放大電路包括兩個斬波穩零放大器ICL7650，兩個斬波穩零放大器ICL7650的輸出端連接一儀表放大器AD620。所述的單片機采用51單片機。所述的單端-差分變換電路由運算放大器AD8138及其外圍電路構成。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轉換電路采用模數轉換器AD7170。
[0014]該應變儀由±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，再由內置電阻和外接應變計共同組成橋路，在+2.048V激勵電壓下將應變量轉化為電壓信號輸出；信號放大電路在接收到惠斯通電橋的電壓信號后，首先由兩個斬波穩零放大器ICL7650實現信號的一級差動放大,然后又通過儀表放大器AD620實現信號的二級放大；經過放大后的信號在運算放大器AD8138組成的信號轉換電路部分被首先調整成差分信號，然后被模數轉換器AD7170轉換為數字信號；轉換后的數字信號首先被單片機讀取并存儲在內置存儲器中，然后被單片機通過串口發送到上位機。通信與操作按鍵由單片機、鍵盤電路和USB轉串口電路組成，其功能是實現數字信號的讀取、存儲和發送，同時實現相應的時序控制。
[0015]具體地講，首先該應變儀的ADR4520芯片構成的精密電源電路為惠斯通電橋提供了精準的軌到軌參考電壓。這個精準的2.048V電橋激勵電壓保證了電橋輸出信號的精度，
因為從公式可知電橋的輸出與激勵成正比。再配上性能穩定的精密電阻，即可保證電橋輸出信號的穩定、精確。其次，由兩個斬波穩零放大器ICL7650和儀表放大器AD620組成的放大電路可以實現對電橋輸出信號的穩定、準確放大，因為這種放大電路具有很高的精度，且輸入偏置電流小、失調小、共模抑制能力強、噪聲低、性能穩定。最后，芯片ADR4525和ADR4540構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轉換器提供了精準的電壓參考，從而保證了模擬信號到數字信號的準確轉換。
【權利要求】
1.一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，其特征在于:由外接的電阻應變計和儀器內精密電阻組成的惠斯通電橋，惠斯通電橋的輸出連接二級差分放大電路，二級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轉換電路，A/D轉換電路將模擬信號轉換成數字信號后輸送至單片機，單片機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電壓，輸出+4.096V電壓為A/D轉換電路提供基準電壓。
2.根據權利要求1所述的一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，其特征在于:所述的二級差分放大電路包括兩個斬波穩零放大器ICL7650，兩個斬波穩零放大器ICL7650的輸出端連接一儀表放大器AD620。
3.根據權利要求1所述的一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，其特征在于:所述的單片機米用51單片機。
4.根據權利要求1所述的一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，其特征在于:所述的單端-差分變換電路由運算放大器AD8138及其外圍電路構成。
5.根據權利要求1-4任一項所述的一種便攜式低功耗靜態電阻應變儀，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】G01B7/16GK103852002SQ201410074057
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】陳維林, 權亞蕾, 陳以云 申請人:陳維林