專利名稱：柔性化應變信號現場采集系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于測試測量技術、通信技術領域，具體涉及一種柔性化應變信號現場采集系統，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現場總線接口。
背景技術：
應變測量是結構分析中應用最廣泛和實用性最強的實驗方法之一，金屬箔式應變片廣泛應用于各種場合，如力學實驗、公路橋梁檢測、稱重技術，飛機全機試驗，以及動態應變測量，甚至沖擊與加速度測量。對應變片的測量一般需要組成電橋(如直流惠斯登電橋)來進行，一般，應變儀均采用精密測量電阻組成橋臂，并手動調整與選擇電阻組成所需要的電橋形式。當應變片阻值或電橋形式發生變化時，必須重新調整電橋。這在應變信號采集規模較大時，組橋、調整工作量大，一旦出現故障排查也較困難。傳統的應變測試測量手段還存在體積較大、不利于組網形成分布式采集的缺點。
在測量電路中，常常需要將傳感器檢測到的信號進行放大，但兼顧大的動態范圍和較高的信號精度的情況下，使用固定增益的放大器很難滿足預期的要求，使用程控增益放大器則可以很好地滿足這種要求。既不會因為輸入信號太小，放大器“欠量程”，造成在模數轉換時丟失較多的有效數據位，影響測量精度，也不會由于輸入信號較大，致使放大器“過量程”，引起信號失真。這在智能儀表中尤為重要。
信號采集和處理的硬件體系架構方式基本采用的是“測控卡+工控機”的方案，即用現成的信號采集板卡插入工控機中。這種方式具有穩定性好，通用性強等優點。但是這種方式的設備體積一般較大，且采集規模即通道數一般較少。當采集規模較大時，設備體積很多，系統復雜，且費用較高。
現場總線是計算機網絡適應工業現場環境的產物。現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線連接，實現信息互換，是新一代全數字、全分散和全開放的現場測控系統。現場總線技術具有布局網絡化、傳輸數字化、儀表智能化、測控分散化等特點，受到世界范圍的關注，成為工業測控領域中發展的熱點。
發明內容
本發明為一種柔性化應變信號現場采集系統，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現場總線接口。本發明針對電阻應變片的測試測量而設計，目的是實現可靈活、柔性地適用于常用的多種阻值應變片的直流惠斯登單臂電橋、半橋、全橋形式的測量與信號采集方法及系統。通過控制電橋形式和程控放大器增益，該系統還可用于其他形式電壓信號的采集。其現場總線接口，使其可方便地組成采集網絡，如大規模分布式數據采集系統。
本發明的柔性化應變信號現場采集系統，包括DSP模塊分別雙向連于CAN總線接口和模數轉換器，DSP模塊的輸出還分別與控制柔性化電橋配置模塊、第一級程控放大器及第二級程控放大器相連，接收應變信號或電壓信號等輸入信號的柔性化電橋配置模塊連于第一級程控放大器輸入端，第一級程控放大器的輸出端連于第二級程控放大器的輸入端，第二級程控放大器的輸出端與模數轉換器相連。柔性化電橋配置模塊由若干標準電阻和干簧管繼電器組成，其中標準電阻為高精度測量用電阻，其阻值與幾種常用應變片的阻值相同，干簧管繼電器用于選通不同的標準電阻，實現多種阻值多種電橋形式下的測量。兩級程控放大器用于使電橋輸出的微弱信號調理至后續的模數轉換器允許范圍之內，其中，要求兩級程控放大器的增益組合至少有一種為“1”，以使該單元還可用于其他形式電壓信號的采集。
本系統的工作原理是，被采集的應變信號或其他形式的電壓信號接入柔性化電橋配置模塊，經電橋和程控放大器放大后的信號進入模數轉換器轉換成數字信號送入DSP模塊，經DSP模塊處理后，通過CAN總線接口發送給上位機。
本發明為一種柔性化應變信號現場采集系統，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現場總線接口，適于常用的多種阻值應變片的直流惠斯登單臂電橋、半橋、全橋形式的測量與信號采集，以及其他形式電壓信號的采集。由于該單元具備現場總線(CAN總線)接口，因而可方便地組成大規模分布式數據采集網絡。和測控卡+工控機”的方案相比，該單元還有體積小重量輕的優勢。
圖1柔性化應變信號現場采集系統結構框圖。
圖2柔性化單臂電橋配置模塊的電路原理圖。
圖3柔性化半橋電橋配置模塊的電路原理圖。
圖4柔性化全橋電橋配置模塊的電路原理圖。
圖2～圖4中符號名稱分別為+E、-E為電橋電源的正負電壓，+Uo、-Uo為電橋輸出正負電壓，R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標準電阻，R3、R4為同阻值的標準電阻，S1～S9為干簧管繼電器。
圖5兩級程控放大模塊原理框6模數轉換器與DSP的接口原理7柔性化電橋配置模塊實施例電路圖。圖中RL4_1～RL4_9為干簧管繼電器，R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標準電阻，R3、R4為同阻值的標準電阻，R5、R6為電阻，Q51為三極管，U51為高性能運算放大器，U52為基準電壓源。
圖8兩級程控放大模塊實施例電路圖。圖中U21、U22為結構相同而參數不同的儀表放大器，U23、U24為相同的高性能運算放大器。
圖9高精度模數轉換模塊實施例電路圖。圖中U31為模數轉換器，U32為基準電壓源，Y2為晶體振蕩器。
具體實施例方式
本發明的結構框圖如圖1所示，采用德州儀器公司的DSP芯片TMS320LF2407A作控制核心，外圍電路有柔性化電橋配置、兩級程控放大、模數轉換、CAN總線接口等模塊。外部接入的應變片，或電壓信號接入電橋配置模塊，然后進入程控放大器，經模數轉換后由DSP進行處理，并將數據打包后經CAN總線傳輸給上位機。柔性化電橋以及程控放大器的工作模式和參數均由DSP控制，而DSP可接受上位機的控制指令。
1)CAN總線接口與DSP模塊雙向相連的CAN總線接口實現本發明所述單元與PC機間的數據、控制指令和狀態信息的傳送，并組成結構簡單、成本低、可靠性高的采集網絡。CAN總線網絡采用DSP內部集成的CAN2.0B總線控制器與TI公司的CAN總線收發器SN65HVD230來實現。
SN65HVD230芯片是TI公司的一款CAN總線收發器，3.3V工作電壓，適于用在TI的DSP系統中。SN65HVD230主要有三種工作模式高速模式，待機模式，斜率控制模式。在本發明中采用了低成本的斜率控制模式。
2)柔性化電橋配置分別連于DSP模塊和程控放大器的柔性化電橋配置模塊，利用精密電阻和干簧管繼電器組成如圖2、圖3、圖4所示的電橋，電橋輸出的微弱信號經放大后進行測量。圖中的符號+E、-E分別表示電橋的供橋(激勵)正電壓和負電壓，+Uo、-Uo為電橋輸出正電壓和負電壓，S1～S9為干簧管繼電器。R3、R4為相同阻值的標準電阻，在單臂電橋測量和半橋測量時使用，組成半等臂電橋。R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標準電阻，單臂電橋測量時使用，所接入的應變片阻值必須是其中的一種，如120Ω、350Ω等。
圖2所示的是柔性化單臂電橋配置模塊的電路原理圖，其電路的組成是，電橋電源輸出構成兩個并聯回路一路由正極+E經兩個串聯的同阻值電阻R3與R4后與負極-E相連形成一個回路；另一路由正極+E經應變片連于四個干簧管繼電器(S3～S6)之一，經對應的四個不同阻值標準電阻(R2A、R2B、R2C、R2D)之一后，與負極-E相連形成另一個回路。在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器S1，電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。S1～S9的開啟或閉合狀態見表1。
圖3所示的是柔性化半橋配置模塊的電路原理圖，與圖2的不同之處是第二個回路中應變片改成兩個串聯的應變片組成半橋形式的測量電路，其次是去掉了圖中虛線框內的不同阻值標準電阻的四個并聯電阻，且S1～S9的開啟或閉合狀態見表1。
圖4所示的是柔性化全橋配置模塊的電路原理圖，與圖2和圖3的不同之處是第一個回路中不再經過兩個串聯的同阻值電阻R3與R4，而是經過兩個串聯的應變片3和應變片4；第二個回路中經過另兩個串聯的應變片1和應變片2后，與第一個回路匯合，經干簧管繼電器S2連于電橋負極，因此，本電路不僅去掉了由兩個同阻值標準電阻R3與R4(圖中虛線框內的R3與R4)串聯后組成的回路，同時還去掉了圖中虛線框內的不同阻值標準電阻的并聯電路，且S1～S9的開啟或閉合狀態見表1。
上述圖中通過控制模擬開關的開啟與關閉，可以實現對不同電橋形式的多種阻值電阻應變片的應變測量，及其他電壓信號的測量。如圖2的單臂電橋測量時，從外部接入1個應變片，設與其阻值匹配的標準電阻是R2A，則干簧管繼電器S1、S3、S7、S8閉合，其他開啟。如進行的不是應變片傳感器信號采集，或其他類型傳感器的電橋形式信號采集，而是直接接入電壓型信號，則干簧管繼電器S7、S8閉合，S1、S9開啟。
表1測量類型與模擬開關的狀態的對應關系(“1”--關閉狀態，“0”--開啟狀態，“X”--兩種狀態均可。)
圖7所示的是柔性化電橋配置模塊的實施例的電路圖，圖中RL4_1～RL4_9為干簧管繼電器，R3、R4為相同阻值的標準電阻，R2A、R2B、R2C、R2D為不同阻值的標準電阻，R5、R6為電阻，Q51為三極管，U51為高性能運算放大器，U52為基準電壓源。
3)兩級程控放大器分別與DSP模塊相連的第一級與第二級程控放大器使用數字式可編程增益儀表放大器PGAxxx組成兩級放大器，其增益在1～8000V/V范圍內多級變化，電橋的輸出信號接入第一級程控放大器(圖2～圖4)，放大后的信號經低通濾波后進入模數轉換器進行轉換。組成的兩級程控放大器原理框圖如圖5所示。
PGAxxx為數字式可編增益儀用放大器，具有低失調電壓、高輸入阻抗、高共模抑制比和低噪聲，是高性能的程控儀表放大器，應用于工作環境惡劣且精度要求很高的多位數據采集系統，特別適合于過程控制、儀表，數據處理及醫療儀器。其增益由A0、A1兩管腳的邏輯電平決定，在本發明中由DSP的數字輸入輸出(I/O)端口經驅動后控制。
圖8是兩級程控放大器的電路圖，圖中U21、U22為數字式可編程增益儀表放大器，U23、U24為相同的高性能運算放大器。即儀表放大器串聯后，其輸出經低通濾波電路輸出至模數轉換器。
4)模數轉換器放大及濾波電路輸出的信號經模數轉換器轉變為DSP所能接受的數字信號。本單元選用ADxxxx，它為帶SPI(Serial Peripheral Interface)串行接口的4通道24位高精度∑-Δ型模數轉換器，將其RDY引腳接入DSP的外部中斷1(XINT1)引腳，并由DSP的周期中斷控制轉換的啟動。其原理框圖如圖6所示，電路圖如圖9所示。圖中的U31為模數轉換器，采用ADxxxx芯片，U32為基準電壓源，Y2為晶體振蕩器。DSP選擇TMS320LF2407A芯片本發明為一種柔性化應變信號現場采集單元，具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現場總線接口，適于常用的多種阻值應變片的直流惠斯登單臂電橋、半橋、全橋形式的測量與信號采集，以及其他形式電壓信號的采集。由于該單元具備現場總線(CAN總線)接口，因而可方便地組成大規模分布式數據采集網絡。和測控卡+工控機”的方案相比，該單元還有體積小重量輕的優勢。
權利要求
1.一種柔性化應變信號現場采集系統，其特征在于，包括DSP模塊分別雙向連于CAN總線接口和模數轉換器，DSP模塊還分別控制并連于柔性化電橋配置模塊、第一級程控放大器及第二級程控放大器，接收應變信號或電壓信號的輸入信號的柔性化電橋配置模塊連于第一級程控放大器輸入端，第一級程控放大器的輸出端連于第二級程控放大器的輸入端，第二級程控放大器的輸出端與模數轉換器相連。
2.根據權利要求1所述的柔性化應變信號現場采集系統，其特征在于，柔性化電橋配置模塊的單臂電橋電路，電橋電源輸出構成兩個并聯回路一路由電源正極經兩個串聯的同阻值電阻后與電源負極相連形成一個回路；另一路由電源正極經應變片連于干簧管繼電器與四個不同阻值標準電阻各自串聯于簧管繼電器的四個串聯電路相并聯的并聯電路再與電源負極相連形成另一個回路；在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器，電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。
3.根據權利要求1所述的柔性化應變信號現場采集系統，其特征在于，柔性化電橋配置模塊的半橋電路，電橋電源輸出構成兩個并聯回路一路由電源正極經兩個串聯的同阻值電阻后與電源負極相連形成一個回路；另一路由電源正極經兩個串聯的應變片連于一個簧管繼電器后與電源負極相連形成另一個回路；在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器，電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。
4.根據權利要求1所述的柔性化應變信號現場采集系統，其特征在于，柔性化電橋配置模塊的全橋電路，電橋電源輸出構成兩個并聯回路一個回路中不再經過兩個串聯的同阻值電阻，而是經過兩個串聯的應變片；另一個回路中經過另兩個串聯的應變片后，與第一個回路匯合，經一個干簧管繼電器連于電橋負極；在兩個同阻值電阻的串接點上接一個干簧管繼電器，電橋輸出正端與電橋輸出負端各自經一個干簧管繼電器連于第一級程控放大器。
5.根據權利要求1所述的柔性化應變信號現場采集系統，其特征在于該系統的DSP模塊連接了用于現場網絡通信的CAN(Controller Area Network)總線。
全文摘要
一種柔性化應變信號現場采集系統，屬于測試測量技術及通信技術領域。本系統具有柔性化的惠斯登電橋配置功能和現場總線接口。主要組成為由若干標準電阻和干簧管繼電器組成的柔性化電橋配置模塊、兩級程控放大器、高精度模數轉換器、DSP、現場總線等模塊。被采集的應變信號或其他形式電壓信號接入柔性化電橋配置模塊，經電橋及放大后的信號進入模數轉換器轉換成數字信號，經DSP模塊處理后，通過現場總線接口發送給上位機。本發明技術先進，體積小巧，適用性好，用于多種阻值應變片的測量與信號采集，還可用于其他形式電壓信號的采集，并可利用現場總線接口組成數據采集網絡。
文檔編號G01B7/16GK1693838SQ200510040270
公開日2005年11月9日 申請日期2005年5月27日 優先權日2005年5月27日
發明者郭萬林, 馮謙 申請人:南京航空航天大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
