便携式差阻式读数仪的设计与实现

江苏省徐州市撷秀中学（高中） 杨雯睿

1 前言

在岩土监测系统中，用来进行长期监测建筑物内部性态的仪器主要有两类，差阻式仪器和钢弦式仪器。国内在水工混凝土建筑物内部埋设监测仪器，首选的是差阻式仪器，特别是钢筋混凝土的应力、应变、裂缝及温度的监测。监测系统在施工期需要对所安装的仪器进行现场测量，在自动系统运行后需要对自动化系统的测值进行比对。本文设计的差阻式读数仪能够实现电阻比、电阻和的测量，读数准确，性能稳定可靠，测量电路简单，功耗极低，电池供电，方便携带，应用前景广泛。

2 差阻式仪器的测量原理

差阻式仪器内部采用两根特殊固定方式的钢丝，受到外界的拉压变形时，一根钢丝受拉，电阻增加；另一根钢丝受压，电阻减少。测量两根钢丝电阻的比值，可以求出仪器的变形量。由于温度引起的两根钢丝的电阻变化是同方向的，测定两根钢丝的串联电阻，可以求得外界温度对仪器的影响。差阻式仪器的测量原理如图1所示，其中R1、R2为钢丝电阻，R1+R2<=125Ω，0.8<=R1/R2<=1.2，目前广泛采用五芯电缆引长的差阻式仪器，r1～r5为水工电缆的芯线电阻，Rs为标准电阻，Is为直流恒流源，由于测量U1、U2、U3的电路的输入阻抗极高，所以r2、r3、r4上没有电流，可以得出：

由于Rs已知，通过式(1)(2)，就可以求出电阻比Z和电阻值R，消除了长电缆对测量结果的影响。

图1 五芯仪器测量原理

五芯仪器测量的技术指标如表1所示：

表1 五芯仪器测量的技术指标

3 读数仪硬件设计

本读数仪的电路非常简单，没有使用单片机，图2是读数仪的硬件结构图，主要包括电源电路、恒流源、刀盘转换开关、仪表放大器、MAX7129ADC、4位半LCD等。

图2 读数仪的硬件结构图

图3 Max7129电压测量电路原理图

3.1 MAX7129

MAX7129是美国Maxim公司生产的4位半液晶显示单片A/D转换器，具有高精度、高分辨力、微功耗、外围电路简单等特点。它可以直接驱动4位半LCD显示器，最大显示值±19999。ICL7129有200mV和2V两个量程，属于双斜积分式A/D转换器，对50Hz干扰有较强的抑制能力，加上其自调零的性能，使其最高分辨力达10μV，精度高达±0.005%，可以满足差阻式仪器的测量要求（见图4）。

电路工作电源为VCC+=4.5V，VCC-=-4.5V，由电源电路产生，详见3.4节。

电路为了抑制50Hz的串模干扰，采用100kHz的石英晶体振荡器。

量程选择管脚Pin37悬空，所选量程为200mV，此时测量分辨力达10μV，精度高达±0.005%，可以满足差阻式仪器的测量要求。在200mV量程下，MAX7129的电压测量结果如式(3)所示：

3.2 电阻比测量电路

结合公式(1)、(3)和图1，可以得出电阻比测量电路示意图如图4所示。

图4 电阻比测量电路示意图

其中，用1.2mA的恒流源来激励差阻式仪器，可以忽略电流激励带来的仪器钢丝电阻温度变化的影响。

AD620为高精度仪表放大器，它的放大倍数由1、8脚间的电阻Rg决定的，通过调整200欧的电位器，可以使AD620的放大倍数为10.0000，这样通过MAX7129在4位半LCD上的读数就是五芯仪器的电阻比。

AD620的输入阻抗和MAX7129IN+端和IN-端间的输入阻抗都很高，可以消除长电缆对测量结果的影响。

3.3 电阻值测量电路

结合公式(2)、(3)和图1，可以得出电阻值测量电路示意图如图5所示。其中，Rs采用1KΩ精度为±0.01%的精密电阻，这样通过MAX7129在4位半LCD上的读数就是五芯仪器的电阻值R1+R2，测量精度可以满足差阻式仪器电阻值的测量要求。

3.4 刀盘转换开关

读数仪有且仅有两个工作状态，一个是测量电阻比的状态，一个是测量电阻值的状态。刀盘转换开关的作用类似于常用数字万用表上的档位转换开关，通过档位的转换，切换电路PCB上导线的连接方式，使得测量电路在测量电阻比的状态和测量电阻值的状态间转换，具体电路不再赘述。

图5 电阻值测量电路示意图

3.5 电源电路

读数仪采用9V叠层电池供电，电源电路如图6所示。

图6 电源电路原理图

电源开关是自锁型双刀双掷开关，按下后，通过T2给其它模块提供VCC+=4.5V、VCC-=-4.5V的工作电源，U1A是电压比较器，通过调整E2和R2的数值，可以设置定时关机时间，防止电源开关忘关导致电池的耗尽。

3.6 恒流源电路

读数仪采用1.2mA的恒流源去激励差阻式仪器，可以忽略电流激励带来的五芯仪器钢丝电阻温度变化的影响，恒流源电路如图7所示，其中，Z1是1.2V精密电压基准源，R11为精密电阻，电流源输出电流Is的值见式(5)：

图7 恒源流电路原理图

4 试验结果

为了测试该读数仪的精确度，采用电力工业部岩土工程仪器质量检验测试中心的SQL型电桥率定器对读数仪进行测试，如表2所示，测试环境温度为20±2℃。对比表1和表2可见，读数仪的分辨力和精度均满足差阻式仪器的测量要求。

表2 读数仪比测数据

5 结语

本文设计的差阻式读数仪能够实现电阻比、电阻值的测量，读数准确，性能稳定可靠，硬件电路简单，无需编写软件，性价比高，功耗极低，电池供电，一枚 6F22 电池(叠层 9V)可工作半年，方便携带，在岩土监测系统有较好的应用前景。

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