动态应变采集系统的设计及误差测试

陈 诚，李建青，马争争，戴亚文，陈子鹏

（1.武汉理工大学 理学院，武汉430070；2.中南财经政法大学 信息工程学院，武汉430073）

应变测量技术是现代工程项目研究和实施过程中一项必不可少的重要技术，具有很高的应用价值和研究意义[1]。 传统的应变测量系统设计主要包含应变信号采集与转换、信号放大、硬件滤波、A/D转换、数字滤波等5 大模块[2]。 此类传统的应变测量系统，通常在室温条件下该应变测量系统的系统测量性能稳定且误差较低[3]。 在实际工程应用中时，由于温度场变化复杂，系统电路中电阻的温漂特性就会对应变测量系统的精确度产生较大的影响[4]。 在应变测量电路设计中，电路中电阻温漂问题一直未能得到很好的解决。 对此，针对应变测量电路中的温漂问题，设计了一款基于程控式放大器AD8231，24位数模转换器AD1256，RAM 处理器的高精度应变测量系统方案， 通过电路优化实现了温漂补偿，从而提高测量精度的目的。

1 应变测量系统的信号输出及激励源设计

整个应变测量系统的设计如图1 所示。 当机械构件受力产生形变时[5]，应变片会产生阻值变化由应变采集转换模块完成应变信号到电信号的转换，然后经过放大电路进行放大处理，再由硬件滤波电路对放大输出信号进行硬件滤波处理，通过A/D 转换模块将模拟信号转换为数字量[6]，最终由STM32F103VCT6 控制器对采集数据进行数字滤波处理，并反馈给上位机完成信息交互[7]。

图1 应变测量系统设计框图Fig.1 Strain measurement system design block diagram

1.1 1/4 惠更斯桥路信号输出

测量试验中， 使用1/4 惠更斯桥路模拟应变测量过程中的信号输出采集端， 输出10-6V 量级的微应变信号。 在1/4 惠更斯桥路中使用型号为BX120-3AA 的高精度电阻式应变片， 应变栅尺寸为6.6 mm×3.6 mm，标准阻值为120 Ω[8]。 考虑到惠更斯桥路中电阻阻值的温漂问题， 在1/4 桥路部分添加了双调零补偿电路来减小因电阻温漂特性所带来的测量误差，并以此保证在应变采集转换过程中信号的稳定性，如图2 所示。

图2 1/4 惠更斯桥路的双调零补偿电路Fig.2 1/4 Huygens Bridge Road’s dual-zero compensation circuit

1.2 激励源的选择和测试

应变测量中要求激励源具有低噪声、 高稳定性、足够的负载调整率、足够的输出功率等特点[9]。在此，采用低噪声（最大噪声为3.5 μV）、低温漂（A级，最大10-6/℃；B 级，最大3×10-6/℃）的ADR431 作为激励源为整个系统提供激励电压； 由LT1761ES5_5，LT3461ES6 为ADR431 提 供 稳 定 供电电压，以此减小激励源纹波，保证供电电压稳定。对激励电源进行室温和变温条件下的电压测试试验。 数据处理结果如图3 所示。

图3 激励电源实测数据处理结果Fig.3 Excitation power supply measured data processing results

由图3（a）可见，在室温条件下的输出电压值较稳定，其最大电压为2.497988 V，最小电压为2.497960 V，输出电压波动幅值仅为0.000028 V；由图3（b）可见，当温度从室温升高至60 ℃时，激励源的输出电压值同样十分稳定，输出电压波动幅值仅为0.000131 V。 测试结果显示， 该激励电压源精度高、温漂低，能够满足精密应变测量的需求。

2 基于INA333 应变测量系统的设计及测试

2.1 系统的放大和滤波模块的设计

应变测量中应变信号一般是微应变级别的信号，使用一般的数据采集电路根本无法识别。 因此需要对桥路的输出信号进行放大处理。

放大处理电路中，选用德州仪器公司的仪表放大器INA333 搭建放大电路。 该芯片具有微功耗、零漂移、轨到轨的特性，其输入噪声仅为漂移电压仅为0.1 μV/℃，0.01%建立时间仅为15 μs， 并且可通过外接增益电阻来设置其放大倍数。 为了保证应变测量的精度，在桥路输出信号进入INA333 之前增加差分滤波电路，对初始放大信号进行滤波处理；经过INA333 放大后的信号再由TLC滤波器进行硬件滤波处理，为后续的数字信号处理提供保障。 放大滤波电路的硬件设计如图4 所示。

2.2 实测数据及其分析

在完成INA333 应变系统设计后，对NA333 应变测量系统进行（室温28 ℃）测试试验。 将INA333应变测量电路放置在DHG-9031A 恒温箱中以保持室温条件，设置应变输入为0，通过串口助手来记录室温条件下的采集数据。 其数据处理结果及实测曲线见表1。

图4 IN333 放大滤波电路的硬件设计Fig.4 Hardware design of the IN333 amplification filter circuit

表1 INA333 应变测量系统的实测数据Tab.1 Measured data of INA333 strain measurement system

由表可知， 在室温条件下此应变测量系统的3次试验测试结果具有很好的可重复性。 同时，室温条件下测量误差仅为0.102～0.135 mV， 对应的应变误差为0.5004～0.675 με； 表明基于INA333 的应变测量系统在室温条件下能够满足设计需求。

为模拟实际应用中复杂的温度环境，对此应变测量系统进行了变温条件下的应变测量试验，温度变化区间为28～60 ℃。 测试结果见表1。

由表可知，在变温条件下的系统误差为6.902 mV，对应的应变误差为34.51 με。也就是说，当温度变化较大时， 即使应变测量输入为0， 系统也存在着34.51 με 的“虚假”输出。

INA333 外接增益电阻的温度特性曲线如图5所示。 由图可见，增益电阻阻值的变温变化趋势与此应变测量系统的系统误差测试结果的变化趋势一致。 由于IN333 放大器具有低温漂高精度的特性，可认为系统温漂来自外接增益电阻温漂。

图5 1 kΩ 增益电阻的实测温度特性曲线Fig.5 Measured temperature characteristic curve of 1 kΩ gain resistor

3 基于AD8231 应变测量系统的设计及测试

3.1 系统的放大和滤波模块的设计

针对外接增益电阻温漂过大导致应变测量系统温漂过大的问题，在此从结构设优化计方面提出一套基于程控式AD8231 放大器的应变测量系统。

AD8231 放大器微功耗、零漂移、轨到轨仪表放大器（输入噪声仅为，漂移电压仅为0.05 μV/℃）。 同时，AD8231 不需要外接增益电阻来设置增益倍数， 可通过对CS，A0，A1，A2 引脚的适当配置来设置增益倍数，有效规避外接增益电阻带来的温漂过大的问题。此外，还可利用AD8231 内置的运算放大器搭建应变滤波电路，通过简化应变测量电路设计以降低系统的温漂。 AD8231 内部结构如图6 所示，放大滤波电路硬件设计如图7 所示。

图6 AD8231 放大器的内部结构Fig.6 Internal structure of the AD8231 amplifier

图7 改进后的放大滤波电路的原理Fig.7 Principle of improved amplifier filter circuit

3.2 实测数据及其分析

首先， 对AD8231 应变测量系统进行室温测试和变温测试试验， 试验步骤与INA333 应变测量系统的测试步骤持一致。

室温28 ℃条件下基于AD8231 应变测量系统的测试数据和实测曲线见表2。由表2 可知，在室温条件下的3 次测量结果具有很好的重复性，且系统测量误差仅为0.014～0.038 mV， 对应的应变误差为0.07～0.19 με。 与INA333 应变测量系统相比，在室温条件下AD8231 系统测量误差减小了71.85%～86.2%。

同时， 对AD8231 应变测量系统进行了变温条件下的应变测量试验，温度变化区间为28～60 ℃。测试结果见表2。

由表1 可知，INA333 应变测量系统在变温条件下的系统误差为6.902 mV， 对应的应变误差为34.51 με。 也就是当温度变化较大的时候，即使应变测量输入为0 时，系统也存在着34.51 με 的“虚假”输出。

表2 AD8231 应变测量系统的系统误差试验数据Tab.2 System error experimental data of AD8231 strain measurement system

由表2 可知，AD8231 应变测量系统在变温条件下的系统误差为0.233～0.310 mV， 对应的应变误差为1.165～1.52 με。 此结果表明AD8231 应变测量系统在变温区间的测试精度得到大幅度提升，与INA333 应变测量系统相比，其温漂改善了95.59%～96.62%。

4 结语

设计了INA333 应变测量系统， 并对该系统进行了试验测试和分析研究， 找到了主要温漂来源——外接增益电阻；针对温漂过大的问题提出了程控式AD8231 应变测量方案。 通过这2 系统的试验测试结果的对比， 表明AD8231 应变测量系统不仅能够很好地解决放大电路中外接增益电阻温漂产生的应变测量误差问题，同时优化了应变测量电路的设计。 试验结果表明，AD8231 应变测量系统的测量精度在变温条件下，可以达到1.52 με，与INA333 应变测量系统相比， 其温漂改善了95.59%～96.62%，对解决实际工程中精密应变测量的温漂问题具有重要的指导意义。