应变检测中小信号测量的硬件设计

杨超 中国飞机强度研究所

1 前言

应变片在实际测量中按照惠斯通电桥方式连接，如下图所示，就是本试验中应变片四分之一桥测试电路的简化示意图，通过测量输出电压u得到应变片实际的阻值变化近似公式：ΔR=4R×u/(E-2u)，将此式带入ε=ΔR/（K×R），可得到实际应变值，在这里 R：应变片的原电阻值Ω（应变片出厂阻值）；ΔR：伸长或压缩所引起的电阻变化；K：比例常数(应变片常数)；ε：应变。

图1 应变片使用方式

例如粘贴的应变片型号为DE120-3AA（3CA），量程20000με，输入桥压为1.8V。通过计算可以得知，对应应变测量结果的1个με变化，输出电压的变化为0.2mV。也就是说应变测量设备需要准确的测量到0.2mV的电压变化，才能获得με级别的应变分辨率。为了使应变测量设备能够准确的测量微小的电压信号，除了使用软件滤波之外，硬件电路的设计是决定测量结果是否准确真实的关键环节。

2 硬件设计

在我们自研的应变测量设备中，ADC采集模块的硬件设计结构如下图所示：

图2 硬件设计结构图

由以上的硬件设计结构图中可以得知，除去两路大信号测量直接使用了电压跟随器输出至ADC转换芯片外，最关键的是在进行应变片输出信号的采集过程中，使用了三级的信号调理。通过两级放大，将小信号进行按照测量量程进行相应的放大，在经过一级二阶滤波器的滤波，滤除低频干扰，最终将条例完成的信号输入ADC转换芯片，完成信号的前端调理。为了保证微小的电压信号在调理过程中不失真，每一级的元器件选择是至关重要的。

如下图所示，在应变测量桥路设计中，使用RFG1117-1.8作为输入桥压，LDO型的RFG1117-1.8成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。此外它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。其可达到以下指标：输出噪声30μV，PSRR为60dB，静态电流6μA，电压降只有100mV。从而保证了激励源的稳定。使用120Ω的精密电阻R12、10KΩ的R13、R14精密电阻与应变片构成完整的惠斯通电桥，R11是作为分路检验功能时的并联电阻。

图3 应变测量桥路设计

在硬件调理电路的第一级和第二级如下图所示，起到对信号的放大作用。第一级选用INA141仪表放大器，仪表放大器是一种精密差分电压放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器。INA141具有非常低的直流偏移、低漂移、低噪声、非常高的开环增益、非常大的共模抑制比、高输入阻抗，所以非常适合于对测量准确性和测量稳定性非常高的应变测量硬件电路。实际使用中默认使用100倍增益。第二级使用AD8251程控放大器，其具有宽电压输入，高共模抑制比和递增益漂移等优良的特性。并且可以通过程序控制其增益倍数，所以在使用中可以通过软件配置进行应变测量量程的修改。

图4 第一和第二级调理电路设计

硬件调理电路的第三级如下图所示，用于对放大后的信号进行硬件滤波。在实际硬件电路中使用AD8610组成二阶低通滤波器，AD8610具有低噪声、低失调电压、低输入偏置电流、快速建立时间、宽电压范围供电、单位增益稳定等特点。适合用于测量精度要求很高的场合。在原先的设计中，还使用ADG1204模拟多路复用器进行滤波参数的选择，可以通过软件来控制二阶低通滤波的截止频率。后来在大量的使用中，发现测量中带入测量信号的低频干扰信号比较单一，无需再进行截止频率的切换，故此部分在后期的设计中被取消。

3 结论

按照以上的设计方法，确保了激励源的品质，保证了小信号在放大过程中的真实准确性，并且使用滤波器剔除了混入测量信号的低频干扰。最终将处理过的测量信号输入AD7734，进行模数转换，AD7734是4通道、±10V输入范围、高吞吐速率、24位Σ-Δ型的ADC芯片，可以准确高效的完成模拟信号到数字信号的转换，其24位的转换位数也足以支撑对于1个με的测量分辨率。对于本文设计的应变测量设备进行标检的到标检结果如下表所示，线性度为0.01%，准确度为0.02%，证明了这样的硬件设计保证了测量的高精度。

表1 标定结果