CN105300269B - 一种无线精密应变测量装置和一种无线精密应变测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无线精密应变测量装置和一种无线精密应变测量方法，包括机箱、设于机箱上的控制面板、以及设于机箱内部的测量模块、WiFi模块；所述控制面板用于实现人机交互；所述测量模块包括数字控制模块和精密电源模块；所述精密电源模块包括恒温基准源、精密可调电压源、精密电压测量电路、应变电桥驱动电路和应变电桥测量电路；所述数字控制模块包括处理器、调试接口、串口、WiFi模块接口。实现一个高精度电压表同时校准***的输入、输出，可减少使用校准仪器的数量，提高校准速度。
Description
技术领域
本发明涉及应变测量装置领域，更具体的说，是涉及一种无线精密应变测量装置和一种无线精密应变测量方法。
背景技术
应变测量技术应用广泛，受静荷载作用的机械工程重大制造装备、高铁汽车、轮船、核电、土木建筑、水利工程、桥梁、道路涵隧工程以及冶金、石油、化工领域的重大、重要关键构件都需要用到应变测量装置。对这些重大、重要关键构件进行实验，验证时需要用到无线精密应变测量装置。同时远程操作的应变测量装置可用以设备的在线、远程监测。
应变测量装置的一个关键技术指标是测量精度。影响精度的因素有：测量装置基准源的稳定度、激励方式、地线上电流的压降与噪声。目前，应变测量装置的精度还可以进一步提高；并且可实现激励电压可调；传感器参数可设定；进行远程操作等功能。这些功能的实现将大大增加应变测量装置的价值。
从目前市场上看，还没有一种能实现高精度、参数可调、可无线远程操作的应变测量装置。
发明内容
有鉴于此，有必要针对上述的问题，提供一种无线精密应变测量装置和一种无线精密应变测量方法，实现高精度、参数可调、可无线远程操作。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种无线精密应变测量装置，包括机箱、设于机箱上的控制面板、以及设于机箱内部的测量模块、WiFi模块；
所述控制面板用于实现人机交互；
所述测量模块包括数字控制模块和精密电源模块；所述精密电源模块包括恒温基准源、精密可调电压源、精密电压测量电路、应变电桥驱动电路和应变电桥测量电路；所述数字控制模块包括处理器、调试接口、串口、WiFi模块接口。
所述恒温基准源分别连接精密可调电压源和精密电压测量电路，所述精密可调电压源连接应变电桥驱动电路，所述应变电桥驱动电路连接应变电桥测量电路；所述WiFi模块接口连接WiFi模块
作为优选的，所述数字控制模块与精密电源模块的电源相互隔离，且地线相互隔离，恒温基准源周围不放置其他元件；恒温基准源与外部连线集中在两条路径上；未布线区域镂空处理。
作为优选的，所述应变电桥测量电路至少包括一虚零产生电路，用于消除地噪声与地电流压降产生的误差；
作为优选的，所述应变电桥驱动电路包括电压反转电路，所述电压反转电路输入端接精密电源模块的输出端；电压反转电路输出端作为应变桥激励电压负极，从而产生了正负对称的激励电源；所述电压反转电路包括运放反向器与PNP三极管，所述运放反向器与PNP三极管组成反向扩流电路，所述PNP三极管基极与运放反向器输出端接有反偏二极管，PNP三极管基极与运放反向器输出端间用电阻相连，PNP三极管与电源负极之间用电阻相连。
作为优选的，所述虚零电路包括一对互为对管的三极管组成的推挽结构，所述推挽结构与一精密运放组成一跟随器，所述推挽结构的输入端通过电阻连接正负电源，所述跟随器的输入端接基准源的零参考点，跟随器的输出端作为虚零输出，虚零输出和精密电源模块的地线之间用(10-100欧姆)的电阻连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用虚零电路产生***的零电位参考点，并且可以使用多个虚零电路，产生多个零电位参考点，能消除电源地的噪声带来的影响，也能消除回地电流产生压降的影响，还能消除大部分寄生热电偶产生电压对精密电源的影响。
2、恒温基准源附近不放置其他元件，线路采用折线引出，在恒温基准源区域，非布线区域镂空处理，增加热阻，提高了恒温基准源的稳定性。
3、采用电压反转电路产生负激励电压，应变桥路采用正负对称电源激励可以实现桥路的输出电压在零点附近，有利于桥路输出放大电路的设计，当精密电压测量ADC输入范围不大时，使用本方案仍然可以加大电压激励。传感器输入的激励电压越大，传感器的灵敏度越高。
4、本测量装置的传感器参数可以调，激励电压可调，可以配合不同参数的传感器；本装置带有精密可调电压输出功能，精密电压测量功能。
5、本装置实现一个高精度电压表同时校准***的输入、输出，可减少使用校准仪器的数量，提高校准速度。
6、本装置通过WiFi无线接口连接互联网，远程PC可以通过互联网上的服务器远程控制本测量装置，实现了远程监测。
附图说明
图1示出了本发明的无线精密应变测试装置面板；
图2示出了本发明的精密测量模块的结构框图；
图3示出了应变电桥测量电路的虚零产生电路；
图4示出了电压极性反转电路；
图5示出了无线精密应变测量装置校准连接方式；
图6示出了精密应变测量触摸屏界面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明所述的一种无线精密应变测量装置和一种无线精密应变测量方法作进一步说明。
以下是本发明所述的一种无线精密应变测量装置和一种无线精密应变测量方法的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
一种无线精密应变测量装置，包括机箱、设于机箱上的控制面板、以及设于机箱内部的测量模块、WiFi模块；所述机箱由手提箱组成，控制面板平放在手提箱内，测量模块平放在面板下，手提箱内；面板上人机交互界面如图1所述，图6示出了精密应变测量触摸屏界面。所述恒温基准源分别连接精密可调电压源和精密电压测量电路，所述精密可调电压源连接应变电桥驱动电路，所述应变电桥驱动电路连接应变电桥测量电路；所述WiFi模块接口连接WiFi模块
所述测量模块包括数字控制模块和精密电源模块，数字控制模块和精密电源模块通过隔离器隔离；所述精密电源模块包括恒温基准源、精密可调电压源、精密电压测量电路、应变电桥驱动电路和应变电桥测量电路；所述数字控制模块包括处理器、调试接口、串口、WiFi模块接口。
在本实施例中，所述精密可调电压源采用的是一片20位DAC，AD5791。该芯片采用正负基准电压。芯片的输出端使用精密的加法电路，实现了零伏到正基准电压输出。该电路精密电压的参考零点接入虚零参考点，而不接电源地线。该芯片和处理器之间用磁耦传递信号，来实现电隔离。
作为优选的，所述应变电桥测量电路至少包括一虚零产生电路，用于消除地噪声与地电流压降产生的误差；
作为优选的，所述数字控制模块与精密电源模块的电源相互隔离，且地线相互隔离。
在本实施例中，恒温基准源由LTZ1000恒温基准电源芯片与***基准电压产生电路组成。恒温基准源放置在镂空的线路板上，这样增大了热阻。基准源与外电路的布线成折线结构，参见图2。***的基准零电压点采用虚零电路产生，不采用***电源地为基准电压零点。恒温基准源电压零点独立布线到虚零电路的输入端。
所述虚零电路参见图3，“Z-S_GND”为恒温基准源参考零点。“REF_GND”为***的虚零参考点，和精密电压有关的参考点都用虚零参考点。根据需要可以使用多个虚零电路。由于该电路的自动调节能力，当有大电流回流、温漂、电源不稳时都能提供准确的零电位点，保证了***的精度。
作为优选的，所述应变电桥驱动电路包括电压反转电路，所述电压反转电路输入端接精密电源模块的输出端；电压反转电路输出端作为应变桥激励电压负极，从而产生了正负对称的激励电源；所述电压反转电路包括运放反向器与PNP三极管，所述运放反向器与PNP三极管组成反向扩流电路，所述PNP三极管基极与运放反向器输出端接有反偏二极管，PNP三极管基极与运放反向器输出端间用电阻相连，PNP三极管与电源负极之间用电阻相连。
该电压反转电路参见图4,该电路可提供正负对称的电压源激励给四臂应变电桥。电桥的电压输出始终在零电压附近，有利于测量放大电路和采样电路的设计。例如，当输出电压为10V时，电桥激励可达到20V。此时电桥输出仍然在零伏附近，ADC的采样范围在1V内即可。如果不用对称激励，10V激励电压时，电桥输出将在5V附近，ADC的采样范围要大于5V。同样位数的ADC，扩大量程将减小精度。所以采用本发明对称激励技术，使得激励电压提高一倍，并且减少了输出范围，提高了精度。
作为优选的，所述虚零电路包括一对互为对管的三极管组成的推挽结构，所述推挽结构与一精密运放组成一跟随器，所述推挽结构的输入端通过电阻连接正负电源，所述跟随器的输入端接基准源的零参考点，跟随器的输出端作为虚零输出，虚零输出和精密电源模块的地线之间用(10-100欧姆)的电阻连接。
一种无线精密应变测量方法，采用上述的无线精密应变测量装置，所述测量方法包括以下步骤：
S1、***校准；
S2、远程操作；
S3、精密电压输出与测量；
S4、精密应变测试。
作为优选的，如图5所示，所述步骤S1具体包括：用继电器连接***的精密可调电压源的输出端口和精密电压测量电路的端口，并连接外部精密电压表；精密可调电压源输出未修正的输出电压(Vo)，精密电压测量电路测量得到电压值(Vi)，精密电压表测量得到电压值(Vm)；(Vo，Vi，Vm)为一组校准值，设定不同的输出电压(Vo)可得到多组校准值，形成一个集合{Von,Vin,Vmn}；该集合为***的校准数据，当输出精密电源时，通过集合中{Von,Vmn}子集进行分段线性校正，当精密电压测量时，通过集合中{Vin,Vmn}子集进行分段线性校正。
作为优选的，所述步骤S2具体包括：装置上带有一WiFi模块，该模块接入互联网上的服务器，本地计算机登入同一个服务器，通过该服务器，本地计算机可设定传感器参数，并发送到应变测量装置，应变测量装置根据远程设定的参数和本地测量到的电压值，计算得到应变值，并发往本地计算机。
作为优选的，所述步骤S3具体包括：设定输出电压和***校准数据得到修正后的设定值，并把设定值写入数模转换器；电压测量时，根据读取模数转换器的数据与***校准数据得到修正后的测量值；测量过程包含平均、滤波等数字信号处理手段。
作为优选的，所述步骤S4具体包括：根据传感器的灵敏度系数(K)、应变桥路个数(N)、激励电压(E)、传感器输出电压(e)，根据等式求得传感器的应变ε，在***中，参数K、N、E可设定，e由精密电压测量模块测量得到。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、采用虚零电路产生***的零电位参考点，并且可以使用多个虚零电路，产生多个零电位参考点，能消除电源地的噪声带来的影响，也能消除回地电流产生压降的影响，还能消除大部分寄生热电偶产生电压对精密电源的影响。
2、恒温基准源附近不放置其他元件，线路采用折线引出，在恒温基准源区域，非布线区域镂空处理，增加热阻，提高了恒温基准源的稳定性。
3、采用电压反转电路产生负激励电压，应变桥路采用正负对称电源激励可以实现桥路的输出电压在零点附近，有利于桥路输出放大电路的设计，当精密电压测量ADC输入范围不大时，使用本方案仍然可以加大电压激励。传感器输入的激励电压越大，传感器的灵敏度越高。
4、本测量装置的传感器参数可以调，激励电压可调，可以配合不同参数的传感器；本装置带有精密可调电压输出功能，精密电压测量功能。
5、本装置实现一个高精度电压表同时校准***的输入、输出，可减少使用校准仪器的数量，提高校准速度。
6、本装置通过WiFi无线接口连接互联网，远程PC可以通过互联网上的服务器远程控制本测量装置，实现了远程监测。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种无线精密应变测量方法，其特征在于，采用一种无线精密应变测量装置，所述测量方法包括以下步骤：
S1、***校准；
S2、远程操作；
S3、精密电压输出与测量；
S4、精密应变测试；
所述步骤S1具体包括：用继电器连接***的精密可调电压源的输出端口和精密电压测量电路的端口，并连接外部精密电压表；精密可调电压源输出未修正的输出电压Vo，精密电压测量电路测量得到电压值Vi，精密电压表测量得到电压值Vm；Vo、Vi、Vm为一组校准值，设定不同的输出电压Vo， 可得到多组校准值，形成一个集合{Von,Vin,Vmn}；该集合为***的校准数据，当输出精密电源时，通过集合中{Von,Vmn}子集进行分段线性校正，当精密电压测量时，通过集合中{Vin,Vmn}子集进行分段线性校正；
所述步骤S4具体包括：根据传感器的灵敏度系数K、应变桥路个数N、激励电压E、传感器输出电压e，根据等式求得传感器的应变ε，在***中，参数K、N、E可设定，e由精密电压测量模块测量得到；
所述的无线精密应变测量装置包括机箱、设于机箱上的控制面板、以及设于机箱内部的测量模块、WiFi模块；
所述控制面板用于实现人机交互；
所述测量模块包括数字控制模块和精密电源模块；所述精密电源模块包括恒温基准源、精密可调电压源、精密电压测量电路、应变电桥驱动电路和应变电桥测量电路；所述数字控制模块包括处理器、调试接口、串口、WiFi模块接口；
所述恒温基准源分别连接精密可调电压源和精密电压测量电路，所述精密可调电压源连接应变电桥驱动电路，所述应变电桥驱动电路连接应变电桥测量电路；所述WiFi模块接口连接WiFi模块；
所述数字控制模块与精密电源模块的电源相互隔离，且地线相互隔离，恒温基准源周围不放置其他元件；恒温基准源与外部连线集中在两条路径上；未布线区域镂空处理；
所述应变电桥测量电路至少包括一虚零产生电路，用于消除地噪声与地电流压降产生的误差。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：装置上带有一WiFi模块，该模块接入互联网上的服务器，本地计算机登入同一个服务器，通过该服务器，本地计算机可设定传感器参数，并发送到应变测量装置，应变测量装置根据远程设定的参数和本地测量到的电压值，计算得到应变值，并发往本地计算机。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：设定输出电压和***校准数据得到修正后的设定值，并把设定值写入数模转换器；电压测量时，根据读取模数转换器的数据与***校准数据得到修正后的测量值；测量过程包含平均、滤波数字信号处理手段。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变电桥驱动电路包括电压反转电路，所述电压反转电路输入端接精密电源模块的输出端；电压反转电路输出端作为应变桥激励电压负极，从而产生了正负对称的激励电源；所述电压反转电路包括运放反向器与PNP三极管，所述运放反向器与PNP三极管组成反向扩流电路，所述PNP三极管基极与运放反向器输出端接有反偏二极管，PNP三极管基极与运放反向器输出端间用电阻相连，PNP三极管与电源负极之间用电阻相连。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述虚零产生 电路包括一对互为对管的三极管组成的推挽结构，所述推挽结构与一精密运放组成一跟随器，所述推挽结构的输入端通过电阻连接正负电源，所述跟随器的输入端接基准源的零参考点，跟随器的输出端作为虚零输出，虚零输出和精密电源模块的地线之间用10-100欧姆的电阻连接。
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