CN106813813A - 一种可自动应变调零的应变调理装置 - Google Patents

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孙海波
吴瑞斌
王晓斌
赵萌
陈南
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Tianjin Aerospace Ruilai Technology Co Ltd
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Tianjin Aerospace Ruilai Technology Co Ltd
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Abstract

本发明属于应变信号调理设计技术领域，具体涉及一种可自动应变调零的应变调理装置，包括信号变换单元、滤波与驱动单元、应变调零单元、***及桥压电源单元四部分，应变传感器将信号传入信号变换单元，信号变换单元将***及桥压电源单元的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；放大后的信号传至滤波与驱动单元，实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；应变调零单元用于在固定的时刻从滤波与驱动单元采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元；***及桥压电源单元为***及应变桥路供电；自动应变调零功能，无需外部控制，简单可靠；电路完全独立，一路出现故障不会影响其它路信号。

Description

一种可自动应变调零的应变调理装置
技术领域
本发明属于应变信号调理设计技术领域，具体涉及一种可自动应变调零的应变调理装置。
背景技术
在某些火箭、飞行器试验中，需要测量某些关键结构部位的载荷，如压力、拉力、扭矩、弯矩等，一般采用粘贴应变片组成电桥的方式，通过测量桥路应变，并结合地面标定试验的数据来计算实际中的载荷。
应变桥路输出的电压很小，为毫伏量级，需要对桥路电压放大几百倍甚至几千倍，由此带来输出零位、温漂、噪声等一系列问题。在安装应变片时，不可避免会存在安装误差，如果安装误差较大，经电路放大后，输出信号有可能超出电路的输出范围；并且，电路工作后需要一定时间才进入热平衡，热平衡之后模拟电路工作才会相对稳定，所以需要对应变调理电路进行调零，以保证在没有载荷时，电路的输出为零位。
同时，应变信号电缆长度较长，应变调理电路的增益较大，会引入外界噪声，应变信号的有用信号频率一般较低，几十赫兹至上百赫兹，而噪声一般为高频干扰，所有设计低通滤波器可以降低噪声水平。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种可对应变桥路进行放大、滤波与驱动，并能自动应变调零的应变调理装置。
本发明的技术方案是这样解决的
一种可自动应变调零的应变调理装置，包括信号变换单元、滤波与驱动单元、应变调零单元、***及桥压电源单元四部分，应变传感器共有6路进行信号传输，应变传感器将信号传入信号变换单元，信号变换单元将***及桥压电源单元的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；
放大后的信号传至滤波与驱动单元，滤波与驱动单元实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；
应变调零单元用于在固定的时刻从滤波与驱动单元采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元；
***及桥压电源单元实现为应变传感器、信号变换单元、滤波与驱动单元、应变调零单元及应变桥路供电。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述信号变换单元采用两级放大电路，第一级采用仪表放大器，将电桥信号转化为电压信号，放大倍数通过电阻RG调节；第二级采用反向放大电路，固定放大10倍。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述信号变换单元的电路结构为：信号输入接口JS1-CON2包括两个管脚，其中，管脚2依次连接电阻R1、仪表放大器AD627的反向输入端2，管脚1依次连接电阻R2、仪表放大器AD627的同向输入端3；仪表放大器AD627共有8个管脚；
电阻R3一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3；
电容Cb2一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2与电阻R3之间，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3与电阻R3之间；
电容Cb1一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627反向输入端2之间；
电容Cb3一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627同向输入端3之间；
电阻RG一端连接仪表放大器AD627的管脚1，另一端连接仪表放大器AD627的管脚8，控制仪表放大器AD627的放大倍数；
仪表放大器AD627的管脚4接地，仪表放大器AD627的管脚7连接V5.5的来自***及桥压电源单元的供电单元，电容PC11一端接地，一端连接在V5.5供电单元与仪表放大器AD627的管脚7之间；
仪表放大器AD627的管脚5连接基准信号输入DA1，用来进行调零；
仪表放大器AD627输出端6依次连接电阻R4和运算放大器U12A的反向输入端2，基准电压REF2.5V依次连接电阻R6和运算放大器U12A的同向输入端3；
电阻R5一端连接在电阻R4和运算放大器U12A反向输入端2之间，另一端连接在运算放大器U12A输出端1；
电容cw1与电阻R5串联；运算放大器U12A的管脚4接地，运算放大器U12A的管脚8与V5.5的供电单元连接，电容PC12一端接地，另一端连接在运算放大器U12A的管脚8和V5.5的供电单元之间。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述滤波与驱动单元采用8阶开关电容巴特沃兹低通滤波器MAX291，低通截止频率由***设定设置。
一种可自动应变调零的应变调理装置，滤波与驱动单元中的驱动器clk7400q连接8阶低通滤波器MAX291的时钟管脚CLK管脚，V1先连接电阻R7再连至8阶低通滤波器MAX291的输入管脚IN管脚，V5.5的供电单元先连接电阻RL3再连至8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚，电阻RL2一端接地，另一端连接在电阻RL3和8阶低通滤波器MAX291的GND管脚之间，电容LC1一端接地，另一端连接在电阻RL2和8阶低通滤波器MAX291的GND管脚之间；
电容cw2一端连接8阶低通滤波器MAX291的V+管脚，另一端接地；
8阶低通滤波器MAX291的输出管脚OPOUT管脚与8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚相连，信号从8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚传送至8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚；
8阶低通滤波器MAX291的V-管脚接地；8阶低通滤波器MAX291的OUT管脚连接至运算放大器U12B的同向输入端5；串联的电阻R9和电阻R10一端接地，另一端接在运算放大器U12B的同向输入端5与8阶低通滤波器MAX291的OUT之间；
运算放大器U12B的输出端7连接电阻R11；运算放大器U12B的反向输入端6连接至运算放大器U12B的输出端7与电阻R11之间，在运算放大器U12B的反向输入端6和运算放大器U12B的输出端7之间设置有电阻R8；
电容cw2一端连接在运算放大器U12B的反向输入端6与电阻R8之间，另一端连接在运算放大器U12B的输出端7与电阻R8之间；
运算放大器U13A的同向输入端3连接在电阻R9和电阻R10之间，运算放大器U13A的反向输入端2与运算放大器U13A的输出端1相连，电阻R12连接在运算放大器U13A的反向输入段2和运算放大器U13A的输出端1之间；运算放大器U13A的管脚4接地，运算放大器U13A的管脚8连接V5.5供电单元，电容C1一端接地，另一端连接在运算放大器U13A的管脚8与V5.5供电单元之间。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述***及桥压电源采用初级电源和次级电源两级电源，首先是电压为15V的供电供给初级电源，两个次级电源再接收电压为8V的来自初级电源的供电，一个次级电源为***供电，电压为5.5V，另一个次级电源为电桥供电，电压为5V；两级电源均采用线性稳压电路。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述应变调零单元在上电后30分钟和120分钟，CPU内部AD采集输出的电压，并采用调零算法，使用DA调整至仪表放大器的基准管脚，最终将输出电压调整至零位，完成自动应变平衡。
一种可自动应变调零的应变调理装置，所述应变调零单元具有6路应变调理通道，各通道之间相互独立。
本发明的有益效果在于：
(1)自动应变调零，无需外部控制，简单可靠；
(2)应变调理通道的桥路供电、信号放大、滤波、驱动、调零等电路完全独立，一路出现故障不会影响其它路信号；
(3)输入信号为全桥输入，外接电阻可以实现1/2桥或1/4桥输入，输出信号为0V-5V标准输出；
(4)可以滤除高频干扰，降低噪声水平；
(5)抗冲击，抗震动，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的***组成。
图2为信号变换单元电路。
图3为滤波与驱动单元电路。
图4应变调零单元组成。
图中：1、应变传感器；2、信号变换单元；3、***及桥压电源；4、滤波与驱动单元；5、应变调零单元；6、AD采集；7、CPU；8、DA输出；9、仪表放大器AD627的5脚
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1，本发明的自动应变调零的应变调理装置由信号变换单元2、滤波与驱动单元4、应变调零单元5、***及桥压电源单元3四部分构成。
应变传感器1共有6路进行信号传输，应变传感器1将信号传入信号变换单元2，信号变换单元2可将***及桥压电源单元3的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；再将放大后的信号传至滤波与驱动单元4，滤波与驱动单元4实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；应变调零单元5用于在固定的时刻从滤波与驱动单元4采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元2；***及桥压电源3实现为应变传感器1、信号变换单元2、滤波与驱动单元4、应变调零单元5及应变桥路供电。
信号变换单元2的电路图如图2所示，仪表放大器AD627共8个管脚，信号输入接口JS1-CON2包括两个管脚,JS1-CON2的管脚2先连接电阻R1再连至仪表放大器AD627的反向输入端2，JS1-CON2的管脚1先连接电阻R2再连至仪表放大器AD627的同向输入端3；电阻R3一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3；电容Cb2一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2与电阻R3之间，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3与电阻R3之间；电容Cb1一端接地，一端连接电阻R3与仪表放大器AD627反向输入端2之间，电容Cb3一端接地，一端连接电阻R3与仪表放大器AD627同向输入端3之间；电阻RG一端连接仪表放大器AD627的管脚1，另一端连接仪表放大器AD627的管脚8，进行控制仪表放大器AD627的放大倍数；仪表放大器AD627的管脚4接地，仪表放大器AD627的管脚7连接V5.5的供电单元，电容PC11一端接地，一端连接在V5.5来自***及桥压电源3的供电单元与仪表放大器AD627的管脚7之间；仪表放大器AD627的管脚5连接基准信号输入DA1，用来进行调零；
仪表放大器AD627输出端6先连接电阻R4再连至运算放大器U12A的反向输入端2，REF2.5V先连接电阻R6再连至运算放大器U12A的同向输入端3；电阻R5一端连接在电阻R4和运算放大器U12A反向输入端2之间，另一端连接在运算放大器U12A输出端1；电容cw1与电阻R5串联；运算放大器U12A的管脚4接地，运算放大器U12A的管脚8与V5.5的供电单元连接，电容PC12一端接地，另一端连接在运算放大器U12A的管脚8和V5.5的供电单元之间。
信号变换电路由两级放大电路组成：第一级由仪表放大器AD627实现，放大倍数由外接电阻RG设定；第二级由运算放大器OP284实现反向放大电路，固定增益为10倍。其中R1、R2、Cb1、Cb2、Cb3组成滤波电路，起滤除RF干扰的作用；电阻R3阻值为20M欧姆，防止输入浮动，当信号输入电缆断路时，为仪表放大器AD627提供有效的输入状态，使得AD627输出为零位。AD627的5脚为基准输入引脚，可调整该引脚的电压实现应变调零。
滤波与驱动单元3的电路图如图3所示，驱动器clk7400q连接8阶低通滤波器MAX291的时钟管脚CLK管脚，V1先连接电阻R7再连至8阶低通滤波器MAX291的输入管脚IN管脚，V5.5的供电单元先连接电阻RL3再连至8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚，电阻RL2一端接地，另一端连接在电阻RL3和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间，电容LC1一端接地，另一端连接在电阻RL2和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间；
电容cw2一端连接8阶低通滤波器MAX291的V+管脚，另一端接地；8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚与8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚相连，信号从8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚传送至8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚；8阶低通滤波器MAX291的V-管脚接地；8阶低通滤波器MAX291的OUT管脚连接至运算放大器U12B的同向输入端5；串联的电阻R9和电阻R10一端接地，另一端接在运算放大器U12B的同向输入端5与8阶低通滤波器MAX291的OUT之间；运算放大器U12B的输出端7连接电阻R11；运算放大器U12B的反向输入端6连接至运算放大器U12B的输出端7与电阻R11之间，在运算放大器U12B的反向输入端6和运算放大器U12B的输出端7之间设置有电阻R8；电容cw2一端连接在运算放大器U12B的反向输入端6与电阻R8之间，另一端连接在运算放大器U12B的输出端7与电阻R8之间；
运算放大器U13A的同向输入端3连接在电阻R9和电阻R10之间，运算放大器U13A的反向输入端2与运算放大器U13A的输出端1相连，电阻R12连接在运算放大器U13A的反向输入段2和运算放大器U13A的输出端1之间；运算放大器U13A的管脚4接地，运算放大器U13A的管脚8连接V5.5供电单元，电容C1一端接地，另一端连接在运算放大器U13A的管脚8与V5.5供电单元之间。
滤波与驱动单元4中滤波电路由8阶开关电容巴特沃兹低通滤波器MAX291实现，低通截止频率可由CPU管脚输出地固定频率的时钟设置。末级驱动电路由运算放大器OP284实现电压跟随，其中OUT1信号为输出信号，AD_IN1信号送至CPU进行AD采集，由于CPU的AD采集范围为0V-3.3V，采用R9和R10分压后在经过OP284电压跟随送至CPU的AD输入接口。
如图4，应变调零单元5由AD采集、CPU和DA输出3部分组成，其中AD采集使用CPU内部集成的六路AD转换器，DA采用12位8通道DA转换器AD5328其中的六路来实现，最终输出至仪表放大器AD627的5脚。应变调零的目标是调整DA输出值，使得AD采集的电压为零位2.5V。采用2分法进行应变调零：首先DA输出中值M/2(对于12位DA，M＝4096)，如果AD采集值大于零位电压，则调整DA输出为M/2和M的中值即(3×M)/4；如果AD采集值小于零位电压，则调整DA输出为M/2和0的中值即M/4；以这种方式调整11次，即可将零位调整至2.5V附近。
***及桥压电源3采用两级电源，首先是电压为15V供电供给初级电源，两个次级电源再接收电压为8V的来自初级电源的供电，一个次级电源为***供电，电压为5.5V，另一个次级电源为电桥供电，电压为5V；两级电源均采用线性稳压电路，以降低电源噪声，提高信号质量。
本发明的自动应变调零的应变调理装置可实现6个通道应变信号的变换、放大、滤波、调零等功能，可将应变信号变换为标准的0-5V电压信号。该应变调理装置具有可自动应变调零、线性度好、低噪声、低零漂、低温漂、可靠性高、体积小等特点，可应用于航空、航天等高可靠性要求的压力、拉力、扭矩、弯矩等载荷测量领域，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。

Claims (8)

1.一种可自动应变调零的应变调理装置，包括信号变换单元(2)、滤波与驱动单元(4)、应变调零单元(5)、***及桥压电源单元(3)四部分，其特征在于：
应变传感器(1)共有6路进行信号传输，应变传感器(1)将信号传入信号变换单元(2)，信号变换单元(2)将***及桥压电源单元(3)的应变桥路信号转化为电压信号，并实现信号放大；
放大后的信号传至滤波与驱动单元(4)，滤波与驱动单元(4)实现8阶巴特沃兹低通滤波，并使用电压跟随器驱动输出信号，使信号输出；
应变调零单元(5)用于在固定的时刻从滤波与驱动单元(4)采集信号，将电路的输出电压调整至零位，并且控制信号变换单元(2)；
***及桥压电源单元(3)实现为应变传感器(1)、信号变换单元(2)、滤波与驱动单元(4)、应变调零单元(5)及应变桥路供电。
2.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述信号变换单元(2)采用两级放大电路，第一级采用仪表放大器，将电桥信号转化为电压信号，放大倍数通过电阻RG调节；第二级采用反向放大电路，固定放大10倍。
3.如权利要求1、2所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述信号变换单元(2)的电路结构为：信号输入接口JS1-CON2包括两个管脚，其中，管脚2依次连接电阻R1、仪表放大器AD627的反向输入端2，管脚1依次连接电阻R2、仪表放大器AD627的同向输入端3；仪表放大器AD627共有8个管脚；
电阻R3一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3；
电容Cb2一端连接到仪表放大器AD627的反向输入端2与电阻R3之间，一端连接到仪表放大器AD627的同向输入端3与电阻R3之间；
电容Cb1一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627反向输入端2之间；
电容Cb3一端接地，一端连接到电阻R3与仪表放大器AD627同向输入端3之间；
电阻RG一端连接仪表放大器AD627的管脚1，另一端连接仪表放大器AD627的管脚8，控制仪表放大器AD627的放大倍数；
仪表放大器AD627的管脚4接地，仪表放大器AD627的管脚7连接V5.5的来自***及桥压电源单元(3)的供电单元，电容PC11一端接地，一端连接在V5.5供电单元与仪表放大器AD627的管脚7之间；
仪表放大器AD627的管脚5连接基准信号输入DA1，用来进行调零；
仪表放大器AD627输出端6依次连接电阻R4和运算放大器U12A的反向输入端2，基准电压REF2.5V依次连接电阻R6和运算放大器U12A的同向输入端3；
电阻R5一端连接在电阻R4和运算放大器U12A反向输入端2之间，另一端连接在运算放大器U12A输出端1；
电容cw1与电阻R5串联；运算放大器U12A的管脚4接地，运算放大器U12A的管脚8与V5.5的供电单元连接，电容PC12一端接地，另一端连接在运算放大器U12A的管脚8和V5.5的供电单元之间。
4.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述滤波与驱动单元(3)采用8阶开关电容巴特沃兹低通滤波器MAX291，低通截止频率由***设定设置。
5.如权利要求1、4所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：滤波与驱动单元(3)中的驱动器clk7400q连接8阶低通滤波器MAX291的时钟管脚CLK管脚，V1先连接电阻R7再连至8阶低通滤波器MAX291的输入管脚IN管脚，V5.5的供电单元先连接电阻RL3再连至8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚，电阻RL2一端接地，另一端连接在电阻RL3和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间，电容LC1一端接地，另一端连接在电阻RL2和8阶低通滤波器MAX291的接地管脚GND管脚之间；
电容cw2一端连接8阶低通滤波器MAX291的V+管脚，另一端接地；
8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚与8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚相连，信号从8阶低通滤波器MAX291的OPOUT管脚传送至8阶低通滤波器MAX291的OPIN管脚；
8阶低通滤波器MAX291的V-管脚接地；8阶低通滤波器MAX291的OUT管脚连接至运算放大器U12B的同向输入端5；串联的电阻R9和电阻R10一端接地，另一端接在运算放大器U12B的同向输入端5与8阶低通滤波器MAX291的OUT之间；
运算放大器U12B的输出端7连接电阻R11；运算放大器U12B的反向输入端6连接至运算放大器U12B的输出端7与电阻R11之间，在运算放大器U12B的反向输入端6和运算放大器U12B的输出端7之间设置有电阻R8；
电容cw2一端连接在运算放大器U12B的反向输入端6与电阻R8之间，另一端连接在运算放大器U12B的输出端7与电阻R8之间；
运算放大器U13A的同向输入端3连接在电阻R9和电阻R10之间，运算放大器U13A的反向输入端2与运算放大器U13A的输出端1相连，电阻R12连接在运算放大器U13A的反向输入段2和运算放大器U13A的输出端1之间；运算放大器U13A的管脚4接地，运算放大器U13A的管脚8连接V5.5供电单元，电容C1一端接地，另一端连接在运算放大器U13A的管脚8与V5.5供电单元之间。
6.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述***及桥压电源(3)采用初级电源和次级电源两级电源，首先是电压为15V的供电供给初级电源，两个次级电源再接收电压为8V的来自初级电源的供电，一个次级电源为***供电，电压为5.5V，另一个次级电源为电桥供电，电压为5V；两级电源均采用线性稳压电路。
7.如权利要求1所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述应变调零单元(5)在上电后30分钟和120分钟，CPU内部AD采集输出的电压，并采用调零算法，使用DA调整至仪表放大器的基准管脚，最终将输出电压调整至零位，完成自动应变平衡。
8.如权利要求1、7所述的一种可自动应变调零的应变调理装置，其特征在于：所述应变调零单元(5)具有6路应变调理通道，各通道之间相互独立。
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