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