無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)變片直流電橋設(shè)計(jì)

論文針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)無(wú)線數(shù)據(jù)采集電路中電阻應(yīng)變片直流電橋測(cè)量電路存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析,根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)對(duì)靈敏度、功率等要求,合理地對(duì)增益電阻和濾波電容進(jìn)行了選擇,提出了一種行之有效的電阻應(yīng)變片直流電橋無(wú)線數(shù)據(jù)采集測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)測(cè)試證明該方案在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中穩(wěn)定、可靠。

0 引言

在復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)中，研究其功耗和性能，設(shè)計(jì)它們的結(jié)構(gòu)以及研究各模塊組間的潤(rùn)滑狀態(tài)，測(cè)量各 器件間的摩擦力等重要參數(shù)，多年來(lái)，一直被人們所重視。由于機(jī)械內(nèi)部運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，環(huán)境惡劣，摩擦力相 對(duì)很小，給測(cè)量帶來(lái)了很大困難，如何精確地測(cè)量出這些數(shù)據(jù)就顯得格外重要。

采用無(wú)線收發(fā)方式，利用傳感器信號(hào)通過(guò)無(wú)線收發(fā)電路進(jìn)行信號(hào)傳輸，可以先存儲(chǔ)數(shù)據(jù)再把存儲(chǔ)卡里 面的數(shù)據(jù)讀入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，為復(fù)雜及數(shù)據(jù)要求精確的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集提供了新的方法。另外，在采 集頻率較高時(shí)，數(shù)據(jù)量比較大，這對(duì)采集系統(tǒng)中處理器處理速度、射頻無(wú)線傳輸速度、接口傳輸速度、A/D 轉(zhuǎn)換速度以及功耗等都有很高的要求，加上機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部尺寸的限制，困難較大。這樣一來(lái)，數(shù)據(jù)采集電 路板的設(shè)計(jì)成為該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，我們需要設(shè)計(jì)專門的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線收發(fā)裝置。

1 測(cè)量系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由傳感器、電源、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)處理電路和PC 機(jī)組成在實(shí)際測(cè)量時(shí)，傳感器安裝在運(yùn)動(dòng) 件上，由于采用引線裝置傳遞信號(hào)會(huì)限制機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)，因此可采用無(wú)線收發(fā)電路傳輸數(shù)據(jù)，也可采用 存儲(chǔ)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，即先把數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)卡，數(shù)據(jù)采集完之后再拿出存儲(chǔ)卡讀入到計(jì)算機(jī)，測(cè)量系 統(tǒng)原理如圖1 所示。

氣壓傳感器和應(yīng)變片經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸出0～2.5V 的電壓，可通過(guò)信號(hào)處理電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)再存入存儲(chǔ)卡，熱電偶經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路輸出12 位SPI 格式的數(shù)字信號(hào)，可由單片機(jī)直接 把信號(hào)存入存儲(chǔ)卡。存儲(chǔ)卡的容量應(yīng)能保證采集信號(hào)的時(shí)間要求（在采集頻率為3000Hz 時(shí)，選擇512M 以 上的存儲(chǔ)卡可保證采集時(shí)間不少于25 分鐘）。而該測(cè)量系統(tǒng)中電阻應(yīng)變片直流電橋測(cè)量電路的設(shè)計(jì)是一 個(gè)關(guān)鍵，下面我們將對(duì)這一部分進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。

2 電阻應(yīng)變片直流電橋測(cè)量電路設(shè)計(jì)

2.1 應(yīng)變片調(diào)理電路

應(yīng)變片調(diào)理電路由升壓芯片（為芯片提供工作電壓）、電壓基準(zhǔn)（穩(wěn)壓）、電橋、濾波、放大等部分 組成，如圖2 所示。

測(cè)量電路所選用應(yīng)變片型號(hào)350-2AA，應(yīng)變靈敏系數(shù)K=2.18(無(wú)量綱正數(shù)）,名義電阻350Ω，絲柵尺 寸：2×2mm；考慮到連桿體上空間小的特點(diǎn)，盡可能安裝少量的傳感器，因此采用直流單臂電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)電 阻到電壓的轉(zhuǎn)換。

2.2 直流電橋的靈敏度和功率

由式（2-6）可見(jiàn)電橋的電源電壓U 越大，電橋的靈敏度也就越高，U 取決于組成電橋的電阻元件允許 通過(guò)的最大電流。但是，由式（2-8）可見(jiàn)，當(dāng)電橋的電源電壓U 越大，電橋的功耗就越大，因此應(yīng)該選 擇合適的供電電壓。

電橋的供電電壓確定后，根據(jù)式（2-7）和式（2-8）前的系數(shù)可以分別做出如圖3（a）和3（b）的 曲線圖，他們分別反應(yīng)了電橋靈敏度和功耗隨n 值的變化，可以看出，當(dāng)n=1.5 時(shí)，電橋的功耗減少了20 ％，而電橋的靈敏度僅下降了4％，因此，設(shè)計(jì)電橋時(shí)取n=1.5，既降低了功耗，又保證了電橋的靈敏度。 此時(shí)可得4 R = 525Ω ，同時(shí)可選取1 R =2KΩ ， 2 R =3KΩ 。

由于電路板所在的環(huán)境具有很大的加速度和振動(dòng)，因此整個(gè)電路中沒(méi)有采用可變電阻， 4 R 可由不同 阻值的固定電阻通過(guò)串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

2.3 放大倍數(shù)的計(jì)算及增益電阻的選擇

經(jīng)電壓基準(zhǔn)穩(wěn)壓后，電橋供電電壓U=2.500V，為了保留一定的余量，電路的輸出電壓定在[0.1V,2.4V]，

確定了R7 的值后，即可根據(jù)式（2-10）計(jì)算R8 的值，然后從標(biāo)稱系列選擇最接近該阻值的電阻。此 處選R = 5.1KΩ 7 ，根據(jù)連桿上的應(yīng)變，可選R = 360KΩ 8。

2.4 濾波電容的選取

數(shù)據(jù)測(cè)量電路的干擾信號(hào)來(lái)電磁干擾以及測(cè)量系統(tǒng)本身的影響，因此電路需要采用濾波措施，以提高 系統(tǒng)的信噪比。考慮到電路板體積小的特點(diǎn)，這里主要采用簡(jiǎn)單的阻容濾波。

2.5 溫度誤差及其補(bǔ)償

應(yīng)變片所處的環(huán)境溫度是變化的，因此必須對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行溫度補(bǔ)償。由于傳感器和電路板所處的位置 空間小，為了盡可能減少傳感器的數(shù)量，就沒(méi)有采用差動(dòng)的方法來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但是在標(biāo)定的時(shí)候，分 別得到同一點(diǎn)位置處應(yīng)力-應(yīng)變和溫度-應(yīng)變的關(guān)系，即可在計(jì)算時(shí)對(duì)溫度造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

3 總結(jié)

至此，無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的電阻應(yīng)變片直流電橋測(cè)量電路的設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，當(dāng)然，在我們?cè)O(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量需要，如系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境受到溫度、頻率及其他一些環(huán)境的影響，各測(cè) 量參數(shù)的不同，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也不完全相同，設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要進(jìn)行修改。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：本文重點(diǎn)研究的是無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)變片直流電橋的設(shè)計(jì)，為復(fù)雜的機(jī)械控制系統(tǒng)在 進(jìn)行難度較大的數(shù)據(jù)采集時(shí)，提出可行的應(yīng)變片直流電橋設(shè)計(jì)方案。