便携式低功耗静态电阻应变仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种便携式低功耗静态电阻应变仪，涉及一种电阻应变仪。本实用新型由外接的电阻应变计和仪器内精密电阻组成的惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出连接二级差分放大电路，二级差分放大电路后端连接单端-差分变换电路，单端-差分变换电路输出连接A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号后输送至单片机，单片机连接有操作按键和串口通信电路；还包括一电源，所述的电源输出+2.048V电压给惠斯通电桥供电，输出+2.500V电压为单端-差分变换电路提供基准电压，输出+4.096V电压为A/D转换电路提供基准电压。优点：在低桥路激励电压的情况下保证测量精度的问题，功耗更低，更易于携带和使用。
【专利说明】便携式低功耗静态电阻应变仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电阻应变仪，具体是一种便携式低功耗静态电阻应变仪，适用于机械、土建、石化等多个行业对结构应力的测量需求，同时也适用于高等院校科研、教学的需求。
【背景技术】
[0002]电阻应变计习惯称为电阻应变片，简称应变计或应变片。电阻应变计的应用范围十分广泛，适用的结构包括航空、航天器、原子能反应堆、桥梁、道路、大坝以及各种机械设备、建筑物等；适用的材料包括钢铁、铝、木材、塑料、玻璃、土石、复合材料等各种金属及非金属材料。并且，它不仅适用于室内实验、模型实验，还可以在现场对实际结构或部件进行测量，这些特点是任何一种传感元件或传感器所不能比拟的。另外，它在对结构和设备的安全监测方面也有广泛的应用前景。
[0003]电阻应变计是一种用途广泛的高精度力学量传感元件，其基本任务就是把构件表面的变形量转变为其自身阻值的变化，进而被电阻应变仪测量。通常电阻应变仪通过惠斯通电桥将应变计的阻值变化ΔR/R转换为电压或电流的增量，进而再经过信号调理、模数转
换等完成最终的信号采集并通过软件实现应变值的显示。当前市场上恒压式静态电阻应变仪比较常见，这种应变仪都 通过惠斯通电桥将应变量转换成电压信号。从提升应变仪测量
精度考虑，应变仪中惠斯通电桥的激励电压越高越好，因为根据公式1=+^^，较高的激
励可以得到较高的输出电压，进而有助于提高应变仪的测量精度。但是，惠斯通电桥激励电压较高对应变测试系统的精度十分不利。这是因为，激励较高使得电阻应变计的功耗大增，又由于应变计丝栅与被测材料之间隔着一层导热性能不太好的基底和粘接胶，因此使得电阻应变计处于局部高温之中，温度误差增大，进而降低系统测量精度。综合考虑以上因素，从提升测试系统的精度出发，静态应变仪应当在保证一定仪器精度的同时尽量降低惠斯通电桥激励电压。当前市场上的静态电阻应变仪均不能很好地满足以上要求，当惠斯通电桥激励为2V时仪器误差普遍高于0.5%。
【发明内容】
[0004]为了解决现有应变仪在低桥路激励电压的情况下无法保证测量精度的问题，本实用新型提供一种便携式低功耗静态电阻应变仪，在低桥路激励电压的情况下保证测量精度的问题，功耗更低，更易于携带和使用。
[0005]本实用新型是以如下技术方案实现的:一种便携式低功耗静态电阻应变仪，由外接的电阻应变计和仪器内精密电阻组成的惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出连接二级差分放大电路，二级差分放大电路后端连接单端-差分变换电路，单端-差分变换电路输出连接A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号后输送至单片机，单片机连接有操作按键和串口通信电路；还包括一电源，所述的电源输出+2.048V电压给惠斯通电桥供电,输出+2.500V电压为单端-差分变换电路提供基准电压，输出+4.096V电压为A/D转换电路提供基准电压。
[0006]其进一步是:所述的二级差分放大电路包括两个斩波稳零放大器ICL7650，两个斩波稳零放大器ICL7650的输出端连接一仪表放大器AD620。
[0007]所述的单片机采用51单片机。
[0008]所述的单端-差分变换电路由运算放大器AD8138及其外围电路构成。
[0009]所述的精密电压源由集成电路芯片ADR4520、ADR4525、ADR4540及其外围电路组成的三组精密电压源。
[0010]本实用新型的有益效果是:1、通过降低应变仪激励电压极大地降低了惠斯通电桥的功率，进而降低了应变仪所在测试系统对电阻应变计的使用要求，从而有助于提高测试系统的精度，这种设计克服了传统应变仪只注重仪器精度，不重视应变仪所在测试系统整体精度的缺陷。2、本实用新型根据当今芯片技术的发展对电阻应变仪的结构进行了优化，达到了降低仪器体积和功耗的目的；3、本实用新型强化了应变仪的通讯功能，将应变仪所有的人机交互功能全部转移到上位机，符合智能仪器发展趋势，便于客户定制人机界面。4、小巧轻便，抗干扰能力强，性能稳定，灵活易用。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型电路原理图；
[0012]图2是本实用新型的电路图；
[0013]图3是本实用新型的电源电路图；
[0014]图4是本实用新型的放大电路、单端-差分变换电路和模数转换电路图。
【具体实施方式】
[0015]如图1所示，一种便携式低功耗静态电阻应变仪，由外接的电阻应变计和仪器内精密电阻组成的惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出连接二级差分放大电路，二级差分放大电路后端连接单端-差分变换电路，单端-差分变换电路输出连接A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号后输送至单片机，单片机连接有操作按键和串口通信电路；还包括一电源，所述的电源输出+2.048V电压给惠斯通电桥供电,输出+2.500V电压为单端-差分变换电路提供基准电压，输出+4.096V电压为A/D转换电路提供基准电压。
[0016]如图2-4所示，所述的二级差分放大电路包括两个斩波稳零放大器ICL7650，两个斩波稳零放大器ICL7650的输出端连接一仪表放大器AD620。所述的单片机采用51单片机。所述的单端-差分变换电路由运算放大器AD8138及其外围电路构成。所述的精密电压源由集成电路芯片ADR4520、ADR4525、ADR4540及其外围电路组成的三组精密电压源。所述的A/D转换电路采用模数转换器AD7170。
[0017]该应变仪由±5V电源供电。惠斯通电桥由集成电路芯片ADR4520提供精密的桥路激励，再由内置电阻和外接应变计共同组成桥路，在+2.048V激励电压下将应变量转化为电压信号输出；信号放大电路在接收到惠斯通电桥的电压信号后，首先由两个斩波稳零放大器ICL7650实现信号的一级差动放大,然后又通过仪表放大器AD620实现信号的二级放大；经过放大后的信号在运算放大器AD8138组成的信号转换电路部分被首先调整成差分信号，然后被模数转换器AD7170转换为数字信号；转换后的数字信号首先被单片机读取并存储在内置存储器中，然后被单片机通过串口发送到上位机。通信与操作按键由单片机、键盘电路和USB转串口电路组成，其功能是实现数字信号的读取、存储和发送，同时实现相应的时序控制。
[0018]具体地讲，首先该应变仪的ADR4520芯片构成的精密电源电路为惠斯通电桥提供了精准的轨到轨参考电压。这个精准的2.048V电桥激励电压保证了电桥输出信号的精度，
因为从公式可知电桥的输出与激励成正比。再配上性能稳定的精密电阻，即可保证电桥输出信号的稳定、精确。其次，由两个斩波稳零放大器ICL7650和仪表放大器AD620组成的放大电路可以实现对电桥输出信号的稳定、准确放大，因为这种放大电路具有很高的精度，且输入偏置电流小、失调小、共模抑制能力强、噪声低、性能稳定。最后，芯片ADR4525和ADR4540构成的两组精密轨到轨输出电压分别为单端-差分变换电路和A/D转换器提供了精准的电压参考，从而保证了模拟信号到数字信号的准确转换。
【权利要求】
1.一种便携式低功耗静态电阻应变仪，其特征在于:包括由外接的电阻应变计和仪器内精密电阻组成的惠斯通电桥，惠斯通电桥的输出连接二级差分放大电路，二级差分放大电路后端连接单端-差分变换电路，单端-差分变换电路输出连接A/D转换电路，A/D转换电路将模拟信号转换成数字信号后输送至单片机，单片机连接有操作按键和串口通信电路；还包括一电源，所述的电源输出+2.048V电压给惠斯通电桥供电,输出+2.500V电压为单端-差分变换电路提供基准电压，输出+4.096V电压为A/D转换电路提供基准电压。
2.根据权利要求1所述的便携式低功耗静态电阻应变仪，其特征在于:所述的二级差分放大电路包括两个斩波稳零放大器ICL7650，两个斩波稳零放大器ICL7650的输出端连接一仪表放大器AD620。
3.根据权利要求1所述的便携式低功耗静态电阻应变仪，其特征在于:所述的单片机采用51单片机。
4.根据权利要求1所述的便携式低功耗静态电阻应变仪，其特征在于:所述的单端-差分变换电路由运算放大器AD8138及其外围电路构成。
5.根据权利要求1-4任一项所述的便携式低功耗静态电阻应变仪，其特征在于:所述的电源是由集成电路芯片ADR4520、ADR4525、ADR4540及其外围电路组成的三组精密电压源。
【文档编号】G01B7/16GK203719620SQ201420093462
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】陈维林, 权亚蕾, 陈以云 申请人:陈维林