专利名称：多功能抗干扰电阻应变仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种多功能抗干扰电阻应变仪，属电子测量仪器设备。
一般来说，电子测量中的干扰主要包括电磁场干扰、电源波动、温度变化等。现有技术对电磁场的干扰一般采用屏蔽、滤波等方法，而屏蔽并不能完全阻挡电磁场的干扰，且有些场合很难实施屏蔽。滤波则有可能把有用的信号滤掉，特别当应变信号与干扰信号频率及大小相近时，就根本不能用滤波方法来消除干扰。而一些声称利用对称式传感器可抵消干扰的测量方法，一方面应用范围很窄且很难制造出非常对称的传感器，另一方面并没有考虑电源波动和温度变化等因素对电路特别是放大电路的影响，而这种影响所产生的零漂移，正是目前电子测量仪器的主要缺点。另外，目前的电阻应变仪没有提供直接与计算机联接的接口，要联接计算机必须另外配A/D接口，而一般的A/D借口较为昂贵并且结构复杂，这使得计算机在电子测量中的应用受到了很大限制。
本实用新型的目的就是为了克服和解决现有电子测量技术中采用屏蔽、滤波等方法来消除干扰而存在难于实施屏蔽，无法消除电磁场干扰或有可能把有用信号滤掉，根本不能用滤波方法以及无法解决电源波动、温度变化产生的零漂移等的缺点和问题，研究设计一种无需屏蔽、无需滤波而又能从根本上消除电磁场、零漂移等干扰，并能大大提高测量精度、电路简单、成本低，还能开发利用微机中闲置的游戏控制器的多功能抗干扰电阻应变仪。
本实用新型是通过下述结构技术方案来实现的多功能抗干扰电阻应变仪的外形结构示意图如
图1所示，其后面板结构布置示意图如图2所示，其总电路方框图如图3所示，其基本单元电路原理图如图4所示。多功能抗干扰电阻应变仪主要由机壳1、前面板2、印刷电路板3、后面板4共同连接构成，其相互位置及相互连接关系为前面板2通过螺钉固接于机壳1正面，印刷电路板3通过插座插装于机壳1内，后面板4通过螺钉固接于机壳1背面；其中前面板2上安装有电位调节旋钮5、抗噪微调旋钮6、衰减调节旋钮7、直接输出、微机连接转换开关8、标定、测量转换开关9；后面板4上安装有输入插座10、正(+)、负(-)输出接线柱11、电源开关12、+5V外电源接口13、地线接口14、+12V外电源接口15、-12V外电源接口16、连接微机游戏口的标准接口17；总电路由四组相同的基本单元电路连接构成，每组基本单元电路由测量电桥电路18、标定电桥电路19、比较电桥电路20、放大器21、放大器22、比较电路23共同连接构成，其相互连接关系为放大器21分别通过转换开关SW-1及测量电桥输出信号线、放大器输出信号线分别与测量电桥18、比较电路23相电气连接，或通过转换开关SW-1及标定电桥输出线与标定电桥19相电气连接，放大器22分别通过比较电桥输出信号线、放大器输出信号线分别与比较电桥20、比较电路23相电气连接，比较电路23通过比较输出信号线A、B与计算机游戏口接口17相电气连接，并通过比较输出信号线C、D与显示记录仪器相连接；其中测量电桥电路18由电阻应变片或半导体应变片R1～R4，电阻R5、可变电阻R6、R7，电容C1共同连接构成电桥电路；标定电桥电路19由高精度电阻R12、R14与R13、R15并联连接构成电桥电路；比较电桥电路20由电阻R16～R20、可变电阻R21、R22、电容C2共同连接构成电桥电路；放大器21由运算放大器U1A、高精度电阻R8～R11共同连接构成；放大器22由运算放大器U1B、高精度电阻R23～R26共同连接构成，比较电路23由耦合放大器U2、可变电阻R27、电阻R28、R30、热敏电阻R29、开关SW-2共同连接构成。其作用原理如下测量时，开关SW-1板到位置1，使放大器21与测量电桥电路18相连接，R5和R6组成调电阻平衡装置，调节R6可控制Uab的大小，经运算放大器U1A放大后，可控制电位Ue而得到Uef的合适输出值，从而得到所需的应变仪的合适输出值。实际测量时，观测Ue对地的波形，可见到由于干扰而出现的波动曲线，可观察到其波形与Uf的波动曲线非常接近。R7和C2组成电容平衡装置，调节R7改变测量电桥的阻抗，可使Ue与Uf感应到的电磁干扰最接近，观察应变仪显示设备上Uef的波形，波动曲线可减到很小，以至可忽略。一般来说，此时衰减应调至最小，以使输出到显示设备上的信号最大而干扰波最明显以便于调节；R16=R17=R18=R19=R，为普通电阻，构成比较电桥。R20和R21组成调电阻平衡装置。调整R21可控制Ucd的大小，经运算放大器U1B放大后，可使电位Uf等于0。从示波器上观测Uf的波形，可见到由于干扰而出现的波动曲线。由R22和C2组成电容平衡装置，调节R22，可使Uf的波动减到最小。由于测量电桥和比较电桥共用同一电源，U1A和U1B共用同一电源，故电源电压范围不很大的波动对Uef影响可忽略。由于U1A和U1B为同一集成件IC，工作参数非常接近，因而温度变化及其它干扰对两者的影响是共同的，互相抵消后，这些干扰对Uef影响可忽略。从以上可见，Uef的零漂移可以变得很小以至可忽略。当测量电桥工作时，Uab被加上应变信号，经运算放大器U1A放大后，再由Ue与Uf比较得到干扰极小的放大的应变信号Uef。开关SW-2扳到位置1，控制从C、D两点输出信号UCD，反之，从A、B两点输出动态电阻RAB,RAB连接到微机的游戏控制器接口上，通过软件检测到RAB的数值再进行处理。调节衰减电阻R27，可控制输出信号的大小；R29是正温度系数热敏电阻，当温度变化时，其阻值变化与耦合放大器内的发光二极管的阻值变化抵消，使RAB不会随温度漂移；R12、R13、R14、R15是高精度电阻，组成标定电桥，预先计算设定标定电桥输出信号Ualb1为一固定应变量，设为α。把开关SW-1拨到位置2，标定电桥的输出信号Ualb1经运算放大器U1A放大输出为Ue，由于Uf为0，此时的输出Uef则为应变α，可作为标准信号与实测信号比较而得到微应变数。
本实用新型与现有技术相比有如下的优点和有益效果①用本实用新型进行电子测量可从根本上消除各种干扰和零漂移的影响，大大拓宽可测量信号的频率范围，可大大地提高测量精度；②由于本实用新型采用了以干扰抑制干扰的方法，可大大降低对整个电子应变仪的电源、放大器、传感器等元器件的稳定性的要求，而且使用直流电桥、无需屏蔽和滤波，从而能大大降低电路的复杂性，降低对元器件的精度的要求，降低成本③由于本实用新型开发利用了目前流行的PC系列微机的游戏口接口，一般来说，对于机械方面的应变测量，使用“386”以上机型的计算机(如“386”、“486”、“586”等机型)即能获得满意的效果，这可使用通常闲置的计算机游戏口接口，成本更为降低，也使计算机在测量方面的应用更具有广泛前景。
下面对说明书附图进一步说明如下图1为多功能抗干扰电阻应变仪的外形结构示意图，图2为多功能抗干扰电阻应变仪后面板结构布置示意图，图3为多功能抗干扰电阻应变仪总电路方框图，图4为其基本单元电路电路原理图。各图中1为机壳、2为前面板、3为印刷电路板、4为后面板、5为电位调节旋钮、6为抗噪微调旋钮、7为衰减调节旋钮、8为直接输出、微机连接转换开关、9为标定、测量转换开关、10为输入插座、11为正(+)、负(-)输出接线柱、12为电源开关、13为+5V外电源接口、14为地(GND)线接口、15为+12V外电源接口、16为-12V外电源接口、17为连接微机游戏口的15针标准接口、18为测量电桥电路、19为标定电桥电路、20为比较电桥电路，21、22均为放大器、23为比较电路。
本实用新型的实施较为简单，其实施方式步骤可为如下(1)按图1、图2所示，采用通用的机加工方法，加工安装机壳和前、后面板；(2)按图3、图4所示绘制印刷电路板，然后筛选元器件进行安装调试。其中U1可选LM358型运算放大器，U2可选TIP-521-1型耦合放大器，选电阻应变片R1=R2=R3=R4=R，高精度电阻R8=R9=R23=R24R10=R11=R25=R26，电容C1=C2；可选电源Vcc为+5V,V+为+12V,V-为-12V，印刷电路板固装于机壳内，整个电阻应变仪由四块相同的基本电路的印刷板组成，其每块印刷电路板上的电阻R27即为前面板上的衰减调节旋钮7，前面板上的“标定”、“测量”转换开关即为开关SW-1，“电位调节”即可变电阻R6，“抗噪微调”即可变电阻R7，“直接输出”、“微机连接”转换开关即为开关SW-2；后面板上的输入插座10即电桥盒的标准接口，各组“输出”11的+、-接线柱分别与各基本电路的C、D点相连接，“电源开关”与各基本电路的对应电源点相接，外电源接口+5、GND、+12、+12均与各组电路板上的相对应点相接；(3)每组基本电路的基本电路板上的输出线A(+5V)分别与计算机游戏口接口的1、9、4、15脚相接，输出线B分别与游戏口接口的3、6、11、5脚相接，输出线C和D分别组成输出电压UCD与显示记录仪连接，然后按上面说明书作用原理部分所述的调节方法进行简单调试，便能容易的调好并实施本实用新型。产品调好出厂后，使用时无需再调节。
权利要求1.一种多功能抗干扰电阻应变仪，其特征在于它由机壳(1)、前面板(2)、印刷电路板(3)、后面板(4)共同连接构成，其相互位置及相互连接关系为前面板(2)通过螺钉固接于机壳(1)正面，印刷电路板(3)通过插座插装于机壳(1)内，后面板(4)通过螺钉固接于机壳(1)背面；其中前面板(2)上安装有电位调节旋钮(5)、抗噪微调旋钮(6)、衰减调节旋钮(7)、直接输出、微机连接转换开关(8)、标定、测量转换开关(9)；后面板(4)上安装有输入插座(10)、正(+)、负(-)输出接线插座(11)、电源开关(12)、+5V外电源接口(13)、地线接口(14)、+12V外电源接口(15)、-12V外电源接口(16)，连接微机标准接口(17)；总电路由四组相同的基本单元电路连接构成，每组基本单元电路由测量电桥电路(18)、标定电桥电路(19)、比较电桥电路(20)、放大器(21)、放大器(22)、比较电路(23)共同连接构成，其相互连接关系为放大器(21)分别通过转换开关SW-1及测量电桥输出信号线、放大器输出信号线分别与测量电桥(18)、比较电路(23)相电气连接，或通过转换开关SW-1及标定电桥输出线与标定电桥(19)相电气连接，放大器(22)分别通过比较电桥输出信号线、放大器输出信号线分别与比较电桥(20)、比较电路(23)相电气连接，比较电路(23)通过比较输出信号线A、B与计算机游戏口接口(17)相电气连接，并通过比较输出信号线C、D与显示记录仪器相连接。
2.按权利要求1所述的一种多功能抗干扰电阻应变仪，其特征在于所述的测量电桥(18)由电阻应变片或半导体应变片R1～R4，电阻R5、可变电阻R6、R7，电容C1共同连接构成电桥电路；标定电桥电路(19)由高精度电阻R12、R14与R13、R15并联连接构成电桥电路；比较电桥电路(20)由电阻R16～R20、可变电阻R21、R22、电容C2共同连接构成电桥电路；放大器(21)由运算放大器U1A、高精度电阻R8～R11共同连接构成；放大器(22)由运算放大器U1B、高精度电阻R23～R26共同连接构成，比较电路(23)由耦合放大器U2、可变电阻R27、热敏电阻R29、电阻R28、R30、开关SW-2共同连接构成。
专利摘要本实用新型是多功能抗干扰电阻应变仪。前面板装有电位调节、抗噪微调、衰减等旋钮及直接输出、微机连接、标定、测量转换开关,后面板装有输入、输出插座,电源开关、各种外电源接口、连接微机标准接口。电路由多组基本电路构成,每组基本电路由测量电桥、标定电桥、比较电桥、放大器、比较电路、计算机游戏口接口等通过各自输出信号线相连接构成。本应变仪可从根本上消除各种干扰、拓宽测量频率范围、测量精度高、稳定性好、成本低。
文档编号G01B7/16GK2334012SQ9823463
公开日1999年8月18日 申请日期1998年7月10日 优先权日1998年7月10日
发明者黄育强, 周照耀, 刘宾 申请人:华南理工大学