专利名称：差动电阻式传感器的测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及岩土工程的健康监测技术领域，特别是岩土工程的安全监测仪器中的差动电阻式传感器的测量装置。
背景技术：
在岩土工程的健康监测技术领域中，通常采用差动电阻式传感器(或称差阻式仪器)等安全监测仪器监测岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等物理量，用以分析判断岩土工程的健康安全状况。差动电阻式传感器是由两根相同材质(电阻率相同均为P)、相同截面积(均为s)的钢丝配对组成，两根钢丝初始长度相等，设为L，在感知外界作用力F(可以是大坝和岩土工程的应力应变、温度、接缝开度、渗漏和变形等测量信号)的时候，其中一组钢丝会产生AL的拉伸变形，而另一组钢丝则会产生AL的压缩变形。在弹性范围
内，F =足x#，其中K为已知恒常数。而两根钢丝的电阻值分别为代=px^^， Ls
i 2=px^^。另设两根钢丝的初始电阻值为R，则=,gpR= (R1+R2)/2o因此
^ARR, — R, ^r R, / Rn — 1
2^R= lt7t= R /R +1。由此，外界作用力F是R1ZR2(称作电阻比)的
单一函数，通过测量R1Z^R2就能实现对F的测量。若设AR = R1-R2，则F =足，F是
2xR
Δ R/R的单一函数，通过测量Δ R/R也同样能实现对F的测量。目前普遍采用直接放大法或组桥法来实现差阻式仪器的测量功能，其中直接放大法采用了最直观的测量原理，通过设计简单明了的电阻测量电路，直接获得电阻R1和电阻 R2的测值，然后通过数值计算获得AR和R，最后获得F的计算结果。其优点是原理直观、 电路简单，但缺点是由于测量电路的处理对象不仅包含了 AR而且还包含了固有电阻分量值R，而AR在数值上远小于R，导致测量灵敏度和测量精度不理想，所以测量效果不好。采用组桥法，可以直接获取数据并有效克服固定电阻分量值R对测量精度的影响，但是组桥法不能直接获得R的测值，所以需要另外增加R测量电路，这样就会增加测量电路的复杂性，此外，组桥法对配桥所需的电阻R也有较高的精度要求，故增加了电路设计难度。岩土工程的健康安全状况监测至关重要，确保测量结果的准确性是首要任务。因此，很有必要针对差阻式仪器的工作原理，设计一种全新的测量方法，以期获得非常理想的测量灵敏度和测量精度。
实用新型内容本实用新型针对现有的差动电阻式传感器不容易获得高精度测量结果的问题，提供一种新型的差动电阻式传感器的测量装置，该装置可以获得非常理想的测量灵敏度和测量精度。[0007]本实用新型的技术方案如下一种差动电阻式传感器的测量装置，所述差动电阻式传感器包括两个串联的电阻 (札、ig，其特征在于，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、 AD转换器以及单片机或微处理器，所述镜像电流发生器产生一对镜像电流(Ii、I2)并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的两端，所述镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，所述线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，线路选择开关将正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(仏、队)依次通过放大整形电路和AD转换器后输入至单片机或微处理器，所述单片机或微处理器获得与正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(UpU2)成确定比例关系的数值(NpN2),再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压(UpU2)与镜像电流(I:、I2)之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。所述镜像电流发生器包括两电流源，所述两电流源产生镜像电流(Ip I2)并输出至差动电阻式传感器的两端，所述两电流源的负极相连，且相连的两负极之间的节点引出有导线，所述导线的另一端连接至差动电阻式传感器的两电阻之间节点。所述线路选择开关电路与单片机或微处理器相连，单片机或微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向连接与反向连接。所述线路选择开关电路包括电子开关或继电器开关。所述AD转换器为高精度AD转换器。本实用新型的技术效果如下本实用新型涉及的差动电阻式传感器的测量装置，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、AD转换器和单片机(或微处理器)，镜像电流发生器产生一对镜像电流(Ip I2)并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的两端，通过线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，线路选择开关将正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(UpU2) 依次通过放大整形电路和AD转换器后输入至单片机(或微处理器)，单片机(或微处理器) 获得与正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(UpU2)成确定比例关系的数值(K、N2),从而实现正向测量和反向测量，并最终获得差动电阻式传感器的被测物理量，如获得R「R2 (即Δ R)和R1+R2 (即2R)以及电阻比R1/R2的数值来实现外界作用力F的测量，实现差动电阻式传感器的测量。本实用新型的该装置由于并非直接测量固有电阻分量值R和在数值上远小于R的△! ，故解决了现有的直接放大法存在的测量灵敏度低以及测量精度不理想的问题；同时无需组桥、增设R测量电路以及配备精度等级要求高的电阻R， 故降低了测量成本，简化了电路设计，同时提高了测量精度以及提高了差动电阻式传感器的可靠性。通过引入镜像电流，有效地分离出差动电阻式传感器的固有电阻分量值R与电阻差分变化量△! ，充分体现了差动电阻式传感器的工作原理，因此可以获得非常理想的测量灵敏度和测量精度，提高了差动电阻式传感器的准确性和可靠性，能够满足岩土工程的安全监测对安全监测仪器的可靠性以及测量数据的准确性的严格要求。
[0015]图1为差动电 阻式传感器等效电路图。图2为本实用新型差动电阻式传感器的测量装置的正向连接等效电路图。图3为本实用新型差动电阻式传感器的测量装置的反向连接等效电路图。图4为本实用新型涉及的差动电阻式传感器的测量装置的优选结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行说明。本实用新型公开了一种对差动电阻式传感器进行测量的装置，本实施例的被测对象是一支差动电阻式传感器，该差动电阻式传感器由两根相同材质、相同截面积的钢丝组成。差动电阻式传感器在电气上可以等效成两个串联的电阻礼和&，如图1所示的等效电路图，在差动电阻式传感器的两端及两电阻之间共引出五个测量端在差动电阻式传感器的A端引出导线1和2，在电阻R1和R2之间的节点C引出导线3，在差动电阻式传感器的B 端引出导线4和5。本实用新型涉及的差动电阻式传感器的测量装置，该测量装置优选结构示意图如图4所示，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、高精度AD 转换器以及微处理器(也可以选择单片机或其它核心处理部件)。其中，镜像电流发生器的结构如图2或图3的除差动电阻式传感器外的部分，包括两电流源，该两电流源产生镜像电流I1和I2并输出至差动电阻式传感器的A、B两端，两电流源的负极相连，且相连的两负极之间的节点引出有导线，所述导线的另一端用于连接至差动电阻式传感器的两电阻之间节点C，也可以理解为从差动电阻式传感器的两电阻之间节点C引出的导线3连接至两电流源的负极之间的节点。镜像电流发生器产生一对镜像电流I1和I2并经线路选择开关电路流经差动电阻式传感器的两端，该镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，分别通过正向连接、反向连接获得差动电阻式传感器两端的电压Uab，获得U”U2，根据获得的差动电阻式传感器两端的电压UpU2的和/差计算结果与镜像电流I1和I2之间存在的确定关系分别计算获得Δ R和 R，并最终解算出差动电阻式传感器的被测物理量，如电阻比R1/R2，从而实现差动电阻式传感器的测量功能。正向连接的等效电路图如图2所示，两电流源分别引入镜像电流I1和I2至差动电阻式传感器AB两端，即I1与导线1相连，I2与导线5相连，两电流源负极相连，该相连负极之间的节点与导线3相连，差动电阻式传感器AB两端的正向测量输出电压为U1，具体表述如式⑴U1 = I^Rrla^Ra(1)反向连接的等效电路图如图3所示，两电流源分别引入镜像电流I1和I2至差动电阻式传感器AB两端，即I1与导线5相连，I2与导线1相连，也可以理解为，反向连接相对正向连接而言镜像电流I1和I2不变，将引入的差动电阻式传感器的A、B两端置换。两电流源负极相连，该相连负极之间的节点与导线C3相连，差动电阻式传感器AB两端的反向测量输出电压为U2，具体表述如式(2):U2 = Ii^-I^R!(2)[0028]由式(1)-式⑵得式(3)U1-U2= (I^I2)*(R1-R2) = (I^I2)* Δ R(3)由式(3)得式AR= (U1-U2)Z(I^I2)(4)由式(1)+式⑵得式(5)U^U2= (I1-I2)* (R1+R2) = (I1-I2)^R(5)由式(5)得式(6)R= ( + )/2 (I1-I2)(6)由于IjPI2是已知的，所以在获得UjPU2的测值之后，由式⑷就能获得AR的数值，由式(6)可以获得R的数值，最后通过计算获得外界作用力F的计算结果。根据差动电阻式传感器的特性，环境温度不变的情况下，R是一个恒定值，这时候就无需由式(6)进行计算，在这种情况下，可以选取I1 = 12。但在绝大多数情况下，环境温度的变化不可避免，R的数值会随温度小幅变化，这时候就需要进行实时测量，通过式(6) 计算获得，这时候不再适合选取I1 = 12，而应选取近似相等，以确保式(6)有解。上述正向连接与反向连接通过线路选择开关电路实现，该线路选择开关电路可以通过微处理器控制，线路选择开关电路可包括电子开关或继电器开关。由微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向连接进行测量与反向连接进行测量，如微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向连接，此时镜像电流发生器与差动电阻式传感器按图2 所示的等效电路图进行正向连接，图2电路的输出电压信号U1,即电压信号U1输入至放大整形电路进行放大整形，再经过高精度AD转换器后，微处理器获得对应的数值N1,完成正向测量过程；微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择反向连接，此时镜像电流发生器与差动电阻式传感器按图3所示的等效电路图进行反向连接，图3电路的输出电压信号 U2,即电压信号U2输入至放大整形电路进行放大整形，再经过高精度AD转换器后，微处理器获得对应的数值队，完成正向测量过程。一旦放大整形电路与AD转换器确定后，N1与U1 之间以及N2与U2之间就存在确定的比例关系，微处理器能够推算获得U” U2,假设比例系数为 1^，则& = kXU1; N2 = kXU2。由式⑷，AR= (NfN2Vk(I^I2),由于 k，I1, I2 均是已知量，所以经过微处理器的数值计算，即可获得AR的数值计算结果。由公式(6)，R = (NJN2)Ak(I1-I2)，经过微处理器的数值计算，即可获得R的数值计算结果，还能够算出国标规定的电阻比R1Z^2的数值，最终根据外界作用力F与AR/R之间存在的确定关系解算出 F的数值结果，以实现差动电阻式传感器的测量。如本实施例中，如I1 = 6mA, I2 = 5mA, k = 106/v，通过正向连接进行测量获得N1 =45000，通过反向连接进行测量获得队=40000,则Δ R = 0. 45 Ω，R = 42. 5 Ω。同时得 VR2 = 10106. 4Χ 10-4, + = 85. 00 Ω。计算得到的电阻比VR2符合国家规范的0. 8
AD
1. 2之间。在K已知的情况下，按照公式F = X X:r^，就能计算出F的数值。
2xR应当指出，以上所述具体实施方式
可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中 。
权利要求1.一种差动电阻式传感器的测量装置，所述差动电阻式传感器包括两个串联的电阻 (礼、ig，其特征在于，包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、 AD转换器以及单片机或微处理器，所述镜像电流发生器产生一对镜像电流(Ip I2)并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的两端，所述镜像电流大小相等或近似相等，方向相反，所述线路选择开关电路实现镜像电流与差动电阻式传感器两端的正向连接与反向连接的切换，线路选择开关将正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(仏、队)依次通过放大整形电路和AD转换器后输入至单片机或微处理器，所述单片机或微处理器获得与正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(UpU2)成确定比例关系的数值(NpN2),再根据获得的差动电阻式传感器两端的电压(UpU2)与镜像电流(I:、I2)之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。
2.根据权利要求1所述的差动电阻式传感器的测量装置，其特征在于，所述镜像电流发生器包括两电流源，所述两电流源产生镜像电流(Ip I2)并输出至差动电阻式传感器的两端，所述两电流源的负极相连，且相连的两负极之间的节点引出有导线，所述导线的另一端连接至差动电阻式传感器的两电阻之间节点。
3.根据权利要求2所述的差动电阻式传感器的测量装置，其特征在于，所述线路选择开关电路与单片机或微处理器相连，单片机或微处理器发出指令控制线路选择开关电路选择正向连接与反向连接。
4.根据权利要求3所述的差动电阻式传感器的测量装置，其特征在于，所述线路选择开关电路包括电子开关或继电器开关。
5.根据权利要求1所述的差动电阻式传感器的测量装置，其特征在于，所述AD转换器为高精度AD转换器。
专利摘要本实用新型涉及一种差动电阻式传感器的测量装置，该装置包括依次连接的镜像电流发生器、线路选择开关电路、放大整形电路、AD转换器以及微处理器，镜像电流发生器产生一对镜像电流(I1、I2)并经线路选择开关电路分别连接到差动电阻式传感器的两端，线路选择开关将正向连接与反向连接输出的差动电阻式传感器两端的电压(U1、U2)依次通过放大整形电路和AD转换器后输入至微处理器，微处理器根据获得的差动电阻式传感器两端的电压(U1、U2)与镜像电流(I1、I2)之间的关系获得差动电阻式传感器的被测物理量，实现差动电阻式传感器的测量。该装置能够获得理想的测量灵敏度和测量精度，提高了差动电阻式传感器的可靠性。
文档编号G01D18/00GK202119466SQ201120200999
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月15日 优先权日2011年6月15日
发明者毛良明, 江修, 沈省三 申请人:基康仪器(北京)有限公司