用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法与流程

1.本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法。


背景技术：

2.电阻应变式传感器，通常由电阻应变片组成惠斯顿电桥来测量应变或应力。理想状态下，传感器不受力时惠斯顿电桥处于平衡状态，不对外输出信号，当传感器受力后，惠斯顿电桥打破平衡，对外输出测量信号。实际上，受制造工艺的影响，电阻应变式传感器不受力时，惠斯顿电桥并不平衡，对外有零点信号输出，并且某些电阻应变式传感器的零点信号较大，影响测量效果。
3.电阻应变式传感器通过实验的方法确定在额定负载下输出信号的数值，称为额定灵敏度，每个传感器的额定灵敏度都不同，且输出信号较小，为mv级。传感器的输出信号需要进行硬件电路放大后，才能进入到信号处理芯片换算成应变或应力数值，硬件电路的放大倍数为固定值，为了能够处理所有的电阻应变式传感器的输出信号，只能将硬件电路的放大倍数整定成一个较小的数值，这就降低了电阻应变式传感器的分辨率。
4.硬件电路是将电阻应变式传感器的信号直接放大，但实际有用的信号是传感器额定灵敏度减去零点信号的这一段数据，为了消除电阻应变式传感器的零点信号，通常在仪器运算放大器的参考输入脚(ref)上叠加一个反相信号，使传感器在不受力时进入信号处理芯片的信号电压为零。这种方法，相当于又降低了硬件电路的信号放大倍数，导致电阻应变式传感器的额定灵敏度信号经放大，进入信号处理芯片时，其有效值远小于信号处理芯片允许处理信号的最大值，表现为电阻应变式传感器输出信号的分辨率较小。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法，以解决电阻应变式传感器的信号处理问题。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.本发明提供了一用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法，该方法应用于信号动态放大和调零系统，信号动态放大和调零系统包括电阻应变式传感器、仪器放大电路、三个独立的数模转换器、带有模数转换器功能的处理芯片，三个独立的数模转换器包括第一数模转换器、第二数模转换器和第三数模转换器；电阻应变式传感器的第一输出端以及第二数模转换器的输出端均与仪器放大电路的第一输入端连接；电阻应变式传感器的第二输出端以及第三数模转换器的输出端均与仪器放大电路的第二输入端连接；仪器放大电路的输出端与第一数模转换器的参考电压引脚连接；第一数模转换器的输出端与处理芯片的模数转换器的输入端连接；第一数模转换器的指令输入端与处理芯片的第一指令输出端连接；第二数模转换器的指令输入端与处理芯片的第二指令输出端连接；第三数模转换器的指令输入端与处理芯片的第三指令输出端连接；第二数模转换器的参考电压引脚以及
第三数模转换器的参考电压引脚分别与预设固定电压源连接，
8.该方法包括：
9.a)将第一数模转换器、第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数分别对应设定为第一初始值、第二初始值和第三初始值；
10.b)使电阻应变式传感器工作在额定负载状态下或者使电阻应变式传感器模拟额定负载状态；
11.c)调整第一数模转换器的放大倍数，使得处理芯片的模数转换器采样的数据接近最大值；
12.d)使电阻应变式传感器工作在空载状态下，并且根据仪器放大电路的放大倍数以及第一数模转换器的放大倍数计算电阻应变式传感器的零点输出数据；
13.e)判断步骤d)中计算获得的零点输出数据是否小于预设的要求值，如果零点输出数据大于或等于预设的要求值，则调整第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数后，重复进行步骤b)至步骤d)，直至步骤d)中计算获得的零点输出数据小于预设的要求值为止。
14.可选地，第一初始值为0.5。
15.可选地，第二初始值和第三初始值均为0。
16.可选地，预设固定电压源提供的电压为5v。
17.可选地，仪器放大电路的放大倍数被设定为300倍以上。
18.可选地，第一数模转换器、第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数的范围均为≤1。
19.本发明的有益效果包括：
20.本发明提供的用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法包括：a)将第一数模转换器、第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数分别对应设定为第一初始值、第二初始值和第三初始值；b)使电阻应变式传感器工作在额定负载状态下或者使电阻应变式传感器模拟额定负载状态；c)调整第一数模转换器的放大倍数，使得处理芯片的模数转换器采样的数据接近最大值；d)使电阻应变式传感器工作在空载状态下，并且根据仪器放大电路的放大倍数以及第一数模转换器的放大倍数计算电阻应变式传感器的零点输出数据；e)判断步骤d)中计算获得的零点输出数据是否小于预设的要求值，如果零点输出数据大于或等于预设的要求值，则调整第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数后，重复进行步骤b)至步骤d)，直至步骤d)中计算获得的零点输出数据小于预设的要求值为止。该方法可以动态调整电阻应变式传感器处理电路的信号放大倍数，并且可以从源头上动态消除传感器的零点输出信号，使信号放大电路仅处理传感器的受力信号，提高电阻应变式传感器的分辨率。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1示出了本发明实施例提供的信号动态放大和调零系统的电路结构示意图；
23.图2示出了本发明实施例提供的用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法的流程示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.电阻应变式传感器通过实验的方法确定在额定负载下输出信号的数值，称为额定灵敏度，每个传感器的额定灵敏度都不同，且输出信号较小，为mv级。传感器的输出信号需要进行硬件电路放大后，才能进入到信号处理芯片换算成应变或应力数值，硬件电路的放大倍数为固定值，为了能够处理所有的电阻应变式传感器的输出信号，只能将硬件电路的放大倍数整定成一个较小的数值，这就降低了电阻应变式传感器的分辨率。硬件电路是将电阻应变式传感器的信号直接放大，但实际有用的信号是传感器额定灵敏度减去零点信号的这一段数据，为了消除电阻应变式传感器的零点信号，通常在仪器运算放大器的参考输入脚(ref)上叠加一个反相信号，使传感器在不受力时进入信号处理芯片的信号电压为零。这种方法，相当于又降低了硬件电路的信号放大倍数，导致电阻应变式传感器的额定灵敏度信号经放大，进入信号处理芯片时，其有效值远小于信号处理芯片允许处理信号的最大值，表现为电阻应变式传感器输出信号的分辨率较小。为此，本发明提出了一种新型的用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法。
26.图1示出了本发明实施例提供的信号动态放大和调零系统的电路结构示意图；图2示出了本发明实施例提供的用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法的流程示意图。
27.如图1和图2所示，本发明提供的用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零方法应用于信号动态放大和调零系统，信号动态放大和调零系统包括电阻应变式传感器、仪器放大电路、三个独立的数模转换器、带有模数转换器功能的处理芯片，三个独立的数模转换器包括第一数模转换器、第二数模转换器和第三数模转换器；电阻应变式传感器的第一输出端以及第二数模转换器的输出端均与仪器放大电路的第一输入端连接；电阻应变式传感器的第二输出端以及第三数模转换器的输出端均与仪器放大电路的第二输入端连接；仪器放大电路的输出端与第一数模转换器的参考电压引脚连接；第一数模转换器的输出端与处理芯片的模数转换器的输入端连接；第一数模转换器的指令输入端与处理芯片的第一指令输出端连接；第二数模转换器的指令输入端与处理芯片的第二指令输出端连接；第三数模转换器的指令输入端与处理芯片的第三指令输出端连接；第二数模转换器的参考电压引脚以及第三数模转换器的参考电压引脚分别与预设固定电压源连接。
28.该方法包括：a)将第一数模转换器、第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数分别对应设定为第一初始值、第二初始值和第三初始值；b)使电阻应变式传感器工作在额定负载状态下或者使电阻应变式传感器模拟额定负载状态；c)调整第一数模转换器的放大倍数，使得处理芯片的模数转换器采样的数据接近最大值；d)使电阻应变式传感器工
作在空载状态下，并且根据仪器放大电路的放大倍数以及第一数模转换器的放大倍数计算电阻应变式传感器的零点输出数据；e)判断步骤d)中计算获得的零点输出数据是否小于预设的要求值，如果零点输出数据大于或等于预设的要求值，则调整第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数后，重复进行步骤b)至步骤d)，直至步骤d)中计算获得的零点输出数据小于预设的要求值为止。
29.可选地，第一初始值为0.5。可选地，第二初始值和第三初始值均为0。可选地，仪器放大电路的放大倍数被设定为300倍以上。
30.具体原理如下：整套系统主要包括电阻应变式传感器、仪器放大电路、三个独立的dac数模转换器、带有模数转换器adc功能的处理芯片mcu等，如图1所示。电阻应变式传感器的输出信号，与数模转换器dac2(也就是第二数模转换器)和dac3(也就是第三数模转换器)的输出叠加后，成为信号u进入仪器放大器(也就是仪器放大电路)，被放大k1倍成为uk1，仪器放大器的输出uk1作为参考电压，进入数模转换器dac1(也就是第一数模转换器)参考电压引脚，dac1接收mcu(也就是处理芯片)的控制指令，按照模数转换器adc的位数，将输入uk1再放大k2倍(k2≤1)，则进入到处理芯片模数转换器adc的信号为uk1k2。放大倍数k2为可调的控制变量，通过调整k2，使进入到mcu adc模块的传感器额定灵敏度电压值接近adc采样的最大值(例如，90％)，如此，就提升了电阻应变式传感器的分辨率。考虑电阻应变式传感器的输出信号较小，仪器放大器的放大倍数k1可以设定的较大(如300倍以上)，电阻应变式传感器的额定灵敏度输出信号，可以通过标定校准试验获得，也可以用在线校准的模拟方法获得。
31.该方法可以动态调整电阻应变式传感器处理电路的信号放大倍数，并且可以从源头上动态消除传感器的零点输出信号，使信号放大电路仅处理传感器的受力信号，提高电阻应变式传感器的分辨率。
32.可选地，预设固定电压源提供的电压为5v。可选地，第一数模转换器、第二数模转换器以及第三数模转换器的放大倍数的范围均为≤1。
33.具体地，数模转换器dac2和dac3的参考电压为5v，由mcu的指令控制，分别输出为5v电压的k3倍和k4倍，k3和k4都不大于1。电阻应变式传感器工作在空载状态下，通过控制dac2和dac3，放大倍数k3和k4为可调的控制变量，将其输出分别叠加到电阻应变式传感器的两个信号端口，就能消除传感器的零点输出信号。值得注意的是，由于传感器输出信号的两个端口分别由两个dac模块进行叠加消减处理，不论传感器原始零点信号的数值为正或负，都可以将其修正到接近零mv。这样，被放大了k1k2倍的信号u，是消除了电阻应变式传感器零点影响的检测信号，并且信号的有效数据，接近于adc模块采样数值的最大有效值，在最大程度上提高了电阻应变式传感器输出信号的分辨率。用于电阻应变式传感器的信号动态放大和调零系统的调整过程，由图2给出。
34.综上所述，本发明提出的方法从根本上消除了零点信号的影响，动态调整信号的放大倍数，使信号的有效数据接近于adc模块采样数值的最大有效值，在最大程度上提高了电阻应变式传感器输出信号的分辨率。
35.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。