基于BL2000嵌入式系统的电阻应变测量放大电路的设计

1、·测试与控制·收稿日期:2009-03-05作者简介:亓晓鹏(1973-,讲师,在读研究生。基于BL2000嵌入式系统的电阻应变测量放大电路的设计亓晓鹏1,2(1.青岛科技大学,山东青岛266061;2.莱芜职业技术学院,山东莱芜2711000引言BL2000嵌入式系统是专为工业化产品开发的系统,在硬件方面功能齐全。不需要 用户 二次开发,BL2000已将微处理器、静态RAM 、数字I/O 、A/D 转换、D/A 转换、RJ-45以太网端口、串行口等功能集成在一起,节省了开发周期。本系统使用BL2000嵌入式系统,只需将测量电路直接通过BL2000的ADC 输入通道连入,然

2、后通过软件进行简单的编程即可完成系统数据的A/D 转换和通讯。基于以上优点,本系统使用BL2000嵌入式系统,以实现电阻应变的数据采集。1应变测量电阻应变测量方法是将应变转换成电信号进行测量的方法,简称电测法。其工作原理如图1所示。电测法具有灵敏度高的特点,应变片重量轻、体积小,使用方便,且适用温度范围宽,可在高(低温、高压等特殊环境下使用,测量过程中的输出量为电信号,便于实现自动化和数字化,并能进行远距离测量及无线遥测。应变输出线性好,精度高;具有长期的稳定性,耐久性好;价格低廉;不仅能测量静态,而且对动态和冲击都有优良的响应性1。电测法是实验应力分析中应用最广泛和最有效的方法之一,广泛应用

3、于机械、土木、水利、材料、航空航天等工程技术领域,是验证理论、检验工程质量和科学研究的有力手段。应变测量的对象是应变片,它的构造很简单,对于应变片敏感栅的电阻为:R=L/A (1当应变片工作时,其电阻丝形状发生变化,敏感栅长度L 及敏感栅横截面积随之发生变化,电阻率也将随应变变化而变化通过对上式取对数再微分,我们得到敏感栅电阻阻值的变化与应变之间的关系:荭R/R=K (2这样我们就可以直接或间接测量阻值的变化,通过式(2最终得到引起这种变化的应变值2。本系统采用一个2mA 的恒电流源电路为应变片提供稳定电源。2测量放大电路设计测量电路的设计如图2所示,通过一个恒电流源电路为后续电路提供一个稳定

4、的电源,将电阻应变片直接连入电路,可以得到较好的应变与电阻变化间的线性关系,将被测对象因受力产生的形状变化,进而引起的电阻变化经过放大电路的几级放大,再滤波,这样就可以机电产品开发与创新Development &Innovation of M achinery &E lectrical P roductsMay .,2009第22卷第3期2009年5月摘要:电阻应变测量方法是将应变转换成电信号进行测量的方法。应变电阻输出信号一般很微弱,为了实现BL2000嵌入式系统对完成信号处理,必须对其进行放大。本文介绍了应变测量方法,并在此基础上完成了系统基本放大电路的设计。关键词:电阻应

5、变测量;基本放大电路;BL2000嵌入式系统中图分类号:TN72文献标识码:A文章编号:1002-6673(200903-142-03142·测试与控制·将信号输入嵌入式系统BL2000中进行进一步的数据采集和处理了。传感器将非电量转换为电量时,往往输入电阻、电感、电容等电路参数,需要将这些电路参数转换为易于测量和处理的电压、电流或频率等。由于传感器基本转换电路的类型与传感器的工作原理有关,有时将其看作传感器的组成部分。另外,传感器的输出信号一般很微弱,还可能混有各种噪声,不能直接送入显示装置、执行机构或计算机,需要进行必要的放大、滤波、A/D或D/A转换、各种运算处理,一

6、般将这部分电路与传感器基本转换电路统称为传感器的测量电路或信号调理电路。这里主要完成系统基本放大电路的设计。基本放大电路设计使用了五个运算放大器来完成,运算放大器型号如图2中的标示。首先分别使用一个一倍运算放大器(即跟随器和一个二倍运算放大器通过较长距离的导线与现场的测量应变片连接,这里我们需要考虑两个导线电阻。经过两个放大器放大后,输入到同一个一倍差动放大器里面,这样就可以得到一个电势差值,然后将比较的结果输入到运算放大器中进行放大即可,这里考虑到放大倍数较大,我们采用两个运算放大器来完成对这一电势差的放大。我们知道,当被测量受力后会产生一定的变形,即产生了一定的应变,进而引起贴在被测量表面

7、的应变片的阻值的变化,这里我们令电阻的原阻值为R,阻值的变化量为R。由于应变片放置在现场,环境比较恶劣,因此放大器等信号调理仪器距离应变片较远,这里我们令放大器到应变片的导线电阻和应变片到接地的导线电阻均为r,V1、V2分别是第一个一倍放大器输入与输出信号电势,V3、V4分别是两倍放大器的输入与输出信号电势,V5、V6、V7分别是A1一倍放大器负端与正端的的输入信号电势、输出信号电势,V8为放大电路输出信号电势。电源为一个2mA的恒电流源,应变片的原电阻为R=120k,应变片的阻值变化为1,零点漂移为1,因此R介于02之间。又由于我们选用BL2000的A/D接口,由BL2000的输入接口电压的

8、限制,我们选定输入电压范围为010V。又由电路图,考虑导线电阻r,我们可以求得电势V1、V3,有:V1=I(R+荭R+2r(3 V3=I(R+荭R+r(4根据上述条件进行具体的电路设计和转换关系的推导了。首先我们采用一个一倍跟随器来完成信号的第一步放大,如图3所示,其转换关系为:设计这里采用一同相放大器,如图4所示,则有:V4=(1+R2/R1V3(6为了满足信号放大倍数为2的要求,令R1=R2= 100k,则得到V4=2V3=2I(R+荭R+r(7为了消除导线电阻对测量的影响,这里我们采用了一个差动放大器来消除导线电阻的影响,如图5所示,则有:V5=R61+R4R3荭荭R6+R5V4-R4R

9、3V2(8这里令R3=R4=R5=R6=100k,则有:由于每个电阻的零点不同,尽管电阻的标值均为一定值,但总有一定的偏差,而且每一个电阻的偏差是不同的,即零点不同。为了消除不同零点对测量结果的影响,这里采用一个可调电阻来调节零点,如图6所示。这里要求可调电阻的中点阻值为120,通过可变电阻的电流应同经过应变片的电流相等,则我们可以得到正端电压应为2.4V。本系统采用的调零方法是,测量前首先要测得一组数据,由于每路测量电路的应变片的值都有一定的误差,因此在经过调零放大器时,就会输出一个不为零的值,将测量电路的值记录下来,并储存于系统中,然后再开始测量。测量结果将由BL2000自动执行处理,当然

10、这个处理,我们只需进行简单的编程应用即可。 通过这种调零143·测试与控制· Amplifier Circuit Design of the BL2000-based Embedded Systems Resistance Strain MeasurementQI Xiao-Peng(1.Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao Shandong 266061,China ;2.Laiwu Vocational and Technical College ,Laiwu Shandong 271100,Chin

11、a Abstract :Resistance strain measurement method is to strain conversion to electrical signals measured approach.Strain resistance output sig -nal in general is very weak,in order to achieve BL2000embedded signal processing system to be completed,must be enlarged.This paper introduces the method of

12、strain measurement,and on this basis the system on completion of the basic amplifier circuit design.Key words:resistance strain gauge ;basic amplifying circuit ;BL2000embedded systems方式,不仅达到了系统调零的目的,还可以减轻后续步骤的麻烦,无须人为操作,减少了人为误差的存在,节省了成本。而且只需在更换了新的应变片后,测量一次便可以长期使用,直到再次更换应变片在测量即可,无须反复进行,节省了时间,也提高了效率。由图

13、6,我们可以得到:V 6=IR (10V 7=R 111+R8R 7!"1110V 6-R87V 5(11可调电阻的两端通有与应变片两端相同的电势,将可调电阻的阻值调到与应变片原有阻值相同,这样即可消除放大器输出电势中的IR 项,从而得到输出电势V 与应变片阻值变化R 的对应关系,即:V=I ·R ·A (12由前面部分已知,输出电势V 应介于010V ,则可以得到:A=V =10=2500(13考虑到放大倍数较大,因此我们增加一个运算放大器来完成信号的放大。这样我们将系统信号需要的总的放大倍数进行以下分配,在设计最后两个放大器的放大倍数时,我们只按每个放大器的放

14、大倍数为50来进行设计。若要进行调零操作,及消除V 7中的带R 项,则需使V 6和V 5项的系数相等,由以上可得:R 8R 7=50(14R 111+R 8R 7!"1110=R87(15令R 7=10k ,则可得R 8=500k ,R 10=10k ,R 11=500k ,则式(11可转化为:V 7=-50I ·R (16这一放大器主要是由于单级放大倍数不足,故添加这一放大器来继续完成信号电势的放大。又考虑到嵌入式系统BL2000的A/D 接口设计的接收信号电压为010V ,所以这一步的放大器采用了一个反相放大器。这样就可以得到我们所期望范围内的测量信号电势。由图7反相放大器电路图我们可以得到:V 8=-R 13R 12V 7(17R 14=R 12/R 13(18令R 12=10k ,又由放大倍数为50,即:R 13R 12=50(19这样我们得到R 13=500k ,R 14=9.8k 。又知道I=2mA ,这样我们得到电阻变化R 与输出信号电势V 8之间的