技术领域
[0001] 本
发明涉及测控技术领域，具体的说，是一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统。
背景技术
[0002] 材料
力学试验中经常采用应变表征材料损伤演变过程，通过测量材料的局部应变演变过程可以用于预测与评价材料的损伤。含能材料部件属于高
弹性模量材料，在力或者热等外在
载荷激励下，自身内部
应力分布将发生变化，通过多点布置应变
传感器即可观察到各点应变的变化。含能材料部件在力或者热载荷激励下，其应变变化范围约为100～104με，在不同数量级上的应变数值均具有不同的结构强度与结构力学意义，这对横跨4个数量级的宽范围测量与高精度测量提出了需求。随着装备向高可靠性方向发展，对装备中的结构薄弱部件进行植入式在线监测需求越来越大，对于应变测试系统的小型化提出了直接需求。相比于半桥与全桥应变测量方法，单臂桥具有传输线路少、线路连接简单等优点，广泛应用于常温应变测试工程领域。现有的适用于静态单臂桥应变测量的调理技术无法满足植入式在线监测中对应变测试系统的宽高精度、宽范围、小型化、低电源与低功耗的需求。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，用于解决
现有技术中静态单臂桥应变测量的调理系统无法满足植入式在线监测中对应变测试系统对高精度、宽范围要求的问题，以及无法满足低电源与低功耗的问题。
[0004] 本发明通过下述技术方案解决上述问题：
[0005] 一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，包括应变传感器以及与应变传感器连接的用于将力学应变量转化为微伏级的
电压量的应变信号转换功能
块，所述应变信号转换功能块的输出端依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微
控制器功能块，应变信号转换功能块还依次连接有用于给应变信号转换功能块提供电源的桥源功能块和用于实时采集桥源电压的桥
压实时回采功能块，所述桥压实时回采功能块与所述
微控制器功能块连接，所述固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有
硬件归零功能块；所述桥源功能块采用专用电源集成
电路，所述桥压实时回采功能块依据桥源功能块允许误差设计和计算
模数转换最低位数；所述固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型
仪表放大器，所述低噪声差分输入型
仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。
[0006] 应变传感器连接应变信号转换功能块，实现将力学应变量转化为微伏级的电压量，桥源电路为应变信号转换功能块提供电源，微伏级应变信号连接低噪声差分输入型仪表放大器实现一级放大，一级放大后的信号连接低通
滤波器实现滤波，滤波后的信号通过程控放大模块进行二级放大，二级放大后的信号经过模数转换后输入微控制器功能块实现信号采集。桥压实时回采功能块将桥源电压实时采集，硬件归零功能块通过测量零负载下的应变信号输入，经过
数模转换后输出为低噪声差分输入型仪表放大器的归零参考电压，实现高精度硬件归零。利用一级放大的差分输入与差分输出，二级放大额差分输入，传输线路的电容交流滤波、级间低通滤波等提高信号
质量的
信号处理方法，实现了应变信号高精度测试，其中，传输线路电容交流滤波设置在固定增益放大功能块的差分
输入信号的正负信号端，采用电容直接接地方式实现；级间低通滤波接收固定增益放大功能块信号，通过
低通滤波器滤波后，输出到程控增益放大模块。
[0007] 进一步地，所述固定增益放大功能块的增益A1设计方法为：
[0008] 步骤S100：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压具体包括：
[0009] 步骤S110：计算等臂电桥的单臂应变测试中，空载下由于电阻精度误差所致的
输出电压偏差ΔUin：
[0010]
[0011] 其中：K表示应变传感器的灵敏度系数；Us表示
惠斯登电桥电压；R1表示单臂应变传感器的特征阻值；R2～R4分别表示等臂电桥中桥臂电阻；ΔR2～ΔR4分别表示桥臂电阻的误差值，ΔR1表示单臂应变传感器特征阻值的最大偏差值；e2～e4分别表示桥臂电阻的误差率，其中e1表示单臂应变传感器偏离特征阻值的最大误差率；
[0012] 步骤S120：固定增益放大器的内部噪声所致的等效输入噪声电压ΔUnrms的计算方法为：
[0013]
[0014] 其中：B为静态应变测量中设计的低通滤波带宽；
[0015] Vn为固定增益放大功能块的等效输入噪声电压；
[0016] 步骤S130：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压[0017]
[0018]
[0019] 步骤S200：确定固定增益放大功能块的增益A1，具体为：
[0020] 根据空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压 确定固定增益放大功能块的增益A1，
[0021] 其中，URefAdS为固定增益放大功能块的参考电压； 为程控放大模块的最小增益值。
[0022] 进一步地，所述程控放大模块包括程控增益放大功能块、ADC和程控增益电阻，所述程控增益放大功能块的输入端连接所述滤波模块，程控增益放大功能块的输出端连接所述ADC的输入端，所述ADC的输出端与所述微控制器功能块连接。
[0023] 进一步地，所述程控增益放大功能块的程控增益 其中i标识程控增益级别，i＝1,2,3,4；程控增益 的选择方法为：
[0024] 步骤A1：测试前设定程控增益放大功能块的初始增益为最高级增益[0025] 步骤A2：判断程控增益放大功能块放大后的信号Uin是否在 之间；若在区间内，则增益不调整，当前增益为本次测量选择的增益，结束；
[0026] 若高于上限值，则进入下一步：
[0027] 步骤A3：降低一级程控增益级别，返回步骤A2。
[0028] 进一步地，还包括：
[0029] 步骤A4：后续测量中以上次测量的增益为增益初值；
[0030] 步骤A5：测量后判断放大后的信号是否在 之间，
[0031] 如果是，则选择当前增益为本次测量选择的增益，结束；
[0032] 若高于上限值，则进入步骤A6；
[0033] 若低于下限值，则进入步骤A7；
[0034] 步骤A6：降低一级程控增益级别，返回步骤A5；
[0035] 步骤A7：提高一级程控增益级别，返回步骤A5。
[0036] 进一步地，所述硬件归零功能块包括归零DAC，所述归零DAC中计算并输出归零电压值的步骤为：
[0037] 步骤一：获得空载下的测量输出 同时记录该输出对应的程控放大模块的程控增益
[0038] 步骤二：计算归零电压初值
[0039] 步骤三：通过微控制器功能块与归零DAC将归零电压初值 传输到固定增益放大功能块的参考电压端，作为参考电压输入端初值
[0040] 步骤四：采用自动控制理论设计快速归零计算控制器，计算归零电压值，具体为：
[0041] (1)以设定的归零后应变输出值Uos为输入量，以实时应变输出值Uo作为被控量和反馈量，输出归零电压Uz，被控对象由固定增益放大功能块和程控放大模块组成；
[0042] (2)选用带积分初始值的连续量调节方法计算归零电压Uz：
[0043]
[0044] 其中， 为积分初始值，数值上为测试启动归零时刻采集到的固定增益放大功能块的输出值，即 为设定的归零应变值Uos与尚未完全归零时的应变输出值Uo的差值，即e(t)＝Uos(t)-Uo(t)；Kp、Ti与Td为调节归零效率的调节值；
[0045] (3)计算归零电压时，以设定应变输出值为0με，控制器可快速实现实时应变输出低于1με，停止归零过程后，停止时刻的归零电压控制器的输出值即为应变测量时候的归零电压值。
[0046] 为避免
电子元件精度、噪声与干扰等造成获取的归零电压震荡问题，采用自动控制理论设计快速归零计算控制器，可快速计算出稳定的归零电压值，实现高效归零。
[0047] 进一步地，所述桥源电压回采功能块包括桥压精确测定电路，所述桥压精确测定电路用于实现满足4个数量级跨度的
分辨率，桥压精确测定电路的实现方法为：
[0048] 1)根据应变输出值 计算低限εMin＝1με时，满足低限测量的最少位数NPoSa：
[0049]
[0050] 其中，A1为固定增益放大功能块的增益； 为程控增益放大功能块的程控增益；为程控增益放大功能块的最高级增益；
[0051] 2)应变采集中控制应变电压的分辨率，应变信号
采样分辨率与桥源电源采样分辨率相同；
[0052] 3)归零DAC的电压数模转换分辨率设计方法：
[0053] 根据设计的最大归零误差计算出采样分辨率下的误差值ΔUOAd，计算公式为：
[0054]
[0055] 计算归零数模转换位数NDac输出的误差值ΔUODa，数值上
[0056] 由误差值ΔUODa不大于最大归零误差，计算出采样分辨率的误差值的最小归零数模转换位数NDac，即：
[0057] 4)固定增益放大功能块的等效输入噪声电压ΔUnrms在数值上应低于低限εMin下的应变信号转换功能块的输出电压 的一半，数值上
[0058] 进一步地，所述桥源功能块中抑制桥源噪声与漂移所致误差的方法为：
[0059] (一)桥源功能块采用专用电源集成电路，并按照桥源最大允许误差ΔUAllowPower设计桥压实时回采功能块的模数转换最低位数：
[0060] 桥源功能块的最大误差ΔUpower≤1.5×ΔUAllowPower；
[0061] 模数转换最低位数
[0062] 其中，URefAd为桥压实时回采功能块中模数转换的参考电压，n为模数转换中的最小模数转换位数；
[0063] (三)同时测量桥源电压与应变信号，通过滑动窗口均值滤波方法计算抑制高频尖峰干扰后的桥源电压值和应变值，采用桥源电压对应变值进行补偿方法计算得到真实应变值，具体为：
[0064] 设应变测量系统测试的应变信号值为 系统标定后可计算出应变值ε；
[0065] 采用滑动窗口求取均值的方法计算均值处理后的桥源电压与应变值测量，计算公式为：
[0066] 以及
[0067]
[0068] 获得此次测量过程中的桥压值 和应变测量值εt；
[0069] 通过公式 计算出实际应变值。
[0070] 按照小型化、低功耗与高精度的原则，设计应变信号转换功能块中的高精度桥源电路，并按照电源器件噪声与温漂等主要误差源选型专用电源集成电路；按照桥源允许误差设计桥源电压回采电路并计算回采电路的模数转换最低位数；设计高精度应变测试中抑制桥源干扰与噪声等误差的方法，实现高精度应变测量中对桥源噪声与漂移所致误差的抑制功能。
[0071] 本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
[0072] (1)本发明按照高精度应变测量调理系统的技术指标，分解设计出各个功能块的最大允许误差与精度要求，实现整体调理系统的高精度性能设计；并选择满足电路基本功能与高精度抗干扰低噪声性能要求的集成度更高、功能更全、封装更小、电源需求更低的集成电路，实现电路功能。
[0073] (2)本发明通过
软件替代部分硬件功能的实现，以减少硬件器件的数量，实现整体调理系统的小型化设计。
[0074] (3)本发明采用自适应程控增益方法，实现一级放大后的低数量级测量值高倍率二级放大、而一级放大后的高数量级测量值低倍率二级放大，最终实现宽范围±(100～104με)应变测试要求下的高精度测量±(5με)。
[0075] (4)本发明实现4个数量级跨度的相同测试精度的宽范围高精度测试信号处理总体方法为：通过差分输入、交流信号小电容滤除、中间级低通滤波、线路抗干扰设计等硬件技术，抑制各种噪声与干扰对测试信号的影响；通过桥源电压回采分辨率、应变信号采集分辨率、归零电压数模转换分辨率等设计，消除信号转换分辨率对测试精度的影响；通过硬件归零、两级放大与第二级程控放大，可消除前置仪表放大器噪声、电桥电阻精度、元器件
温度漂移与其他元器件噪声对测试精度的影响。
附图说明
[0077] 图2为程控增益放大功能块的增益选择方法
流程图；
[0078] 图3为归零电压值的快速计算控制系统功能图。
具体实施方式
[0079] 下面结合
实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0080] 实施例1：
[0081] 结合附图1所示，一种宽范围高精度的静态单臂桥电阻型应变测量信号调理系统，包括应变传感器以及与应变传感器连接的用于将力学应变量转化为微伏级的电压量的应变信号转换功能块，所述应变信号转换功能块的输出端依次连接固定增益放大功能块、滤波模块、程控放大模块和微控制器功能块，应变信号转换功能块还依次连接有用于给应变信号转换功能块提供电源的桥源功能块和用于实时采集桥源电压的桥压实时回采功能块，所述桥压实时回采功能块与所述微控制器功能块连接，所述固定增益放大功能块的参考端与微控制器功能块之间还连接有硬件归零功能块；所述桥源功能块采用专用电源集成电路，所述桥压实时回采功能块依据桥源功能块允许误差设计和计算模数转换最低位数；所述固定增益放大功能块采用低噪声差分输入型仪表放大器，所述低噪声差分输入型仪表放大器的正负输入端分别连接有接地电容，固定增益放大功能块与程控放大模块之间连接有极间电容。
[0082] 应变传感器连接应变信号转换功能块，实现将力学应变量转化为微伏级的电压量，桥源电路为应变信号转换功能块提供电源，微伏级应变信号连接低噪声差分输入型仪表放大器实现一级放大，一级放大后的信号连接低通滤波器实现滤波，滤波后的信号通过程控放大模块进行二级放大，二级放大后的信号经过模数转换后输入微控制器功能块实现信号采集。桥压实时回采功能块将桥源电压实时采集，硬件归零功能块通过测量零负载下的应变信号输入，经过数模转换后输出为低噪声差分输入型仪表放大器的归零参考电压，实现高精度硬件归零。利用一级放大的差分输入与差分输出，二级放大额差分输入，传输线路的电容交流滤波、级间低通滤波等提高信号质量的信号处理方法，实现了应变信号高精度测试，其中，传输线路电容交流滤波设置在固定增益放大功能块的差分输入信号的正负信号端，采用电容直接接地方式实现；级间低通滤波接收固定增益放大功能块信号，通过低通滤波器滤波后，输出到程控增益放大模块。
[0083] 实施例2：
[0084] 在实施例1的
基础上，所述固定增益放大功能块的增益A1设计方法为：
[0085] 步骤S100：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压具体包括：
[0086] 步骤S110：计算等臂电桥的单臂应变测试中，空载下由于电阻精度误差所致的输出电压偏差ΔUin：
[0087]
[0088] 其中：K表示应变传感器的灵敏度系数；Us表示惠斯登电桥电压；R1表示单臂应变传感器的特征阻值；R2～R4分别表示等臂电桥中桥臂电阻；ΔR2～ΔR4分别表示桥臂电阻的误差值，ΔR1表示单臂应变传感器特征阻值的最大偏差值；e2～e4分别表示桥臂电阻的误差率，其中e1表示单臂应变传感器偏离特征阻值的最大误差率；
[0089] 步骤S120：固定增益放大器的内部噪声所致的等效输入噪声电压ΔUnrms的计算方法为：
[0090]
[0091] 其中：B为静态应变测量中设计的低通滤波带宽；
[0092] Vn为固定增益放大功能块的等效输入噪声电压；
[0093] 步骤S130：计算空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压[0094]
[0095]
[0096] 步骤S200：确定固定增益放大功能块的增益A1，具体为：
[0097] 根据空载下的固定增益放大功能块的最大输入等效偏差电压 确定固定增益放大功能块的增益A1，
[0098] 其中，URefAdS为固定增益放大功能块的参考电压； 为程控放大模块的最小增益值。
[0099] 实施例3：
[0100] 在实施例1或2的基础上，所述程控放大模块包括程控增益放大功能块、ADC和程控增益电阻，所述程控增益放大功能块的输入端连接所述滤波模块，程控增益放大功能块的输出端连接所述ADC的输入端，所述ADC的输出端与所述微控制器功能块连接。
[0101] 进一步地，所述程控增益放大功能块的程控增益 其中i标识程控增益级别，i＝1,2,3,4；程控增益 的选择方法如图2所示：
[0102] 步骤A1：测试前设定程控增益放大功能块的初始增益为最高级增益[0103] 步骤A2：判断程控增益放大功能块放大后的信号Uin是否在 之间；若在区间内，则增益不调整，当前增益为本次测量选择的增益，结束；
[0104] 若高于上限值，则进入下一步：
[0105] 步骤A3：降低一级程控增益级别，返回步骤A2。
[0106] 进一步地，还包括：
[0107] 步骤A4：后续测量中以上次测量的增益为增益初值；
[0108] 步骤A5：测量后判断放大后的信号是否在 之间，
[0109] 如果是，则选择当前增益为本次测量选择的增益，结束；
[0110] 若高于上限值，则进入步骤A6；
[0111] 若低于下限值，则进入步骤A7；
[0112] 步骤A6：降低一级程控增益级别，返回步骤A5；
[0113] 步骤A7：提高一级程控增益级别，返回步骤A5。
[0114] 实施例4：
[0115] 在实施例3的基础上，如图3所示，所述硬件归零功能块包括归零DAC，所述归零DAC中计算并输出归零电压值的步骤为：
[0116] 步骤一：获得空载下的测量输出 同时记录该输出对应的程控放大模块的程控增益
[0117] 步骤二：计算归零电压初值
[0118] 步骤三：通过微控制器功能块与归零DAC将归零电压初值 传输到固定增益放大功能块的参考电压端，作为参考电压输入端初值
[0119] 步骤四：采用自动控制理论设计快速归零计算控制器，计算归零电压值，具体为：
[0120] (1)以设定的归零后应变输出值Uos为输入量，以实时应变输出值Uo作为被控量和反馈量，输出归零电压Uz，被控对象由固定增益放大功能块和程控放大模块组成；
[0121] (2)选用带积分初始值的连续量调节方法计算归零电压Uz：
[0122]
[0123] 其中， 为积分初始值，数值上为测试启动归零时刻采集到的固定增益放大功能块的输出值，即 e(t)为设定的归零应变值Uos与尚未完全归零时的应变输出值Uo的差值，即e(t)＝Uos(t)-Uo(t)；Kp、Ti与Td为调节归零效率的调节值；
[0124] (3)计算归零电压时，以设定应变输出值为0με，控制器可快速实现实时应变输出低于1με，停止归零过程后，停止时刻的归零电压控制器的输出值即为应变测量时候的归零电压值。
[0125] 为避免电子元件精度、噪声与干扰等造成获取的归零电压震荡问题，采用自动控制理论设计快速归零计算控制器，可快速计算出稳定的归零电压值，实现高效归零。
[0126] 进一步地，所述桥源电压回采功能块包括桥压精确测定电路，所述桥压精确测定电路用于实现满足4个数量级跨度的分辨率，桥压精确测定电路的实现方法为：
[0127] 1)根据应变输出值 计算低限εMin＝1με时，满足低限测量的最少位数NPoSa：
[0128]
[0129] 其中，A1为固定增益放大功能块的增益； 为程控增益放大功能块的程控增益；为程控增益放大功能块的最高级增益；
[0130] 2)应变采集中控制应变电压的分辨率，应变信号采样分辨率与桥源电源采样分辨率相同；
[0131] 3)归零DAC的电压数模转换分辨率设计方法：
[0132] 根据设计的最大归零误差计算出采样分辨率下的误差值ΔUOAd，计算公式为：
[0133]
[0134] 计算归零数模转换位数NDac输出的误差值ΔUODa，数值上
[0135] 由误差值ΔUODa不大于最大归零误差，计算出采样分辨率的误差值的最小归零数模转换位数NDac，即：
[0136] 4)固定增益放大功能块的等效输入噪声电压ΔUnrms在数值上应低于低限εMin下的应变信号转换功能块的输出电压 的一半，数值上
[0137] 实施例5：
[0138] 在实施例1的基础上，所述桥源功能块中抑制桥源噪声与漂移所致误差的方法为：
[0139] (一)桥源功能块采用专用电源集成电路，并按照桥源最大允许误差ΔUAllowPower设计桥压实时回采功能块的模数转换最低位数：
[0140] 桥源功能块的最大误差ΔUpower≤1.5×ΔUAllowPower；
[0141] 模数转换最低位数
[0142] 其中，URefAd为桥压实时回采功能块中模数转换的参考电压，n为模数转换中的最小模数转换位数；
[0143] (三)同时测量桥源电压与应变信号，通过滑动窗口均值滤波方法计算抑制高频尖峰干扰后的桥源电压值和应变值，采用桥源电压对应变值进行补偿方法计算得到真实应变值，具体为：
[0144] 设应变测量系统测试的应变信号值为 系统标定后可计算出应变值ε；
[0145] 采用滑动窗口求取均值的方法计算均值处理后的桥源电压与应变值测量，计算公式为：
[0146] 以及
[0147]
[0148] 获得此次测量过程中的桥压值 和应变测量值εt；
[0149] 通过公式 计算出实际应变值。
[0150] 尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的
修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本
申请公开的原则范围和精神之内。
