应变测量的原理及恒压／恒流源的应用电路设计

1、引 言

在工程实践中，应力变化的测量是一个十分重要又要求甚高的领域。由于应变测量属于微弱信号测量，需要检测出几十微欧的变化，为减少非线性误差，所以常常采用差动电桥，恒流源或者恒压源的测量方案，其中恒压／恒流源的精密程度直接决定了应变测量的精密程度。这就提出了对高精密度的恒压／恒流源要求。

2、 应变测量原理及其要求

应变片测量应变时是利用电阻丝的电阻率随丝的变形而变化的关系，把力学参数转化成与之成比列的电学参数。应变片在工作过程中引起的是电阻的变化。通过测量电桥的微小电阻变化转换成电压或电流的变化，再经过放大器放大，并根据某一比列常数关系，将其变换成试件的应变值面展示出来。完成上述工作的仪器叫做应变仪。其原理如图1所示。

应变片所感受的机械应变量一般为10-6-10-2，随之而产生的电阻变化率也大约在10-6～10-2数量级之间。这样小的电阻变化一般的电阻测量仪表很难测出，所以必须采用一定形式的测量电路将微小的电阻变化率转化成电压或电流的变化，才能用电子仪表纪录或显示出来。

测量电路至少满足下面两个要求：

（1）测量电桥和其激励都应当有足够高的精度，并可根据测试的不同要求，可灵活控制激励大小。

（2）能将微量的电阻变化率转变成电压或电流的变化，并具有足够高的灵敏度。

本文详细探讨精密可程控恒压恒流源的发生、控制、驱动的设计。

3 、激励源方案设计

应变仪对桥源的精度要求很高，所以在电源的设计过程中一定要注意电源的精度能够达到要求。电源除了要满足精度要求以外，为了满足不同的应用场合，应变仪还要求电源能提供电压源和电流源两中不同的电桥形式。当仪器仪表输出的模拟信号需要传输较远距离时，一般采用电流信号而不是电压信号，因为电流信号抗干扰能力强，信号线电阻不会导致信号损失。电流大小由负载大小决定，一般为0 mA～20 mA。当智能仪器输出的模拟信号需要传输给多个仪器仪表时，一般采用直流电压信号而不是直流电流信号。这是因为，如果采用直流电流信号，为了保证多个接收信号的设备获得同样的信号，必须将他们的输入端互相串联起来。这就导致了一个不可靠的因素，当任何一个接收设备发生断路故障时，其他接收设备也会失去信号。而且，互相串联的各个接受设备也会失却信号。而且，互相串联的各个接受设备对地的电位不等，也会引出一些麻烦。 同时为了增加应变仪使用的灵活性和广泛性，本设计研制了可程控电源。所谓程控电源就是能够按照预先设定好的程序和数值自动控制电源设备的输出（电压或电流），使其稳定在给定数值。

为满足本设计中电阻应变仪对桥源的不同需求，给出如下的激励源设计指标：

（1）恒压源：0V～8V，输出电流稳定度好于0.01％。

（2）恒流源：0mA～20mA，输出电流稳定度好于0.02％。

4 、程控恒压源基准电路

如图2所示，在本模块中，为了保证设计精度我们选用16位可编程D／A转换器，这样我们可以使其步长为10W（216）≈0.152mV。所以当我们的电压激励为2V时，16位DAC电压输出的最大误差为，所以其完全符合系统设计要求。我们选用的DAC是DAC 7731EC，并陪以MAX 6225的2.5 V外部参考电压源，以最小程度的减小非线性误差，最大误差仅为1LSB。到此，我们从DAC得到了高精度的恒定电压，但是由于DAC带负载的能力很差，不能驱动后面的V／I选择电路和恒压恒流源驱动电路，则我们需要在DAC输出之后加一个驱动电路，在这里我们选择的是高精度运算放大器OPA 227。从图中可以一开到我们是用的是开环连接方式，这样即可以实现最大电压值以控制场效应管的G端又能达到电压隔离的目的。

5、 V／I选择电路及驱动电路

由于对同一负载电桥在不同情况下，需要使用恒压源或者恒流源，所以我们需要在桥源部分有个无电阻值（以保证使用恒压源时不会对负载桥源产生分压），精密的V／I选择切换电路。同时又由于在负载使用恒流源时，需要具有低漂移，高精度，而大功率的驱动电路，一般的精密仪表放大器难以同时满足以上条件。所以在本文中我们采用了一个全新方法来产生高精度，且大电流的恒流源方式。

5.1恒压源驱动电路

如图3所示，假设此时DAC输出的标准电压值为8 V，则同过开环连接的精密放大器OPA 227的输出端输出12V的电压到场效应管IRF 840的G端，以控制其开闭。同时从OPA 227负端输出同样的标准电压值8V至继电器的COM端。通过ON／OFF控制信号，使继电器的COM端和ON端连通。由于继电器的内阻非常小，可以忽略不计，所以可以认为其无分压效应，则其外接负载电桥的1端电压为标准的8V，而其2端通过继电器接地。同时对于IRF840的G端和S端，它们的电压为VGS=4V，而VDS=4V，由场效应管的输出特性可知，此时在场效应管可以通过最大1 A的电流，但是在本设计中电流大小由DAC产生的精密、低误差电压值（在此为8V）和负载电桥阻值决定，而+12V电源和其保护电阻R1只起到提供电流的作用。

通过以上设置，我们可以在为外接负载电桥提供精密程控恒压源的同时，避免了从应变仪本身电源引入得噪声。因为通常应变仪使用外部220V交流电源，再在应变仪内部经过交直流变换得到直流电压源（如+12V），但是这样做通常会在应变仪的电源之中留下很强的工频噪声。对于测试微小应变的电桥来说，显然这些噪声是不可接受的。而本设计的好处就在于，我们既通过DAC产生的电压外接负载电桥提供了高精度的恒压基准，又由仪器本身的电源通过场效应管提供驱动电流，在大幅提高应变仪带负载能力的同时，有效地将噪声减之最小。

5.2恒流源驱动电路

同样如图4所示，当继电器的COM端和OFF端相接触时。此时外接负载电桥的2端通过继电器连接的一个400Ω的精密电阻接地，与此同时2端还与基准电压电路输出的精确电压值V-COM通过继电器相连。同时电桥的1端仍然和场效应管的S端连在一起。我们仍然设V-COM=8 V，则此时场效应管的VGS=4V而VDS》0V，所以场效应管处于打开状态。而流过负载电桥的电流，由基尔霍夫定律可知：从负载电桥的1端流入电桥的电流，I1等于从其2端经精密电阻流人大地的电流I2。而此时I2的大小是可以通过电压基准电路输出的的精密电压值V-COM与精密电阻R2控制的。同时和恒压源一样应变仪自身的+12V电源和场效应管只是提供负载电桥的电流，但不能决定其大小。所以我们同样实现了在为外接负载提供精密低误差的恒流源的同时，有效隔离了仪器本身电源引入的噪声。

6、结束语

通过对DAC，场效应管和继电器的有效组合，组成了满足应变测试要求的精密，低误差，低噪声的程控恒压／恒流源。通过DAC为负载电桥生成精密的基准电压或电流值，但是通过仪器本身的电源提供负载的驱动电流。这样既解决了一般的桥源驱动能力不强的问题，又有效的隔离了应变仪电源本身所带的噪声。同时我们通过FPGA对继电器的控制，灵活地在恒压源和恒流源之间进行了选择切换，使其在同一时刻只有一种激励源在使用之中，有效的降低了电路的功耗。总之，相比于其他用于应变仪的桥源，本设计体积更小，功耗更低，配置灵活同时也达到了测量要求。本设计已经成功应用于实际的应变仪之中，通过实际试验与使用，其达到了设计标准。

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