多通道应变仪自动标定系统设计.pdf

第 4 2卷 第 3期 2 01 6年 3月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i n e Aut o ma t i on Vo 1 ． 4 2 NO ． 3 M a r ．2 O l 6 。⋯’ 。 ⋯ i实验研究 专 ． ． ◆ ◆ ◆ ’ 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 3 ～ 0 0 3 1 0 5 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 。 0 3 ． 0 0 7 徐丽娇 ， 刘翔 ， 吉小军． 多通道应变仪 自动标定系统设计E J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 3 3 1 3 5 ． 多通道应变仪 自动标定系统设计 徐 丽娇 ， 刘翔 ， 吉 小军 上海 交通 大 学 仪 器 科学 与工 程 系 ，上海 2 0 0 2 4 0 摘要 针对现有的应 变测量仪标定方式采用单通道手动操作 ， 存在标定过程 费时费力、 效率较低等问题 ， 设计 了一种 以 C o r t e x M3为控 制核 心 的 自动标 定 系统 ， 详 细介 绍 了该 系统 的硬 件和软 件设 计 。该 系统 可将 标准电阻信号输出加载到被标定电桥的输入端， 比对被标定电桥的输 出与理论值 ， 自动计算被标定电桥的精 度 。 实验 结果表 明 ， 该 系统 能够 有效 完成 自动 标 定任务 ， 标 定精 度达 到 0 ． 5 。 关 键词 多通 道应 变仪 ； 信 号 源发 生 器 ； 应 变测量 ；自动标 定 ；惠斯 登 电桥 中图分 类 号 TD 1 7 8 文献 标志 码 A 网络 出版 时问 2 O 1 6 0 3 0 7 1 5 1 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP． 2 O 1 6 0 3 0 7 ． 1 5 1 6 ． 0 0 7 ． h t ml De s i gn o f a u t o c a l i b r a t i o n s ys t e m f o r mu l t i c h a nn e l s t r a i n g a u g e XU De p a r t me n t o f I n s t r u me n t Li j i a o， L I U Xi a n g ， J I Xi a o j u n S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y Sh a ng ha i 2 0 02 4 0，Chi n a Ab s t r a c t I n vi e w o f pr ob l e m of w a s t i ng t i m e a nd e ne r g y a nd l o w e f f i c i e n c y i n c a l i b r a t i ng pr o c e s s o f e x i s t i ng c a l i br a t i o n m e t ho d o f s t r a i n ga u ge s whi c h a d o pt s s i ng l e c h a nne l ma nu a l o p e r a t i o n mod e，a n a ut o c al i br a t i o n s y s t e m b a s e d o n c o r t e x - M 3 M CU wa s d e s i g ne d， ha r d wa r e a nd s o f t wa r e d e s i g n of t he s y s t e m we r e i n t r od uc e d i n de t a i l s ． Th e s ys t e m c a n o ut p ut s t a nd a r d r e s i s t a nc e s i g na l t o i np ut t e r m i n a l o f c a l i b r a t i o n b r i d g e，a n d c a n a u t o ma t i c a l l y c o mp u t e p r e c i s i o n o f c a l i b r a t e b r i d g e t h r o u g h c o mp a r i s o n v a l u e be t we e n a c t ua l o ut pu t s a nd t he o r e t i c a l o ut put s ． Th e e x pe r i m e nt a l r e s u l t s s ho w t h a t t h e s ys t e m c a n p e r f o r m a u t o c a l i b r a t i o n o f s t r a i n g a u g e e f f i c i e n t l y wi t h c a l i b r a t i o n p r e c i s i o n a t 0 ． 5 ％ ． Ke y wo r d sm u l t i c ha n ne l s t r a i n g au ge； s i g na l ge ne r a t or ； s t r a i n m e a s u r e me nt ； a ut o c a l i br a t i o n； W he a t s t o ne br i d ge 0 引 言 应 变测 量 技术 在现 代测 试 系统 中 占据 着 十分 重 要 的地 位 ， 大型 矿 山基建 的关 键 承力部 件 、 机械 动力 部件等在开发和使用过程 中， 都需要通过多点应变 测 量 技 术 对其 状 态 进行 检 测 和 控 制 ， 以确 保设 计 和 运行 过程 的安全 性 。在 多通道 应力 应变 测试 仪 的 使用过程中， 其标定是一项极其重要 的工作。现有 的应变测量仪标定方式一般采用单通道手动操作方 式 ， 标定 过 程 费 时 费 力 ， 效 率 较 低 。 因 此 ， 开 发 出 一 款成本低 、 精度高、 通道多的 自动标定仪具有重要 的实用 意义 。 本 文 以 TI 的 C o r t e x M3系列 MC U 为控 制 核 心 ， 采用 低接 触 电阻 的继 电器 ， 设 计 了一个 带温度 补 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 2 1 5 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 1 2 5 ； 责任编辑 张强 。 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 4 7 5 3 0 6 。 作者简介 徐丽娇 1 9 9 1 -- ， 女 ， 江苏苏州人 ， 硕士研 究生 ， 研究方 向 为嵌 入式 实时 系统在 现代传感 技术 中的应用 ， E - ma i l x l i 2 1 4 1 2 6 ． c o m。 通信作者 吉小军 1 9 6 9 一 ， 男 ， 山西太原人 ， 副教授 ， 研究方 向为现代传感技术及系统 ， E ma i l j x i 1 2 7 s j t u ． e d u ． c n 。 3 2 工矿 自动 化 2 O 1 6年 第 4 2卷 偿 、 支持八通道同步接人的应变仪 自动标定系统 。 系统将标准应变信号输入到应变仪 ， 并获取应变仪 的输出信号 ， 将其与理论值进行 比对 ， 通过标定算法 来获取应变仪的各项性能参数 ， 实现标定 目的。 1电桥测 量原理 应 变 片 是利用 金属 电阻丝 在力 的作用 下伸 长 压缩 ， 引起其阻值变化 ， 从 而实现对应力应变 的测 量 。采 用如 图 1所示 的惠 斯 登 电桥 电路 ， 可将 应 变 引起 的 电 阻 变 化 转 换 成 电压 变 化 来 进 行 测 量[ 4 ] 。 按 电桥 中实际工 作感 知 应 变 的工 作 片 数 量 ， 电桥 的 工作方法包括 1 ／ 4桥 、 1 ／ 2桥、 全桥测量法3 种 ， 以这 3种 电桥 为核 心 的应 变 片测量设 备应 用广 泛 。 图 1 惠斯 登电桥 电路 2系统 硬件 设计 多 通道应 变仪 自动标 定 系统硬 件主体 为一个 标 准应变 信号 源 ， 其 内部 主要 由阻值 切 换 、 组 桥 、 MC U 控制 、 八 通道 输 出 4个模 块组 成 。 应变信号源采用金属膜电阻来模拟应变信号。 结合 常见应 变 片阻 值规 格 和 应 变仪 的工 作模 式 ， 应 变信号源的功能设计如下 能模拟 4种常用基准电 阻 1 0 0 、 1 2 0 、 3 5 0 、 1 0 0 0 n 应变片的应变信号 ； 能调 节全 量 程 范 围 5 内 的 应 变 输 出 ； 3种 组 桥 功 能 1 ／ 4桥、 1 ／ 2桥、 全桥； 八通道信号输 出。 2 ． 1 阻值切 换模 块设计 阻值切换模块主要用于产生不同阻值来模拟应 变信号 。信号 源应 变模拟 范 围为 5 ， 在 量程 内设 有 5个 应 变 模 拟 点 ， 模 拟 点 1 5分 别 为 一 5 、 一 2 ． 5 、 0 、 2 ． 5 、 5 。结合 4种基准阻值 ， 共需要 输出 2 0种不同阻值。模拟点处的理想阻值见表 1 。 在 电路 设计 中， 采 用 了将 电阻 进行 串联 叠 加 的 方法来模拟输出表 1中的这些阻值 。应变阻值切换 电路 设计 如 图 2所示 。 将 图中 R 端 和 R 端 、 R 端 和 R 。 端 之 间 电 阻 串联起 来 ， 即将 2 个 虚线 框分别 视作 整体 ， 记为 电 桥 桥臂 R 、 R 。另 外两 桥臂 R 和 R 。结构 相 同 ， 分 别 有 R 2 1 、 R 2 2 、 R 3 _ 1 、 R3 2 端 。 表 1 应 变模 拟点处 的理想 阻值 图 2应变阻值切换 电路 继 电器 有 常开 和常 闭 2种状 态 ， 图 中所 示 继 电 器 K K 均 打 向常闭端 ， 所 以 ， 所 有 电阻 r 均 被 短 路 ， 于是有 R 一R 一R。若将 继 电器 K 打 向常 开 端 ， 则 K 对 应 的上 下 2个 r就 不 会 被 短 路 ， 会 有 R 一R 一Rr 。同理 ， R 和 R 可 以实 现 输 出 尺、 Rr 、 R2 r 、 R3 r 、 R4 r 五种 不 同 阻 值 ， 如 果 对 R和 r取不 同阻值 ， 就可 以实现 上述 2 0种 电阻输 出 了 。不 同基准 阻值下 的 R 和 r取值 见表 2 。 表 2不 同基 准 阻值 下 的 R 和 r取 值 Q 基准阻值 R r 基准阻值 R r 1 0 0 9 5 2 ． 5 3 5 0 3 32 ． 5 8 ． 7 5 1 2 O 1 1 4 3 1 O O 0 95 O 2 5 2 ． 2组 桥 模 块 设 计 组桥模 块 的作用 是将 上一模 块产 生 的电阻组 成 相应 的 3种 电桥 。为 了便 于说 明 ， 对 电 桥各 端 名 称 作 了约定 E X C、 AGND、 D X 、 DX一 图 1 。 每个 电阻组 都 配 备 3种 不 同 电桥 其 中 1 ／ 2桥 有 2种形 式 。若 单独 设 计 每 个 电桥 ， 则共 需 1 6个 电桥单元， 那电路定会很复杂庞大 ， 所以在设计 中可 以通过 巧妙 复用 电 阻元 件 来 达 到 目的 ， 从 而 在保 证 功能 的前提 下尽 可能地 降低硬 件成 本 。继 电器 控制 阵列 的 电桥模 式控 制 电路如 图 3 所 示 。 由继 电器 G G 来 改 变 电路 间 的拓 扑 关 系 ， 得到相 应 的 电桥 形式 ， 继 电器控 制 逻辑 真 值见 表 3 。 其 中 ， 0表示 打 向常闭端 ， 1表示 打 向常开端 。 2 ． 3通 道 切 换 模 块 设 计 考虑 到 内部 组桥 电路 采用 了多个 元件 共用 的设 2 0 1 6年 第 3期 徐 丽娇 等 多通道 应 变仪 自动标 定 系统设 计 3 3 EXC - -- o i _ 2 , 妻, 鸳 筹 舞 ． AG ND 蠹 A ．j 图 3 电桥模式控制 电路 表 3 电桥模式控制 的继 电器 逻辑 真值 计方 式 ， 并未 将每 个 桥 路 设 计 成 互 不相 干 的独 立 模 块 ， 所 以 ， 在设 计 8条 通 道 的 时候 ， 考 虑采 用 了并 联 式电路 ， 在使用 中采用分时复用 的方法 。通道切换 电路 原 理如 图 4所示 。 EXC DX DX AG ND 图 4通 道 切 换 电路 原 理 2 ． 4 M CU 控 制 模 块 设 计 系 统硬 件控 制 核心选 用 TI 的 C o r t e x M3系列 MC U， 并通过 US B协议和上位机通信 。MC U 模块 的作用是接收上位机 的指令 ， 根据指令准确执行相 应命令 ， 驱动硬件输出相应的电阻值 、 桥型， 并 使能 相 应 的通 道 ， MC U 控 制流 程如 图 5所示 。 本 系统 主 要 使 用 M3的 3个 通 用 口 P D、 P J 、 P H ， 都设置为输出模式 。因继电器的数量较多 ， 所 以 ， 应把防抖动及抗误动作作为设计要求 ， 故在所有 继 电器 的控制 引脚 前 都加 了锁 存 器 ， 以保 持 控 制 信 号 稳 定 。 图 5 MCU 控制 流 程 设计中采用的锁存器型号为 MM7 4 C 3 7 3 ， 该型 号 的锁 存 器具有 8条 通道 ， 可 为 8个 继 电器 提供 控 制信 号 。设 计 中 一 共 采 用 了 7个 锁 存 器 ， P J和 P H 口协同控制 7个锁存器 的状态 输入信号时， 将 锁存器设置为全通 ， 结束操作后将其保持锁存状态 。 P D 口用于给锁存器的 8条通道输送电平 ， 以便用锁 存器 的输 出控 制后 续 的 继 电器 组 ， MC U 控 制 结 构 如 图 6所 示 。 图 6 MCU 控 制 结 构 2 ． 5 系统硬 件 的温 度补偿 本系统 中的信号源对信号精度有较高要求 ， 为 了避免 温度 变化 造 成 系 统较 大 误 差 ， 故 采 用 了 软件 法进行 温 度补偿 。 在恒 温 箱创 造 的恒 温环 境 中 ， 将 各 电路 元 件视 作一个 整 体 ， 测 定 并 估 计 其 整 体 温 度 系 数 ， 即 P P M 值 温度每变化一个单位 ， 电阻随之变化的值 测定 元件在 t 。 一2 5℃时的电阻值 ， 记其为 Q 0 ； 测定元件 在 5 ， 1 5 ， 3 5 ， 4 5℃下 的 电阻值 ， 记相 应 的温度 与阻值 分别 为 t 一 及 Q 一 Q 。估算 P P M 值 的线性 回归 方程 如式 1 所 示 ， 由最 小 二乘 法 求 解 ， 即可 得 到 其 P P M 值 。 Q1 Q。 Q2 Q。 Q3 Q4 Q。 1 PPM 1 温 度 传 感 器 D S 1 8 B 2 0的 测 温 范 围 为 一 5 5 ～ 1 2 5℃ ， 满 足本 系统 的应用 要 求 ] 。考 虑 到硬 件 电 路具有一定面积 ， 故采用了 4个温度传感器 ， 其布局 如 图 7所示 。黑 色实 心 正 方 体代 表温 度 传 感 器 ， 虚 线正方形代表元件单元 ， 取其几何中心作为其坐标。 温 度估 计 算 法 如下 首 先 由控 制 核 心 通 过 I C 总线读 取 4个传 感 器 的读 数 ， 然 后 采 用 基 于距 离 加 权 的线性插值算法估计给定 电阻单元处的温度 。 1 选 定 一 个 温 度 传 感 器 为原 点 ， 与其 在 顺 时 2 0 1 6年 第 3期 徐 丽娇 等 多通 道应 变仪 自动 标定 系统设 计 3 5 一 1 0 o 9 ／ 5 JH 6 大标 准偏差 为 O 0 0 3 ， 重 复性 较 好 ； 测 量 精 度 较 高 ， 为 0 ． 5 。 4实验 与测 试 5结语 为了评估 系统性能 ， 在实验室环境下对系统进 行了模拟标定实 验。取用几 台适合 的多通道应 变 仪 ， 这 些 应 变 仪 包 括 了 1 ／ 4桥 、 1 ／ 2桥 2种 、 全 桥 4种 不 同 的电桥 模 式 以及 4种 不 同 的 基 准 电阻 ， 并 有 5 的应 变范 围 。测试 步骤 如下 1 在上位机面板上设 置基准电阻 、 电桥模式 、 应变范围， 并传输到下位机 ， 驱动标准应变信号源产 生应 变信 号 。 2 将上述信号加 载至应变仪 的输入端 ， 应变 仪 会 给 出测量 值 。 3 利 用所 得 数 据 进行 数 据 分 析 ， 得 到 该 设 备 的各 项性 能 参数 。 实 验 中 ， 对 每个 测 试 点 测试 1 0次 ， 实验 结 果 见 表 4 ， 表 中显示 的数据 为其 均 值 。此 外 ， 为 了标 定 方 便而为 1 ／ 2桥设定了 2种模式， 但其本质相同， 测试 数 据也 一致 ， 故 并成 一栏 。 表 4实验 结果 l l 4 1 ． 0 9 4 1 l 7 0 ．5 5 3 1 2 0 O 1 2 3 1 ． 1 02 1 2 6 0 ． 5 5 5 95 O 9 7 5 1 0 0 0 1 0 2 5 1 0 5 0 1 ． 0 9 8 0 ． 5 5 8 0 1 ． 0 9 3 0 ． 5 5 6 实 验 中 ， 电桥 的 供 电 为 5 V。 实 验 结 果 表 明 ① 模 拟应 变 信号 经过 调 理 电路 放大 后 ， 电桥 的输 出 随着 阻值应变的细微增大而有明显变化 ， 故应变仪 的灵 敏 度 良好 ； ② 电桥 输 出与 应变 量 呈 明显 的线 性 关系， 线性度强 。由应变仪输出 ， 并按其 比例系数可 计算 出实 际测量 的阻值 。 由此 实 验结 果可 得 系统最 多通道应变仪标定系统具有多功能的特点， 能 够 标定 4种基 准 电阻 、 3种 电桥 模 式 、 8条 通 道 的 应 变仪， 数据处理模块能高效输 出应变仪的关键性能 指 标 ， 避 免 了人工 计算 的繁 琐 ， 节约 了计算 时 间。系 统 用户 界面 操作 方 便 快 捷 。实 验 结 果 表 明 ， 该 系 统 可 以有效简化标定过程 ， 提高标定工作效率， 实现应 力 应 变测试 的标 定 自动化 。 参 考文献 张海 ， 刘冲 ， 王大志 ， 等． 应变 电测法监 测无 缝线路 实 际锁定 轨 温 的 变 化 [ J ] ． 传 感 器 与 微 系 统 ， 2 0 1 4 ， 3 3 11 62 - 6 3． 唐胜武 ， 李冰冰 ， 王旭． 多通道压力传感器多参 数 自动 测试系统设 计 [ J ] ． 传 感 器 与微 系 统 ， 2 0 1 4 ， 3 3 1 2 6 4 6 6． 邓天华． 高速旋 转机械动态应力应变测量方法的研究 [ D] ． 北 京 北京工业大学 ， 2 0 1 3 ． 李大应 ， 胡 小方 ， 夏源 明． 电阻应变式高同轴 度筒式拉 压传感器 [ J ] ． 传感 器与微 系统 ， 2 0 0 7 ， 2 6 1 0 9 0 9 1 ． 李育德． 解 析惠斯顿电桥在直流测量电路中的应用方 程[ J ] ． 测控技术 ， 2 0 0 9 ， 2 8 5 9 4 9 7 ． 徐奕 ． 基于 继 电特 性 的继 电器 电路 设计 与分 析 E J 3 ． 电子世界 ， 2 0 1 2 6 4 8 4 9 ． 李钢 ， 赵彦 峰． 1 一 Wi r e总线 数字 温度传感 器 D S 1 8 B 2 0 原理及应用 [ J ] ． 现代电子技 术 ， 2 0 0 5 ， 2 8 2 1 7 7 7 9 ． 吕建波 ． 基 于单 总线 数 字 温 度 传 感 器 D S 1 8 B 2 0的 测温 系统 设 计 [ J ] ． 现 代 电 子 技 术 ， 2 0 1 2 ， 3 5 1 9 1 1 7 11 9 ． 韩小斌 ， 朱永文． 数字式温度传 感器 DS 1 8 B 2 0及 其应 用E J 3 ． 电子技术 ， 2 0 0 2 ， 2 9 5 4 3 4 5 ． 邓阳春 ， 陈 钢 ， 杨 笑 峰． 消除 电 阻应 变片 大应 变测 量 计算误差 的算 法 研 究 [ J ] ． 实 验 力 学 ， 2 0 0 8 ， 2 3 3 2 2 7 2 31 ． 吴 秀芹 ， 高 国伟 ， 李倩 芸 ， 等． 倾 角传感 器 自动标定 系 统的研究E J 3 ． 传感器与微系统 ， 2 0 0 9 ， 2 8 4 5 4 5 5 ． L ABROS S E J J ．Mi c r o C／ OS Ⅱ Th e r e a l t i me k e r n e l [ M3 ．B o c a R a t o n C R C P r e s s ， 2 0 0 2 1 5 - 2 0 0 ． 曹祥根． 基于 ARM 的 C ／ 0 Ⅱ应用研究 [ D 3 ． 成都 四 川 大 学 ， 2 0 0 5 ． 万志江 ， 高辉文 ， 吴静． 自动化标定测试设备信 息交互 平台设 计 与 实 现 [ J ] ．中 国 惯 性 技 术 学 报 ， 2 0 1 2 ， 2 0 3 5 4 5 5 ． 马树 元 ， 韦文楼． 惠斯 登 电桥灵敏 度研 究[ J ] ． 广 西物 理 ， 2 0 0 7 ， 2 8 1 4 2 4 4 ． ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 坞 M [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ O 8 1 5 8 O 5 2 8 6 ． ． 0 4 2 4 2 ． ． 一 一 4 2 2 2 4 2 O 5 2 1 4 2 ． ． O 2 1 2 1 ． ． 一 一 2 1 、 c ＼ 。 。 ～ 5 组 Q 一 一 4 2 一 一 2 1 一 一 1 0 5 2 0 7 5 ％ ％ 。 ～ 组 0 ％ ％ 。 ％ ～ 组 Q H