应变测试信号处理电路

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应变测试信号处理电路设计

摘要：电阻应变式传感器应用十分广泛。利用电阻应变式传感器作为转换器件进行力的测试是一种常用的测力方法，但是由应变传感器直接输出的信号很微弱，需进行信号调理才能进行数字化处理。本文通过对应变传感器输出信号的分析，设计了一种高精度应变测试放大滤波电路作为微弱应变信号的前置处理电路。电路以高精度仪表放大器AD620与高精度运放OP07作为核心器件。经过实验证明其效果良好，线性失真很低，满足工程运用的要求。 0 引言

电阻应变式传感器应用十分广泛，一般采用桥式电路结构，从应变传感器所获得信号常为差模微弱信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。这就要求前置测量放大电路具有高增益、高精度、低噪声、低漂移、高共模抑制比等特点。仪表用放大器AD620是一种低功耗的仪用放大器，增益可调节，还具有高输入阻抗和高共模抑制比，特别适合做小信号的前置放大级。OP07为高精度运算放大器，噪声低，具有极低的输入失调电压及温漂，与阻容构成有源放大滤波电路，做为电路的第二级。通过级联方式对应变电桥输出的小信号进行放大滤波。 1 电阻应变电桥工作原理

应变片是常用的测力传感元件，通过测量应变片电阻值的变换来确定力的变化。常将应变片构成经典的电桥电路，组桥电路常用直流电桥，交流电桥，差动电桥。本文采用直流电桥。设桥臂四个电阻静态时R1=R2=R3=R4=R，电桥平衡时(无应变发生)电桥没有信号输出。发生应变时，电桥失衡，电桥会又应变信号输出。设电阻的相对变化率分别为ΔR1／R1，ΔR2／R2，ΔR3／R3，ΔR4／R4。一个应变片组成单臂电桥时ΣR=ΔR／R；两个应变片组成差对状态工作即半桥电路(见图1)，则有ΣR=2ΔR／R；用四个应变片组成两个差动工作即全桥电路时，ΣR=4ΔR／R。由此可知单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。以半桥电路为例，如图1所示，R1=R2=R3=R4=R应变片构R1，R4成差动工作片，其形变大小均为ΔR，但是极性相反。其输出电压Uo与输入电压Ui的计算关系为：

2 应变测试电路总体框图

本系统主要由系统供电电源模块、应变电桥稳压模块、电阻应变桥式电路、前置放大电路、第二级放大滤波电路、电压跟随器等6部分组成，电路总体框图如图2所示。电源模块主要为其他模块提供稳定可靠的电压；应变桥式电路作为信号转换电路把力信号转换成电压信号；前置

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放大电路主要由高精度仪用运算放大器AD620为核心，对输入信号进行前置放大并对噪声进行有效抑制；放大滤波电路作为后级放大器，同时也起到了低通滤波的作用。

3应变测试电路

电阻桥式电路输出的差模应变信号很小，大概在mV级。基于信号的该特点，放大器的设计主要是高增益，高共模抑制比，低噪声。一方面。提高增益的最直接的措施是采用多个放大器级联，但这种结构在提高增益的同时也引入了噪声干扰，而且级

数越多引入电路的传输函数极点越多，造成系统不稳定，一般不选择三级以上级联方式，常用两级级联方式。多级放大电路总噪声主要取决于第一级。AD公司生产的仪用集成运放AD620在抑制噪声、增益、漂移方面都有优异的特性，是解决微信号前置放大问题的廉价方案。 3．1应变桥稳压模块

由于应变片输出的信号微弱，其供桥电压需要相对稳定，利用LM7805稳压芯片使其电压稳定在5 V，也避免了再额外增加供电模块。 3．2应变电桥

理论上全桥电路能产生最大的灵敏度，但是具体的接桥电路还应视实际的应用环境。本设计使。用于不易接成全桥电路的环境。采用两片应变片，一片为工作片，一片为补偿片(与工作片成90℃粘贴)，两应变片连接在相邻桥臂，有温度补偿功能。桥臂上电位器用于电桥调零。 3．3前置放大电路

采用高精确、噪声低、高性能、低成本的仪表放大器AD620构成差分放大电路，如图3所示能有效去除共模干扰，接线路结构简单，只需通过外接一个电阻可以精确放大所需倍数，本电路外接499Ω电阻将应变电桥输出的信号精确放大A1=100倍。 3．4第二级放大滤波与电压跟随电路

OP07是高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，低温漂，低的输入噪声、电压幅度及长期稳定等特点，与电阻电容构成有源低通滤波电路，兼有放大功能。随后接电压跟随器与模数转换电路连接，如图4所示。当采集信号为低频信号时，要根据欲采集的应变信号来设定低通截止频率。本电路采用阻容配置成截止频率为fp=1／（2πR1C7）= 72.38Hz完全满足本次

R9设计的滤波功能。放大倍数可以视实际需要进行匹配，此处设置的电路的放大倍数A2==10。

R7

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图4放大滤波与电压跟随电路

在电路中，电压跟随器做缓冲级及隔离级。电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲，尽量减少信号的衰减。起到承上启下的作用。由R10、C10阻容配置的低通截止频率与前级一致。由此输出的信号可直接用于AD转换器进行数字化处理。 4 实验结果分析

4.l 验证电路的放大功能

实验室条件下，采用应变仪做标定。一个微应变对应0.002mV，然后测得100、300、500、1000不同微应变时所对应的电压值，其实际测量结果见表1。实验数据的误差主要来源于元器件内部与连接线路噪声干扰，测量仪器的误差．由此可以看出电路有精确的放大系数，线性度优良。

表1 放大实验测量结果

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4．2 验证电路的滤波功能

通过信号发生器为电路提供20Hz，60Hz，100Hz，500Hz的交流信号测得结果表2可以看出在通带内(0～73Hz)放大电路有很好的放大精度，随着频率的升高，信号损耗的越严重，证明该电路有较好的低通滤波效果，抑制了环境中的高频干扰。

表2 滤波实验结果

5 结论

以仪用运放AD620与高精度通用运放OP07构成的应变测试信号处理电路，具有体积小，精度高，价格低廉等优点，经实验检验达到很好的效果，为应变测试提供了一种很好的前置电路。

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