漢航VS08板卡--基于對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)的高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量

高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量主要面臨以下的挑戰(zhàn)

一、高溫測(cè)量環(huán)境下，普通應(yīng)變計(jì)不能區(qū)分哪些是期望得到的機(jī)械載荷變化產(chǎn)生的應(yīng)變，哪些是測(cè)試材料隨溫度變化產(chǎn)生的膨脹，這種由于熱膨脹造成的應(yīng)變讀數(shù)通常被稱為“視應(yīng)變”或“熱應(yīng)變”。

二、高溫測(cè)量環(huán)境下，應(yīng)變計(jì)阻值隨溫度變化而變化，變化可能超過橋路的量程，將導(dǎo)致傳統(tǒng)惠斯通電橋無法平衡，從而無法進(jìn)行測(cè)量。

三、高溫測(cè)量環(huán)境下，需使用特殊的高溫應(yīng)變計(jì)，而且常規(guī)銅材質(zhì)導(dǎo)線不能承受高溫，必須使用具有很高電阻的高溫導(dǎo)線，而高溫下導(dǎo)線電阻隨溫度變化而產(chǎn)生變化，常規(guī)測(cè)量方式會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度和線性度變差，影響測(cè)量結(jié)果。

四、高溫測(cè)量環(huán)境下，存在較大的靜電噪聲和電磁噪聲，而應(yīng)變計(jì)處于非屏蔽工作環(huán)境，對(duì)各種干擾源比較敏感，常規(guī)方法測(cè)量會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可用。

 針對(duì)以上問題，在高溫環(huán)境下的應(yīng)變計(jì)測(cè)量，優(yōu)選方式是采用對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)。

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)是采用一對(duì)匹配的電流源作為應(yīng)變片的激勵(lì)源，并使用一個(gè)差分放大器來測(cè)量應(yīng)變計(jì)兩端的電壓值差，如圖1所示。從圖1中可以看出，它使用兩個(gè)匹配的電流源形成“推-拉”的結(jié)構(gòu)，一個(gè)往應(yīng)變計(jì)“灌入”電流，另一個(gè)從應(yīng)變計(jì)“拉出”電流。這兩個(gè)匹配的電流源通過雙絞屏蔽電纜連接到輸入端并流過Rgage應(yīng)變計(jì)。這種電路結(jié)構(gòu)在物理和電子學(xué)方面都是對(duì)稱的，因此具有很強(qiáng)的共模噪聲抑制能力。另外，根據(jù)雙級(jí)功率源共地的特點(diǎn)，應(yīng)變計(jì)的直流電壓是對(duì)稱的，與單端電流源方法相比，對(duì)稱設(shè)計(jì)具有兩倍的信號(hào)一致性范圍。在4線模式下，高輸入阻抗的應(yīng)變計(jì)信號(hào)傳輸線±signal將差分放大器的輸入端直接連接到應(yīng)變計(jì)兩端，由于差分放大器具有高的輸入阻抗，應(yīng)變計(jì)測(cè)量線上沒有電流流過，因此用于傳輸應(yīng)變計(jì)激勵(lì)的導(dǎo)線中的電流并不會(huì)引起激勵(lì)電流的下降，應(yīng)變計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)將不會(huì)受到影響。對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量，2/4-wire開關(guān)可以設(shè)置成2線方式，輸入可以是AC耦合，即只有應(yīng)變計(jì)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)被允許放大。由于差分放大器輸入是一對(duì)對(duì)稱平衡的差分信號(hào)，使得差分放大器具有高的共模噪聲抑制能力，允許使用同一片應(yīng)變計(jì)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

圖1 對(duì)稱恒流源連接圖

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)1：采用對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)，因?yàn)楹懔骷?lì)不會(huì)受到電纜長度、阻值的影響，可以保證測(cè)量靈敏度和線性度。

優(yōu)點(diǎn)2：對(duì)稱布局提供了更多的優(yōu)點(diǎn)：在圖1中我們能看到，就作用于應(yīng)變計(jì)和互聯(lián)電纜的干擾噪聲源而言，差分放大器的兩個(gè)連接輸入端，無論是物理特性、還是電氣特性，都是對(duì)稱的。只要適當(dāng)注意一下布線和接線技術(shù)，兩個(gè)對(duì)稱的輸入端的噪聲拾取將幾乎相同，因此后端差分放大器將顯著降低對(duì)靜電噪聲和電磁噪聲的敏感性。

優(yōu)點(diǎn)3：對(duì)稱布局的其它優(yōu)點(diǎn)包括“改善對(duì)應(yīng)變片故障情況的容忍度”，以及中點(diǎn)為零點(diǎn)的電流變化范圍，能更好地利用信號(hào)調(diào)理器中采用的雙極性電源。

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)使用一對(duì)匹配的電流源激勵(lì)應(yīng)變片，使用一個(gè)差分放大器測(cè)量應(yīng)變計(jì)兩端電壓差，導(dǎo)線電阻對(duì)傳遞到應(yīng)變計(jì)上的激勵(lì)電流沒影響，任何溫度下不會(huì)降低應(yīng)變計(jì)靈敏度；信號(hào)采集器采集的應(yīng)變信號(hào)，無需增加通道增益；信號(hào)采集器內(nèi)外連接對(duì)稱，信噪比改善約40dB。

對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)與傳統(tǒng)恒壓源激勵(lì)之間的區(qū)別

傳統(tǒng)惠斯通電橋采用恒壓模式，是應(yīng)變測(cè)量常用的方法。在高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量中，惠斯通電橋測(cè)試法主要產(chǎn)生三種測(cè)量不確定度。

（1）    任何載流導(dǎo)線上的電阻都會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)靈敏度降低。使用通道增益可以補(bǔ)償降低的靈敏度，但是測(cè)量過程中延長線的電阻會(huì)隨溫度變化，造成乘常數(shù)測(cè)量不確定度。

（2）    惠斯通電橋的連接依靠載流導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)的精確匹配來保持電橋平衡。即使測(cè)試過程中這些導(dǎo)線上最輕微的熱變化也可以使電橋輸出產(chǎn)生顯著的直流漂移。這種“零漂移”誤差無法從測(cè)試件的機(jī)械應(yīng)變區(qū)分出來，這樣就造成一個(gè)加常數(shù)測(cè)量不確定度。

（3）    惠斯通電橋的連接在物理和電氣上均不對(duì)稱，無法抑制靜電噪聲及環(huán)境電磁噪聲。

圖2示意了用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量單臂惠斯通電橋的連接方式。

圖2 單臂惠斯通電橋連接

在圖2中，其零漂主要是由于應(yīng)變計(jì)焊接的擴(kuò)展導(dǎo)線的電阻Rext引起的。

測(cè)量靈敏度定義為電路輸出電壓的變化與應(yīng)變計(jì)電阻變化的比值。由擴(kuò)展導(dǎo)線電阻Rext引起的測(cè)量靈敏度誤差是兩線連接惠斯通電橋測(cè)量較為棘手的問題。

圖3顯示的是100Ω單臂惠斯通電橋與應(yīng)變計(jì)連接方式下，測(cè)量電橋靈敏度相對(duì)于導(dǎo)線電阻Rext的變化曲線。測(cè)量靈敏度隨著導(dǎo)線電阻的增加而減小。如果導(dǎo)線電阻已知，靈敏度的下降可以用增加放大倍數(shù)或后處理修正方法進(jìn)行補(bǔ)償。如果引線電阻未知或隨著溫度漂移變化很大，則會(huì)引起明顯的測(cè)量失真。

對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)是一種真正能抑制共模干擾信號(hào)的對(duì)稱輸入技術(shù), 適用于單臂電橋。橋路的恒流激勵(lì)不受導(dǎo)線電阻的影響，長導(dǎo)線測(cè)試時(shí)不會(huì)影響測(cè)量靈敏度，如圖3所示。  

圖3 歸一化測(cè)量靈敏度與導(dǎo)線電阻Rext的關(guān)系

另外，與單端恒流源激勵(lì)方式或傳統(tǒng)的恒壓源激勵(lì)方式相比，對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)使測(cè)量噪聲大幅度減小。為了測(cè)試靜電耦合模型，用一段3米雙絞線電纜連接遠(yuǎn)處一個(gè)1KΩ的應(yīng)變計(jì)上。擴(kuò)展導(dǎo)線從導(dǎo)管中穿過，緊貼一根未屏蔽的二芯導(dǎo)線，二線導(dǎo)線中通入測(cè)試信號(hào)，用以表現(xiàn)耦合量級(jí)和噪音頻率的關(guān)系。如圖4所示，單端惠斯通電橋或單端恒流的噪聲耦合每倍頻程增加6dB。對(duì)于耦合電容約為16.4pF/m的測(cè)量結(jié)果是一致的。在所有測(cè)試頻率上，對(duì)稱恒流激勵(lì)方式將有效耦合噪聲削減了約40dB。

圖4 非屏蔽二芯電纜的噪聲耦合測(cè)試

漢航VS08板卡

對(duì)稱恒流源激勵(lì)技術(shù)提供一種使用2/4線連接、單應(yīng)變計(jì)方式下精確測(cè)量動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變的方法。與單端恒流源或使用單臂惠斯通橋的結(jié)構(gòu)相比，對(duì)稱恒流激勵(lì)使得應(yīng)變計(jì)在任何導(dǎo)線電阻下都能得到精確的激勵(lì)，由于高阻抗測(cè)量輸入的只是應(yīng)變信號(hào)，雙絞線對(duì)稱布局接法消除了應(yīng)變計(jì)靈敏度下降和零點(diǎn)漂移誤差，而不用擔(dān)心導(dǎo)線的匹配特性。而且由于測(cè)量線是對(duì)稱的，差分放大器的共模抑制提供了良好的抗噪能力，允許使用同一片應(yīng)變計(jì)進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量，因此，對(duì)稱恒流源激勵(lì)是高溫動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量的優(yōu)選技術(shù)。

漢航自主研發(fā)的VS08板卡中內(nèi)置應(yīng)變調(diào)理模塊，無需額外配備應(yīng)變調(diào)理模塊來進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量。其采用對(duì)稱恒流源技術(shù)，具有限流檢測(cè)功能的對(duì)稱橋式電源可設(shè)置為±0.5V至±5V，精度為 0.1%；**電流為 20mA；感應(yīng)線保證標(biāo)稱電橋電壓與電纜長度無關(guān)。除此之外，漢航VS08板卡中還具有以下應(yīng)變調(diào)理指標(biāo)：

l  電流入射技術(shù)自動(dòng)橋路平衡：(連續(xù)的平衡電流：0~20mA，步進(jìn)5mA)，真正的橋路平衡恢復(fù)了標(biāo)稱電橋阻抗，將高應(yīng)變水平的電橋非線性降至**，而不影響電橋靈敏度。

l  低頻噪聲指標(biāo)：在2V橋路電壓激勵(lì)和應(yīng)變靈敏度為2的情況下（0.1Hz~100Hz）典型0.8μVpp或0.2μEpp。

l  橋路阻值補(bǔ)償：內(nèi)置的可選橋路連接，支持1/4（120、350、1K和用戶自定義），1/2和全橋類型橋路平衡。

l  標(biāo)定：在正負(fù)供電補(bǔ)償線、分流補(bǔ)償線、正負(fù)輸入之間采用4個(gè)分流校準(zhǔn)電阻（±0.12%），模擬應(yīng)變。

l  過載檢測(cè)：輸入端模擬過壓檢測(cè)及ADC后端數(shù)字過壓檢測(cè)。

l  橋路支持：全橋、半橋、半橋旋轉(zhuǎn)和四分之一橋。

漢航VS08板卡關(guān)鍵特性：

l  8通道ICP/電壓/應(yīng)變

l  支持LAN網(wǎng)絡(luò)通信、支持LXI A類總線、支持IEEE1588v2 PTP精密時(shí)鐘同步協(xié)議、基于Web的頁面設(shè)置

l  每通道獨(dú)立LED狀態(tài)指示

l  內(nèi)置Linux系統(tǒng)、支持在線/離線數(shù)據(jù)采集

l  9-36V直流或PoE供電

l  橋路支持：全橋、半橋、1/4橋，橋路阻值：120Ω、350Ω、1kΩ，支持電流入射技術(shù)進(jìn)行橋路平衡

l  每通道獨(dú)立24位Σ-ΔA/D，每通道獨(dú)立采樣頻率204.8kHz

l  支持Linux系統(tǒng)、支持FPGA、內(nèi)置獨(dú)立硬件DSP處理

l  支持具有IEEE 1451.4 Class 1類接口的TEDS傳感器

圖5 漢航VS08板卡

通過多種調(diào)理電路技術(shù)，漢航VS08板卡在應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方面具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性。它具有高精度、低噪聲、工作穩(wěn)定等特性，不僅能夠滿足常溫工況下的各種應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量應(yīng)用，并且在復(fù)雜的高溫工作環(huán)境下依然具有優(yōu)秀的抗電磁干擾性能，具有良好的動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

應(yīng)用

1、工程機(jī)械及制造設(shè)備

起重機(jī)、挖掘機(jī)、水泥泵車等工程機(jī)械的力臂等部位的應(yīng)變應(yīng)力、位移測(cè)試；油缸的壓力、位移、溫度、應(yīng)變應(yīng)力綜合測(cè)試；機(jī)床導(dǎo)軌的殘余應(yīng)力測(cè)試。

2、航空航天、高鐵、汽車、輪船等交通設(shè)備

航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)等處于高溫工況下的結(jié)構(gòu)的壓力、溫度、應(yīng)變應(yīng)力綜合測(cè)試；車體、輪軸、高壓輸電弓等部位的應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試。

3、電力、動(dòng)力工程

電廠設(shè)備的強(qiáng)度測(cè)試，如核電站安全殼整體強(qiáng)度測(cè)試；水輪機(jī)軸及葉片的應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試；蒸汽管道受熱后的應(yīng)變應(yīng)力、溫度、壓力綜合測(cè)試。

4、冶金、石油、化工

鋼錠模表面熱應(yīng)力測(cè)試；油罐、壓力容器、管道的壓力、應(yīng)變應(yīng)力測(cè)試。