無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)變片直流電橋設(shè)計

論文針對復雜系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集電路中電阻應(yīng)變片直流電橋測量電路存在的問題進行了詳細的分析,根據(jù)實際系統(tǒng)對靈敏度、功率等要求,合理地對增益電阻和濾波電容進行了選擇,提出了一種行之有效的電阻應(yīng)變片直流電橋無線數(shù)據(jù)采集測量電路的設(shè)計方案。經(jīng)過測試證明該方案在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中穩(wěn)定、可靠。

0 引言

在復雜的機械系統(tǒng)中，研究其功耗和性能，設(shè)計它們的結(jié)構(gòu)以及研究各模塊組間的潤滑狀態(tài)，測量各 器件間的摩擦力等重要參數(shù)，多年來，一直被人們所重視。由于機械內(nèi)部運動復雜，環(huán)境惡劣，摩擦力相 對很小，給測量帶來了很大困難，如何精確地測量出這些數(shù)據(jù)就顯得格外重要。

采用無線收發(fā)方式，利用傳感器信號通過無線收發(fā)電路進行信號傳輸，可以先存儲數(shù)據(jù)再把存儲卡里 面的數(shù)據(jù)讀入到計算機進行分析，為復雜及數(shù)據(jù)要求精確的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集提供了新的方法。另外，在采 集頻率較高時，數(shù)據(jù)量比較大，這對采集系統(tǒng)中處理器處理速度、射頻無線傳輸速度、接口傳輸速度、A/D 轉(zhuǎn)換速度以及功耗等都有很高的要求，加上機械系統(tǒng)內(nèi)部尺寸的限制，困難較大。這樣一來，數(shù)據(jù)采集電 路板的設(shè)計成為該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵，我們需要設(shè)計專門的數(shù)據(jù)采集和無線收發(fā)裝置。

1 測量系統(tǒng)原理

系統(tǒng)由傳感器、電源、信號調(diào)理電路、信號處理電路和PC 機組成在實際測量時，傳感器安裝在運動 件上，由于采用引線裝置傳遞信號會限制機械部件的運動，因此可采用無線收發(fā)電路傳輸數(shù)據(jù)，也可采用 存儲方式進行數(shù)據(jù)采集，即先把數(shù)據(jù)保存到存儲卡，數(shù)據(jù)采集完之后再拿出存儲卡讀入到計算機，測量系 統(tǒng)原理如圖1 所示。

氣壓傳感器和應(yīng)變片經(jīng)過信號調(diào)理電路輸出0～2.5V 的電壓，可通過信號處理電路把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號再存入存儲卡，熱電偶經(jīng)過信號調(diào)理電路輸出12 位SPI 格式的數(shù)字信號，可由單片機直接 把信號存入存儲卡。存儲卡的容量應(yīng)能保證采集信號的時間要求（在采集頻率為3000Hz 時，選擇512M 以 上的存儲卡可保證采集時間不少于25 分鐘）。而該測量系統(tǒng)中電阻應(yīng)變片直流電橋測量電路的設(shè)計是一 個關(guān)鍵，下面我們將對這一部分進行詳細的分析和設(shè)計。

2 電阻應(yīng)變片直流電橋測量電路設(shè)計

2.1 應(yīng)變片調(diào)理電路

應(yīng)變片調(diào)理電路由升壓芯片（為芯片提供工作電壓）、電壓基準（穩(wěn)壓）、電橋、濾波、放大等部分 組成，如圖2 所示。

測量電路所選用應(yīng)變片型號350-2AA，應(yīng)變靈敏系數(shù)K=2.18(無量綱正數(shù)）,名義電阻350Ω，絲柵尺 寸：2×2mm；考慮到連桿體上空間小的特點，盡可能安裝少量的傳感器，因此采用直流單臂電橋來實現(xiàn)電 阻到電壓的轉(zhuǎn)換。

2.2 直流電橋的靈敏度和功率

由式（2-6）可見電橋的電源電壓U 越大，電橋的靈敏度也就越高，U 取決于組成電橋的電阻元件允許 通過的最大電流。但是，由式（2-8）可見，當電橋的電源電壓U 越大，電橋的功耗就越大，因此應(yīng)該選 擇合適的供電電壓。

電橋的供電電壓確定后，根據(jù)式（2-7）和式（2-8）前的系數(shù)可以分別做出如圖3（a）和3（b）的 曲線圖，他們分別反應(yīng)了電橋靈敏度和功耗隨n 值的變化，可以看出，當n=1.5 時，電橋的功耗減少了20 ％，而電橋的靈敏度僅下降了4％，因此，設(shè)計電橋時取n=1.5，既降低了功耗，又保證了電橋的靈敏度。 此時可得4 R = 525Ω ，同時可選取1 R =2KΩ ， 2 R =3KΩ 。

由于電路板所在的環(huán)境具有很大的加速度和振動，因此整個電路中沒有采用可變電阻， 4 R 可由不同 阻值的固定電阻通過串并聯(lián)實現(xiàn)。

2.3 放大倍數(shù)的計算及增益電阻的選擇

經(jīng)電壓基準穩(wěn)壓后，電橋供電電壓U=2.500V，為了保留一定的余量，電路的輸出電壓定在[0.1V,2.4V]，

確定了R7 的值后，即可根據(jù)式（2-10）計算R8 的值，然后從標稱系列選擇最接近該阻值的電阻。此 處選R = 5.1KΩ 7 ，根據(jù)連桿上的應(yīng)變，可選R = 360KΩ 8。

2.4 濾波電容的選取

數(shù)據(jù)測量電路的干擾信號來電磁干擾以及測量系統(tǒng)本身的影響，因此電路需要采用濾波措施，以提高 系統(tǒng)的信噪比?？紤]到電路板體積小的特點，這里主要采用簡單的阻容濾波。

2.5 溫度誤差及其補償

應(yīng)變片所處的環(huán)境溫度是變化的，因此必須對應(yīng)變片進行溫度補償。由于傳感器和電路板所處的位置 空間小，為了盡可能減少傳感器的數(shù)量，就沒有采用差動的方法來進行溫度補償，但是在標定的時候，分 別得到同一點位置處應(yīng)力-應(yīng)變和溫度-應(yīng)變的關(guān)系，即可在計算時對溫度造成的誤差進行補償。

3 總結(jié)

至此，無線收發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的電阻應(yīng)變片直流電橋測量電路的設(shè)計已經(jīng)完成，當然，在我們設(shè)計 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時，根據(jù)實際的測量需要，如系統(tǒng)運行的環(huán)境受到溫度、頻率及其他一些環(huán)境的影響，各測 量參數(shù)的不同，導致數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也不完全相同，設(shè)計者可根據(jù)需要進行修改。

本文創(chuàng)新點：本文重點研究的是無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)變片直流電橋的設(shè)計，為復雜的機械控制系統(tǒng)在 進行難度較大的數(shù)據(jù)采集時，提出可行的應(yīng)變片直流電橋設(shè)計方案。