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在復雜的機械系統中，研究其功耗和性能，設計它們的結構以及研究各模塊組間的潤滑狀態，測量各 器件間的摩擦力等重要參數，多年來，一直被人們所重視。由于機械內部運動復雜，環境惡劣，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據就顯得格外重要。 采用無線收發方式，利用傳感器信號通過無線收發電路進行信號傳輸，可以先存儲數據再把存儲卡里 面的數據讀入到計算機進行分析，為復雜及數據要求精確的系統的數據采集提供了新的方法。另外，在采 集頻率較高時，數據量比較大，這對采集系統中處理器處理速度、射頻無線傳輸速度、接口傳輸速度、A/D 轉換速度以及功耗等都有很高的要求，加上機械系統內部尺寸的限制，困難較大。這樣一來，數據采集電 路板的設計成為該數據采集系統的關鍵，我們需要設計專門的數據采集和無線收發裝置。 1 測量系統原理 系統由傳感器、電源、信號調理電路、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電路傳輸數據，也可采用 存儲方式進行數據采集，即先把數據保存到存儲卡，數據采集完之后再拿出存儲卡讀入到計算機，測量系 統原理如圖1 所示。 氣壓傳感器和應變片經過信號調理電路輸出0～2.5V 的電壓，可通過信號處理電路把模擬信號轉化為數字信號再存入存儲卡，熱電偶經過信號調理電路輸出12 位SPI 格式的數字信號，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）。而該測量系統中電阻應變片直流電橋測量電路的設計是一 個關鍵，下面我們將對這一部分進行詳細的分析和設計。 2 電阻應變片直流電橋測量電路設計 2.1 應變片調理電路 應變片調理電路由升壓芯片（為芯片提供工作電壓）、電壓基準（穩壓）、電橋、濾波、放大等部分 組成，如圖2 所示。 測量電路所選用應變片型號350-2AA，應變靈敏系數K=2.18(無量綱正數）,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電 阻到電壓的轉換。 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，因此應該選 擇合適的供電電壓。 電橋的供電電壓確定后，根據式（2-7）和式（2-8）前的系數可以分別做出如圖3（a）和3（b）的 曲線圖，他們分別反應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實現。 2.3 放大倍數的計算及增益電阻的選擇 經電壓基準穩壓后，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 ，根據連桿上的應變，可選R = 360KΩ 8。 2.4 濾波電容的選取 數據測量電路的干擾信號來電磁干擾以及測量系統本身的影響，因此電路需要采用濾波措施，以提高 系統的信噪比。考慮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 應變片所處的環境溫度是變化的，因此必須對應變片進行溫度補償。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力-應變和溫度-應變的關系，即可在計算時對溫度造成的誤差進行補償。 3 總結 至此，無線收發數據采集系統中的電阻應變片直流電橋測量電路的設計已經完成，當然，在我們設計 數據采集系統時，根據實際的測量需要，如系統運行的環境受到溫度、頻率及其他一些環境的影響，各測 量參數的不同，導致數據采集系統也不完全相同，設計者可根據需要進行修改。 本文創新點：本文重點研究的是無線數據采集系統中應變片直流電橋的設計，為復雜的機械控制系統在 進行難度較大的數據采集時，提出可行的應變片直流電橋設計方案。 |
