泽天高性能军用智能应变测量仪设计方案

一、需求分析

是近几年随着武器装备信息化的要求发展起来的新品种。为了保证生产出来的武器装备具备精确打击能力，必须在武器装备的研制、试验阶段拥有先进、精确、智能化的试验仪器，通过对准确的试验数据进行分析来持续改进武器装备的性能。

作为二次仪表的应变测量仪在军事电子装备的作用得到世界各国的重视，需求逐年上升。以美国为例，2000～2003年间，用于对军事的枪炮口冲击波、炸弹火药爆炸冲击波、材料控制、枪炮后座力、火箭发动机燃烧室压力、飞机发动机结构和气动现象的声压等的应变测量的智能测量仪，年平均增长率达到19.2%，2002年用于军事装备的应变测量约占测量仪器总额的10%，产值12.5亿美元。据调查我国每年用于航天、兵器、船舶、核爆等军事领域的智能应变测量仪估计在2万台左右。其中大多数用于新研武器以及高、尖、精使用场合采用的为进口产品，我国目前自行生产的应变测量仪主要应用于一些前期试验场合和性能要求不高的场合，为了提高我国武器水平，必须要改变目前关键仪表受制于人的状况，军事领域对应变测量仪的高要求为智能应变仪提供了广阔的市场空间。

在航天领域：压力智能应变测量仪主要应用于发动机燃气压力应变测量、导弹进气压力的应变测量，发射装置的推力应变测量当中。我国目前研制的各种战略、战术导弹，大多数是模仿前俄罗斯产品，其中特种应变测量仪都采用进口，预计每年用于该行业的高要求应变测量仪在5000台左右。

在航空领域，应变测量仪主要应用于液压系统、大气参数、风洞试验、飞机发动机结构和气动等动、静态应变测量。目前应变测量仪都为老式的国产应变测量仪，这种应变测量仪在可靠性、精度、响应频率方面都不能满足现代装备的需要，因此即将面临批量改装问题。另外在一些新研战机和地面风洞试验中都要求用满足使用要求的国产应变测量仪来替代目前使用的进口应变测量仪，因此，用于战机批改、风洞试验、新研、地面试验等领域下的应变测量仪估计年需求量在5000台左右。

在兵器领域，应变测量仪广泛应用于各种战车、坦克的液压系统和发动机机油压力、枪炮后座力、枪炮口冲击波的应变测量中，目前在这些行业应用的应变测量仪大多采用老式应变测量仪，该应变测量仪可靠性、频响方面的性能已经不能满足当前工程型号需要。在该行业，预计年需求量为6000台左右。

在核爆方面，应变测量仪主要应用在爆炸时对冲击波的测量，这种试验对应变测量仪的频响以及产品寿命提出了很高要求，年需求该类传感器为4000台左右。

因此高性能的智能应变测量仪在军事方面有着十分广阔的应用前景。

二、国内外现状与发展趋势

应变仪是测量应变信号的仪器，用金属电阻应变片感受物体表面应变，由于阻值变化引起电桥不平衡，产生差动信号，经放大处理后，显示出应变值。应变仪的测量原理虽然简单，却经历了50多年的发展历程，由于电桥输出信号是μV级的，国内外早期的应变仪处理这一微弱信号是很困难的，直流放大器零漂、噪声严重，无法有效地放大μV级信号，在这种情况下，应变仪普遍采用交流电桥对差动信号进行调制，用交流放大器放大后，再解调、输入指示装置。由于不同频率的交变负载对调制频率要求不同，继而后继处理电路亦有较大差别，因此应变仪依据被测信号频率，严格分为静态、静动态、动态应变仪。由于存在分布参数（主要是分布电容），交流电桥频率无法太高，这限制了交流电桥测量应变信号的上限频率（1．5kHz），并且测试过程中分布电容的微小变化即导致桥路不平衡。在测试应变信号超过1．5kHz的情况下，必须采用直流电桥，直流放大器，这就是超动态应变仪，由于直流放大器的零漂严重，该类仪器性能不高。

由于静态应变仪的信号检测电路较繁杂，成本较高，因此，在多路测试时，通过配备预调平衡箱以共用一台应变仪，这又带来了严重的技术问题。因为预调平衡箱的多路开关设在电桥上，接触电阻的微小变化，都将造成很大的偏差。

微电子技术的发展直接促进了检测仪器的发展。80-90年代，国外推出了采用第4代运放的应变仪，运放引入了斩波自稳零电路，大大降低了失调电压，提高了输入阻抗和开环差模电压和共模抑止比，降低了零漂，同时由于采用了CMOS工艺，功耗低、温漂及噪声小；其单位频宽为2MHz，可有效放大10kHz交流信号，已远超过以往动态应变仪的上限频率，因此，它的出现否定了以往的静态、动态应变仪的技术路线。

目前国外动态应变仪已达到很高的水平，精度±0.5%，频率响应可达到100kHz，测量范围50000με。图1是日本共和生产的TDS-300和TDS-102型数据采集仪，其中TDS-102型数据采集仪配合应变放大器可同时采集10路应变信号，频响达到100kHz，具有自动调零功能。

图1 日产数据采集仪

目前，应变仪的种类很多，如静态应变仪、动态应变仪、动静态应变仪、超动态应变仪等等。其转换灵敏度都相当高，但功能却较单一，价格昂贵、体积大、重量大，不便移动，又要与记录器或计算机匹配，使用很不方便。另外，在许多场合需要对结构的应变情况作长期的监测（连续48小时或间断检测15天以上），应变片和应变仪的不稳定、不重复，使测量结果很不准确，是长期以来一直悬而未决的应变测量问题。研究提高应变仪的技术性能，应用微处理器使应变仪多功能化、小型化，是应变仪的发展趋势。

三、主要功能与技术指标

本仪器适用于各种结构、材料变形应力分析，动力强度，爆炸冲击波压力测量等。具有自动平衡功能、多路超动态、动静态测试功能、显示、存储等功能。具有通用、宽带、频率范围宽，精度高，阻抗高，噪声低，漂移小，稳定性好等特点。

本智能应变仪设计成高精度、高集成度的便携式数字多功能仪器，采用一体化设计，应有结构坚固、轻型小巧和低耗电等特点，提供用户在应力应变动态测量场合下的所有特性。当配合蓄电池供电工作时，可适合便携移动、野外现场等多种测试场合应用。

应变仪输入级可以直接激励和配接应变电桥、泽天压力传感器、扭矩泽天传感器或负载单元。每通道设计了独立的放大器，设计独立的AD电路，实现高精度的同步采样，拥有很高的通道隔离度。24bits ADC提供高达144dB的宽动态范围，可测试分辨很小的工程信号。

应变仪采用USB2.0接口，完成整机仪器与分析控制计算机之间的通讯，实现高速传输速率下的多通道连续记录。

与传统的应变放大器＋数据采集器的组合相比，本应变仪设计减少部分放大和信号电缆传输环节，确保输出的信号具有更高的信噪比和更小的失真度，成为一款高端的应变信号测量仪器。

主要技术性能指标：

通道数：2、4、6、8

频响(Hz)：DC-100k

信噪比(dB)：≥60

灵敏度(桥压4V)：2V/100(微应变)

校准(微应变)：10-9990

低通(Hz)：1k，5k，10k，20k，40k，100k

电桥电阻(欧姆)：60-5000

增益：3，55，10，20，40，50×100

输出（峰值V）：±10

供桥电压(V)：2，4，8

应变系数：K=2.0

平衡范围：使用电桥电阻的±1%(±5000微应变)，微调范围±100微应变

平衡方式：自动平衡

输入阻抗：大于100兆欧姆

线性度误差：小于±0.1%

零点漂移：小于±0.5%F.S(4h)

灵敏度漂移：小于±0.2%F.S(4h)

供电方式：AC220 50Hz

可靠性：MTBF≥1000h，MTTR≤8h；

环境适应性：国军标GJB3947-2000规定的四级要求；

四、初步总体方案

系统组成和基本工作原理

智能应变测量仪由应变电桥、放大器、信号调理电路、微处理器、显示记录器等基本部分组成。

如图2所示，传感器电桥电阻感受物理量的影响产生变化时，电桥将此电阻值变化转化为电压或电流的增量，并经过放大处理，数字化以后换算成应变数值或输出与物理量变化成比例的电信号，也可以按预定的要求进行处理得到所需要的应力和应变数值。

图2基本原理图

2智能应变仪的基本设计思路是：用直流电桥代替交流电桥，用高性能集成放大器取代交流放大器；用自动数据采集和显示取代机械式的指示装置；在测量多路应变信号时，直接使用多路放大，而弃用预调平衡箱；由于高性能运放有较高的频响，因此应变仪不再有静态、动态之分，而是静、动态通用；应变仪集信号处理、数字指示和输出于一体，以构成微机化自动测试系统。

设计方案框图如图3：

图3 设计方案框图

从三种方案的结构框图我们很明显的看出他们的区别。分析方案（1）：它的主要优点是多路信号共用一路放大模块成本低，但它的不足之处在于它需要反向控制，也就是它需要一块I/O卡，尤其关键的一点是在这个系统中从电桥输出的信号特别微弱，而模拟开关切换的信号很容易将该微弱信号淹没。

方案（2）：与方案（1）基本相同，唯一的区别是干簧继电器的使用进一步降低了开关切换对应变信号的影响，但缺点在于干簧继电器的速度相当慢，不足以满足多路实时采集的要求，同时，其电路设计和实现也较复杂。

与方案（1）、（2）相比方案（3）不需要反向控制，在桥路和放大模块之间没有任何附加电路，这使得其电路设计和实现简单，排除了在从桥到放大模块间的电路干扰。

传感器信号的处理是关系到本应变仪技术性能的核心，进一步细化的方案框图如图4所示。

图4实施方案框图

作为一款完整的多功能应力应变信号数字化通用仪器，集成从应变电桥的激励、程控增益信号调理放大滤波、自动调零、增益自动校正、同步模数转换技术的全部电路设计。

智能应变仪主要由单片机、EPROM、模数转换器、运算放大器、液晶显示器、键盘等元件构成，其结构图如图4所示。

该应变仪主要用于对应变片测量应变的数据采集和处理，同时具有显示、存储等多种功能，通过键盘操作实现人工智能控制。该系统对应变数据采集处理过程如下：

测量放大电路是泽天应变仪的核心部分，其任务是将微弱的差动信号放大到合适的电平，同时提高信噪比。放大电路设计为差动输入，单端输出，任一量程上下限对应输出信号幅值达到±5V，这样，可直接与通用A／D卡或记录装置相连。

测量放大电路主要由四个部分组成。模块1为差动放大部分，I1和I2为差动输入信号，其差动放大倍数为（R1＋R2＋R3）／R2。模块2为差动放大、共模抑止电路，调整可变电阻R7可基本消除输入端共模电压。由于电桥输出端一般有较严重的共模电压干扰，将模块1和模块2组合，可获得理想的差动放大、共模抑止的效果。模块3为2阶低通滤波器，是一种无限增益多路反馈型滤波器。该型滤波器可实现较高的放大倍数，分担整个测量放大电路的部分增益。采用滤波电路的必要性在于，一方面输入信号中存在高频的电磁感应噪声，另外，ICL7650运放是斩波自稳零型运放，它在切换采样、稳零电路时引入了脉冲信号，因此需在后级电路中加以平滑。模块4量程选择和灵敏度调整电路，可实现2，4，10等3种放大增益。运放器件均选用ICL7650芯片，工作电压为±7V，由2片78L07芯片提供。整个测量放大电路增益分配合理，提高了电路工作的稳定性。

在进行应变测量时，应变片的电阻变化十分微小，所输出的电压为毫伏级，需要经过放大或转换到毫伏以上的电压信息才能进行变换处理，要求测量放大器具有低漂移、高增益性能。电路中选用了超低失调运算放大器作为对信号进行放大处理的元件，该元件最显著特点是较低的失调电压（数十μV），较低的失调电压温度表数（0.5μV/℃以下），失调电压的长期稳定性为0.2μV/月，使用此电路几乎无需失调调零，也不需要频率补偿和器件保护方面的外接元件，可以精确放大微弱信号。

应变测量电路及信号放大电路如图7所示，可以解决差动放大电路中存在的运算精度受电阻精度影响较大、调节整个放大器的增益较困难、输入阻抗低等问题，只要改变RG既能达到平滑地改变增益，又不破坏电路的对称度。

集成软件包包含了如下模块：

1）8路应变测量模块，包括采样频率设定、调零、标定、实时测量显示、磁盘存取、打印输出等功能模块；

2）单路信号实时采集和分析模块，包括时域信号实时显示、FFT变换、幅频图显示等功能模块；

3）平面应力分析模块，对应变化结构的应力分析，包括主应力计算和平面应力图绘制；

4）材料拉伸试验功能模块，包括过程数据采集、实时绘制拉伸曲线、数据存取、数据平滑滤波、计算材料性能参数等。

主程序的任务是对单片机的初始化，如设置堆栈，预置各定时器控制字，初始化显示缓冲区，设置标志位，清内存等；然后显示开机初始化状态，扫描键盘，根据按下键的功能转各自的功能操作。

主程序共分四部分：

1）重新启运程序START，它能使程序进入初始化，并进一步引导到显示程序和键盘扫描程序。

2）显示程序DIR。它把设置在RAM中显示缓冲器的内容在液晶显示器上显示出来，然后进入键盘扫描程序。

3）键盘扫描程序KEY1，先判断有无键按下，一旦发现有键按下，就按照键的功能，转到相应的键处理程序执行命令要求的操作。如果无键按下，再返回显示程序。

4）功能键处理子程序，执行相应的键功能。有采集、显示、存储、清零、回放等子程序。

抗干扰设计

仪器的输入信号为μV级，又有变压器、电源电路等强电部分，同时信号通路为多路，因此抗干扰问题较突出。在仪器设计和使用中采取了以下抗干扰措施：

①采用零共模电桥，配合测量放大电路的共模抑制电路可基本消除共模干扰；

②变压器、电源电路、放大电路分开。强电与弱电分离是一般抗干扰措施，仪器中将电源和放大电路分为2块印制版制作，有效避免了强电信号对弱电信号的干扰；

③放大电路加以屏蔽；

④布线设计中严格按照信号由弱到强的顺序布局，以避免大信号对小信号的级间干扰，采用一点共地技术；

⑤测试系统与被测对象等电位技术。