一種新型便攜式靜態(tài)應(yīng)變儀的研制
本機原理電路見圖1。其主要測量電路由橋源、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和液晶顯示器等幾部分組成。
1.1橋源電路
橋源主要用來給由應(yīng)變計傳感器組成的惠斯頓電橋提供直流穩(wěn)壓電源。橋源在應(yīng)變儀中具有十分重要的作用,橋源的穩(wěn)定性,直接關(guān)系到測試結(jié)果的準確性。本機采用由精密電壓基準和運算放大器組成的輸出電壓為2V的直流恒壓源。
在圖1中,U1(MAX873)為輸出電壓+2.5V的低功耗、低漂移、精密電壓基準,其電源電壓范圍為+4.5～+18V;U2A(TL062)為低失調(diào)JFET輸入運算放大器,U2A、R3、Q1、C1組成電壓跟隨器。U1輸出的+2.5V經(jīng)R1、R2分壓后,在R1上可調(diào)出1.67～2.50V的電壓,能夠滿足產(chǎn)生2V橋壓的要求。當橋壓輸出升高(或降低),反饋至U2A的反向輸入端,使U2A運算放大器的輸出端電壓降低(或升高),Q1的基極電流則減少(或加大),Q1的射極電流(流經(jīng)負載的電流)減少(或加大)。由虎克定律可知：負載電壓(橋壓)將降低(或升高),從而達到穩(wěn)定橋壓的目的。
V+與地之間為由模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供(詳見模數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分)的+5V穩(wěn)定電壓,大于MAX873正常工作所需的+4.5V,保證了MAX873和TL062、Q1能夠不受儀器電源電壓降低影響,使橋源電路能夠提供穩(wěn)定的橋壓。
1.2放大電路
本機采用應(yīng)變值的絕對測量法,即不對電橋進行平衡,直接測量荷載作用下應(yīng)變電橋輸出值,通過計算即可得出增量或相對值。此方法可消除平衡電路引起的誤差,特別是克服了長期監(jiān)測中平衡值難以保存的問題。
本機的放大電路主要由U3(LTC7652)運算放大器構(gòu)成。LTC7652為利用CMOS工藝研制的超低漂移、斬波自穩(wěn)零式精密運算放大器,具有超低失調(diào)電壓和漂移、高共模抑制比和電源抑制比,為比較理想的應(yīng)變儀用放大器。由應(yīng)變測試原理知,等臂電橋的輸出電壓為：
式中：USC——電橋輸出電壓;U0——橋源電壓,在此為2V;K——應(yīng)變片靈敏系數(shù),為了簡化電路,在本儀器中固定為2.0;ε——應(yīng)變值。
將U0、K、ε代入式(1)可得：USC=ε,即為了達到模數(shù)轉(zhuǎn)換器10μV分辨率的要求,需將電橋的輸出電壓放大10倍。在圖1中,R5、R6、R7、R8為電橋的四個應(yīng)變計外接橋臂。為了提高放大器的輸入阻抗,電路采用同相放大方式。放大電路的電壓增益為：
應(yīng)變儀的設(shè)計量程為20000με,放大器滿量程輸入UBD=±20mV,輸出UHL=±200mV。當電源電壓V+-V-=7～9V,V+-UC=+5V時,V+-UB=+4V,V--UB=-3～-5V,可見,B點作為放大器輸出參考點,基本處于電源電壓中間,放大器的輸出電位則遠遠小于電源電位,保證了放大器線性度和不會發(fā)生溢出。
1.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路
本機所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器U1(ICL7129)是采用COMS大規(guī)模集成電路技術(shù)、高性價比的4（1/2）位液晶顯示單片模數(shù)轉(zhuǎn)換器,具有高精度、低漂移、外圍電路簡單等優(yōu)點。
