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，為比較理想的應變儀用放大器。由應變測試原理知，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。
為了提高儀器的準確度和抗工頻干擾能力，由Y1、C4、C5組成的頻率為100kHz晶振電路為模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7129提供穩(wěn)定的時鐘脈沖。由1.2V、10×10-6/℃的精密電壓基準D1(ICL8069)為ICL7129提供1V的參考電壓。由于放大電路的輸出參考電位低于V+約4V，且不固定，ICL7129的COM端則低于V+約3.2V，兩者電位不相等，采用共模電壓約為0.6~1.0V差分輸入方式(見圖1)。?
由于使用電池供電，必須考慮電池電壓隨著工作時間的增加而降低的問題。本機利用ICL7129的DGND端與V+保持穩(wěn)定的5.3V電壓差這一特點，由U2B、Q2、R15、C10構(gòu)成電壓跟隨器，產(chǎn)生橋源電路所需要的地電平，使橋源電壓不受電源電壓變化的影響。
2工作性能試驗分析
2.1非線性度測試
利用等強度懸臂梁對便攜式靜態(tài)應變儀進行非線性測試，并與7V14靜態(tài)應變儀(日)的測試結(jié)果進行對比，測試數(shù)據(jù)見表1。表中實際應變值為根據(jù)每級荷載等強度懸臂梁所產(chǎn)生的撓度計算得來。從表1數(shù)據(jù)可看出，手持式應變儀具有良好的線性，三者數(shù)據(jù)符合很好。
2.2正、負對稱性測試
根據(jù)應變電測原理，將電橋的A、C(或B、D)反接，可改變輸出信號的極性。表2為在等強度懸臂梁上進行的正、負對稱性測試結(jié)果，表明正值比負值的絕對值小7～10με，說明改變橋路接線方式將引起電橋輸出變化，但對增量無影響。
2.3電源電壓影響
圖2的電源電壓與示值關(guān)系曲線表明：(1)在7.5～12.5V范圍內(nèi)測試結(jié)果準確，電源電壓對測試結(jié)果無影響；(2)6.7～7.5V區(qū)間基本準確，對測試結(jié)果有影響，但很小。在7.3V時，ICL7129低電壓指示符顯示，提示更換電池；(3)6.5V以下已不能工作。
2.4穩(wěn)定性測試
通過測試4h內(nèi)零點變化值來檢測儀器的漂移穩(wěn)定性。應變計R5～R8用120Ω(2W0.01％)的標準電阻代替，將B、D點短路，使應變儀輸入為零。預熱15min后，第1小時以15min間隔，第2至4小時以30min為間隔，讀取應變儀示值的變化。測試結(jié)果顯示4h內(nèi)沒有產(chǎn)生漂移。
3結(jié)語
本儀器成功解決了應變儀橋源電路與放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路各為獨立電源的問題，它可采 用單電源電池供電。儀器使用應變絕對測量法，解決了一般儀器在長期測試中平衡值不好保 存的問題。通過對便攜式應變儀的性能測試，證明該儀器電路設(shè)計切實可行，能夠滿足測試 要求，具有性能穩(wěn)定、精度高、使用方便等優(yōu)點。?
參考文獻
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