无线数据采集系统中应变片直流电桥设计

　　摘要：论文针对复杂系统无线数据采集电路中电阻应变片直流电桥测量电路存在的问题进行了详细的分析,根据实际系统对灵敏度、功率等要求,合理地对增益电阻和滤波电容进行了选择,提出了一种行之有效的电阻应变片直流电桥无线数据采集测量电路的设计方案。经过测试证明该方案在数据采集系统中稳定、可靠。

　　0 引言

　　在复杂的机械系统中，研究其功耗和性能，设计它们的结构以及研究各模块组间的润滑状态，测量各 器件间的摩擦力等重要参数，多年来，一直被人们所重视。由于机械内部运动复杂，环境恶劣，摩擦力相 对很小，给测量带来了很大困难，如何地测量出这些数据就显得格外重要。

　　采用无线收发方式，利用传感器信号通过无线收发电路进行信号传输，可以先存储数据再把存储卡里 面的数据读入到计算机进行分析，为复杂及数据要求的系统的数据采集提供了新的方法。另外，在采 集频率较高时，数据量比较大，这对采集系统中处理器处理速度、射频无线传输速度、接口传输速度、A/D 转换速度以及功耗等都有很高的要求，加上机械系统内部尺寸的限制，困难较大。这样一来，数据采集电 路板的设计成为该数据采集系统的关键，我们需要设计专门的数据采集和无线收发装置。

　　1 测量系统原理

　　系统由传感器、电源、信号调理电路、信号处理电路和PC 机组成在实际测量时，传感器安装在运动 件上，由于采用引线装置传递信号会限制机械部件的运动，因此可采用无线收发电路传输数据，也可采用 存储方式进行数据采集，即先把数据保存到存储卡，数据采集完之后再拿出存储卡读入到计算机，测量系 统原理如图1 所示。

　　气压传感器和应变片经过信号调理电路输出0～2.5V 的电压，可通过信号处理电路把模拟信号转化为数字信号再存入存储卡，热电偶经过信号调理电路输出12 位SPI 格式的数字信号，可由单片机直接 把信号存入存储卡。存储卡的容量应能保证采集信号的时间要求（在采集频率为3000Hz 时，选择512M 以 上的存储卡可保证采集时间不少于25 分钟）。而该测量系统中电阻应变片直流电桥测量电路的设计是一 个关键，下面我们将对这一部分进行详细的分析和设计。

　　2 电阻应变片直流电桥测量电路设计

　　2.1 应变片调理电路

　　应变片调理电路由升压芯片（为芯片提供工作电压）、电压基准（稳压）、电桥、滤波、放大等部分 组成，如图2 所示。

　　测量电路所选用应变片型号350-2AA，应变灵敏系数K=2.18(无量纲正数）,名义电阻350Ω，丝栅尺 寸：2×2mm；考虑到连杆体上空间小的特点，尽可能安装少量的传感器，因此采用直流单臂电桥来实现电 阻到电压的转换。

　　2.2 直流电桥的灵敏度和功率

　　由式（2-6）可见电桥的电源电压U 越大，电桥的灵敏度也就越高，U 取决于组成电桥的电阻元件允许 通过的电流。但是，由式（2-8）可见，当电桥的电源电压U 越大，电桥的功耗就越大，因此应该选 择合适的供电电压。

　　电桥的供电电压确定后，根据式（2-7）和式（2-8）前的系数可以分别做出如图3（a）和3（b）的 曲线图，他们分别反应了电桥灵敏度和功耗随n 值的变化，可以看出，当n=1.5 时，电桥的功耗减少了20 ％，而电桥的灵敏度仅下降了4％，因此，设计电桥时取n=1.5，既降低了功耗，又保证了电桥的灵敏度。 此时可得4 R = 525Ω ，同时可选取1 R =2KΩ ， 2 R =3KΩ 。

　　由于电路板所在的环境具有很大的加速度和振动，因此整个电路中没有采用可变电阻， 4 R 可由不同 阻值的固定电阻通过串并联实现。

　　2.3 放大倍数的计算及增益电阻的选择

　　经电压基准稳压后，电桥供电电压U=2.500V，为了保留一定的余量，电路的输出电压定在[0.1V,2.4V]，

　　确定了R7 的值后，即可根据式（2-10）计算R8 的值，然后从标称系列选择接近该阻值的电阻。此 处选R = 5.1KΩ 7 ，根据连杆上的应变，可选R = 360KΩ 8。

　　2.4 滤波电容的选取

　　数据测量电路的干扰信号来电磁干扰以及测量系统本身的影响，因此电路需要采用滤波措施，以提高 系统的信噪比。考虑到电路板体积小的特点，这里主要采用简单的阻容滤波。

　　2.5 温度误差及其补偿

　　应变片所处的环境温度是变化的，因此必须对应变片进行温度补偿。由于传感器和电路板所处的位置 空间小，为了尽可能减少传感器的数量，就没有采用差动的方法来进行温度补偿，但是在标定的时候，分 别得到同一点位置处应力-应变和温度-应变的关系，即可在计算时对温度造成的误差进行补偿。

　　3 总结

　　至此，无线收发数据采集系统中的电阻应变片直流电桥测量电路的设计已经完成，当然，在我们设计 数据采集系统时，根据实际的测量需要，如系统运行的环境受到温度、频率及其他一些环境的影响，各测 量参数的不同，导致数据采集系统也不完全相同，设计者可根据需要进行修改。

　　本文创新点：本文重点研究的是无线数据采集系统中应变片直流电桥的设计，为复杂的机械控制系统在 进行难度较大的数据采集时，提出可行的应变片直流电桥设计方案。