金屬結(jié)構(gòu)作為大型機械設(shè)備的支持構(gòu)架,,其結(jié)構(gòu)強度是影響機械設(shè)備安全可靠運行的關(guān)鍵,。隨著機械設(shè)備朝著大型化,、重型化,、高速化方向發(fā)展,要求設(shè)備具有更高安全性,,從而突出了結(jié)構(gòu)的強度要求。應(yīng)力應(yīng)變測試是研究機械結(jié)構(gòu)強度的重要手段,,同時也廣泛用于起重機,、龍門吊、大型工程機械,,以及大飛機上的應(yīng)力測試等,。
機械結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測常用的有光纖光柵傳感器監(jiān)測與電阻應(yīng)變計技術(shù)監(jiān)測。技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師Galen Zhang基于電阻應(yīng)變計原理的ADI應(yīng)力測試應(yīng)用方案展開了詳細(xì)介紹,。
電阻應(yīng)變計的基本結(jié)構(gòu)與原理
電阻應(yīng)變計的基本結(jié)構(gòu)主要由四部分組成:金屬電阻應(yīng)變絲(敏感柵) ,、基體、引線和覆蓋層(如圖1),。金屬電阻應(yīng)變絲是把結(jié)構(gòu)應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的敏感部分,,也是電阻應(yīng)變片的重要組成部分;基體是敏感柵的支撐材料,,具有良好的絕緣性,,可以使敏感柵和被粘貼物之間保持良好的絕緣性;引線的主要作用是連接敏感柵和測量電路,,將電信號輸送到測量電路,;覆蓋層可以有效保護敏感柵,防止敏感柵受到機械損傷和環(huán)境溫度與濕度的侵?jǐn)_等,。
圖1.電阻應(yīng)變計結(jié)構(gòu)
將電阻應(yīng)變計安裝(如粘貼或焊接)在被測結(jié)構(gòu)件表面上,,結(jié)構(gòu)件受力而變形時,電阻應(yīng)變計的敏感柵隨之產(chǎn)生相同應(yīng)變,,其電阻值發(fā)生變化,,用儀器測量此電阻變化即可測量出構(gòu)件表面沿敏感柵軸線方向的應(yīng)變。因此,,電阻應(yīng)變計的主要性能與敏感柵有關(guān),,取敏感柵材料金屬細(xì)絲,,研究其把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的關(guān)系。
金屬細(xì)絲的電阻R與絲的長度L成正比,,而與其截面積A成反比,,按物理學(xué)有下列公式:
在一定應(yīng)變范圍內(nèi)μ、m是常數(shù),,因此K0也是常數(shù),,即電阻相對變化與應(yīng)變成比例,K0稱為金屬絲的靈敏系數(shù),,因此可通電阻測量來反應(yīng)應(yīng)變,。
電阻應(yīng)變計的測量方案
1、測試流程
最前端的傳感器由壓電元件擔(dān)任,,常用的是應(yīng)變片或應(yīng)變計,。應(yīng)變片本身是一個比較精密的電阻,貼合在機身表面后,,機身表面的形變也可以傳遞到應(yīng)變片上,;而應(yīng)變片本身又是接入到惠斯通電橋中的。因此,,機身的形變也就由物理量轉(zhuǎn)換成了電學(xué)的模擬信號,,傳遞到了測量電路中;再通過帶有屏蔽層的雙絞線等,,傳遞到運放芯片,,將本來還比較微弱的電信號放大,并最終通過 ADC 轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,。最后,,機身形變這一物理量,轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量,,并存儲到電路后端的 CPU 中做計算和處理,。可將此方法繪制成框圖(如圖 2),。
圖2.應(yīng)變計測試流程
2,、系統(tǒng)框圖
下圖3所示為ADI的應(yīng)變計測量方案。通過差動運放AD8276產(chǎn)生一個激勵電流源或電壓源加在應(yīng)變變片,。通過AD8422儀表放大器完成惠斯通電橋中應(yīng)變片上信號的轉(zhuǎn)換,。經(jīng)過濾波放大后送給ADC來采集模擬信號。最終經(jīng)過MCU換算出應(yīng)變計上電阻變化從而求出應(yīng)力變化,。
圖3.系統(tǒng)框圖
3,、重點型號介紹
圖4所示為ADI應(yīng)變計測量方案信號鏈中型號特性描述。
圖4.信號參數(shù)
4、激勵源介紹
精密電流源傳統(tǒng)上采用運算放大器,、電阻和其它分立器件構(gòu)建,,但存在尺寸、精度和溫度漂移等方面的不足,。如今,,高精度、低功耗,、低成本集成差動放大器的AD8276使得尺寸更小,、性能更高的電流源變成現(xiàn)實(如圖5)。反饋緩沖器使用低失調(diào),、低偏置電流放大器,,例如ADA4098-2、ADA4622-2,、AD8610,、AD8603等具體取決于所需電流范圍。
圖5 .差動放大器和運算放大器構(gòu)成精密電流源
輸出電流可以通過下式計算:
SENSE引腳可以耐受幾乎為電源兩倍的電壓,,因此第二個限制條件相當(dāng)寬松,。2.5V至36V的寬電源電壓范圍使得AD8276成為許多應(yīng)用的理想之選。A級和B級的最大增益誤差分別為0.05%和0.02%,,因此電流源精度最高可達(dá)0.02%。
如果所需輸出電流小于AD8276的輸出能力15 mA,,則可去掉升壓晶體管,,如果低電流和降低精度均能接受,則可采用更為簡單的低成本配置(如圖6),。
圖6.針對低成本,、低電流應(yīng)用的簡化電路
輸入電壓VREF可以是DAC輸出、基準(zhǔn)電壓源或傳感器輸出,。如果需要可編程電流源,,推薦使用精密14位或16位DAC,如AD5645R,、AD5692R,、AD5764R、 AD5663R和AD5668等,。至于基準(zhǔn)電壓源,,要求更高性能時推薦使用精密基準(zhǔn)源ADR43x和ADR45xx;要求低功耗時推薦使用ADR36x,;要求低成本時推薦使用AD158x和ADR504x,;要求小尺寸時推薦使用集成運算放大器與基準(zhǔn)電壓源ADR82x。
5,、惠斯通電橋介紹
應(yīng)變計阻抗測量使用AD8422搭惠斯通電橋來測量(如圖7),。
圖7.惠斯通電橋
儀表放大器AD8422是一款精密,、低功耗、低噪聲軌到軌儀表放大器,,具有業(yè)界優(yōu)質(zhì)的每單位微安性能,。AD8422以超低失真性能處理信號,在整個輸出范圍內(nèi)負(fù)載不影響性能,。
AD8422是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)AD620發(fā)展到第三代的產(chǎn)品,。具有極低的偏置電流,高源阻抗時不會產(chǎn)生誤差,,允許多個傳感器多路復(fù)用至輸入端,。低電壓噪聲和低電流噪聲特性使AD8422成為測量惠斯通電橋的理想選擇。
AD8422主要特點:
● 低功耗:最大靜態(tài)電流330μA
● 低噪聲:1khz時最大輸入電壓噪聲8nv /√Hz
● 電壓漂移 :±0.3 μV/°C最大輸入偏置電壓漂移 ,,±2 μV/°C最大輸出偏置電壓漂移
● 出色交流特性:10 kHz時的CMRR:80 dB(最小值,,G = 1)
高帶寬: 2.2 MHz @G=1
● 出色直流特性:CMRR:150 dB(最小值,G = 1000)
增益誤差:0.04%(最大值,,G = 1000)
輸入失調(diào)漂移:0.3 μV/°C(最大值)
輸入偏置電流:0.5 nA(最大值)
● 電源: 4.6 V至36v或±2.3 V至±18v
6,、電源介紹
LT8653S主要特點:
● Silent Switcher?2 架構(gòu):可在任何 PCB 上實現(xiàn)超低 EMI
消除了 PCB 布局敏感性
內(nèi)部旁路電容器可降低發(fā)射的 EMI
可選的擴頻調(diào)制功能
● 雙通道且每個通道可同步提供 2 A 直流電流
● 可選的外部 VC 引腳:快速瞬態(tài)響應(yīng)
● 1 A 時效率為 94.1%,2MHz 時可從 12 VIN 提供 5 VOUT
● 快速最短開關(guān)接通時間:30 ns
● 可調(diào)并且可同步:300 kHz 至 3 MHz
● 具備快速內(nèi)部補償功能的內(nèi)部 2 MHz fSW
ADI應(yīng)力測試應(yīng)用方案可以幫助客戶進行高效的電阻應(yīng)變測試,,是進行測量惠斯通電橋的理想選擇,,ADI還提供靈活豐富的產(chǎn)品方案滿足客戶個性化需求,其授權(quán)代理商Excelpoint世健能為客戶提供技術(shù)支持,,有助于客戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,,加快產(chǎn)品應(yīng)用部署。
關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商
世健是完整解決方案的供應(yīng)商,,為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM),、原設(shè)計生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件、工程設(shè)計及供應(yīng)鏈管理服務(wù),。多次被權(quán)威雜志和行業(yè)機構(gòu)列入全球領(lǐng)先分銷商榜單,。
世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作,為新的科技與趨勢作出定位,,并幫助客戶把這些最先進的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。世健分別在新加坡、中國及越南設(shè)有研發(fā)中心,,專業(yè)的研發(fā)團隊不斷創(chuàng)造新的解決方案,,幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計可應(yīng)用于工業(yè),、無線通信及消費電子等領(lǐng)域,。
世健擁有超過35年歷史、逾700名員工,業(yè)務(wù)擴展至亞太區(qū)的49個城市和地區(qū),,遍及新加坡,、馬來西亞、泰國,、越南,、中國、印度,、印度尼西亞,、菲律賓及澳大利亞等十多個國家。1993年,,世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)(香港)有限公司,,正式開始發(fā)展中國業(yè)務(wù)。目前,,世健在中國擁有十多家分公司和辦事處,,遍及中國主要大中型城市。憑借專業(yè)的研發(fā)團隊,、頂尖的現(xiàn)場應(yīng)用支持以及豐富的市場經(jīng)驗,,世健在中國業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位。