图1 惠斯登电桥电路
实验研究
徐丽娇， 刘翔， 吉小军
(上海交通大学 仪器科学与工程系， 上海 200240)
摘要：针对现有的应变测量仪标定方式采用单通道手动操作，存在标定过程费时费力、效率较低等问题，设计了一种以Cortex-M3为控制核心的自动标定系统，详细介绍了该系统的硬件和软件设计。该系统可将标准电阻信号输出加载到被标定电桥的输入端，比对被标定电桥的输出与理论值，自动计算被标定电桥的精度。实验结果表明，该系统能够有效完成自动标定任务，标定精度达到0.5%。
关键词：多通道应变仪； 信号源发生器； 应变测量; 自动标定； 惠斯登电桥
应变测量技术在现代测试系统中占据着十分重要的地位，大型矿山基建的关键承力部件、机械动力部件等在开发和使用过程中，都需要通过多点应变测量技术对其状态进行检测和控制[1]，以确保设计和运行过程的安全性。在多通道应力应变测试仪的使用过程中，其标定是一项极其重要的工作。现有的应变测量仪标定方式一般采用单通道手动操作方式，标定过程费时费力，效率较低。因此，开发出一款成本低、精度高、通道多的自动标定仪具有重要的实用意义。
本文以TI的Cortex-M3系列MCU为控制核心，采用低接触电阻的继电器，设计了一个带温度补偿、支持八通道同步接入的应变仪自动标定系统[2]。系统将标准应变信号输入到应变仪，并获取应变仪的输出信号，将其与理论值进行比对，通过标定算法来获取应变仪的各项性能参数，实现标定目的。
应变片[3]是利用金属电阻丝在力的作用下伸长压缩，引起其阻值变化，从而实现对应力应变的测量。采用如图1所示的惠斯登电桥电路，可将应变引起的电阻变化转换成电压变化来进行测量[4-5]。按电桥中实际工作感知应变的工作片数量，电桥的工作方法包括1/4桥、1/2桥、全桥测量法3种，以这3种电桥为核心的应变片测量设备应用广泛。
图1 惠斯登电桥电路
多通道应变仪自动标定系统硬件主体为一个标准应变信号源，其内部主要由阻值切换、组桥、MCU控制、八通道输出4个模块组成。
应变信号源采用金属膜电阻来模拟应变信号。结合常见应变片阻值规格和应变仪的工作模式，应变信号源的功能设计如下：能模拟4种常用基准电阻(100、120、350、1 000 Ω)应变片的应变信号；能调节全量程范围(±5%)内的应变输出；3种组桥功能：1/4桥、1/2桥、全桥；八通道信号输出。
2.1 阻值切换模块设计
阻值切换模块主要用于产生不同阻值来模拟应变信号。信号源应变模拟范围为±5%，在量程内设有5个应变模拟点，模拟点1—5分别为-5%、-2.5%、0、2.5%、5%。结合4种基准阻值，共需要输出20种不同阻值。模拟点处的理想阻值见表1。
在电路设计中，采用了将电阻进行串联叠加的方法来模拟输出表1中的这些阻值。应变阻值切换电路设计如图2所示。
将图中R1-1端和R1-2端、R4-1端和R4-2端之间电阻串联起来，即将2个虚线框分别视作整体，记为电桥桥臂R1、R4。另外两桥臂R2和R3结构相同，分别有R2-1、R2-2、R3-1、R3-2端。
表1 应变模拟点处的理想阻值
图2 应变阻值切换电路
继电器有常开和常闭2种状态，图中所示继电器K1—K4均打向常闭端，所以，所有电阻r均被短路，于是有R1=R4=R。若将继电器K1打向常开端，则K1对应的上下2个r就不会被短路，会有R1=R4=R+r。同理，R1和R4可以实现输出R、R+r、R+2r、R+3r、R+4r五种不同阻值，如果对R和r取不同阻值，就可以实现上述20种电阻输出了。不同基准阻值下的R和r取值见表2。
表2 不同基准阻值下的R和r取值 Ω
2.2 组桥模块设计
组桥模块的作用是将上一模块产生的电阻组成相应的3种电桥。为了便于说明，对电桥各端名称作了约定：EXC、AGND、DX+、DX-(图1)。
每个电阻组都配备3种不同电桥(其中1/2桥有2种形式)。若单独设计每个电桥，则共需16个电桥单元，那电路定会很复杂庞大，所以在设计中可以通过巧妙复用电阻元件来达到目的，从而在保证功能的前提下尽可能地降低硬件成本。继电器控制阵列的电桥模式控制电路如图3所示。
由继电器G1—G6来改变电路间的拓扑关系，得到相应的电桥形式，继电器控制逻辑真值见表3。其中，0表示打向常闭端，1表示打向常开端。
2.3 通道切换模块设计
考虑到内部组桥电路采用了多个元件共用的设计方式,并未将每个桥路设计成互不相干的独立模块,所以，在设计8条通道的时候,考虑采用了并联式电路，在使用中采用分时复用的方法。通道切换电路原理如图4所示。
图3 电桥模式控制电路
表3 电桥模式控制的继电器逻辑真值
图4 通道切换电路原理
2.4 MCU控制模块设计
系统硬件控制核心选用TI的Cortex-M3系列MCU，并通过USB协议和上位机通信。MCU模块的作用是接收上位机的指令，根据指令准确执行相应命令，驱动硬件输出相应的电阻值、桥型，并使能相应的通道，MCU控制流程如图5所示。
本系统主要使用M3的3个通用口(PD、PJ、PH)，都设置为输出模式。因继电器的数量较多，所以,应把防抖动及抗误动作作为设计要求，故在所有继电器的控制引脚前都加了锁存器，以保持控制信号稳定。
图5 MCU控制流程
设计中采用的锁存器型号为MM74C373，该型号的锁存器具有8条通道，可为8个继电器提供控制信号。设计中一共采用了7个锁存器，PJ和PH口协同控制7个锁存器的状态：输入信号时，将锁存器设置为全通，结束操作后将其保持锁存状态。PD口用于给锁存器的8条通道输送电平，以便用锁存器的输出控制后续的继电器组，MCU控制结构如图6所示。
图6 MCU控制结构
2.5 系统硬件的温度补偿
本系统中的信号源对信号精度有较高要求，为了避免温度变化造成系统较大误差，故采用了软件法进行温度补偿。
在恒温箱创造的恒温环境中，将各电路元件视作一个整体，测定并估计其整体温度系数，即PPM值(温度每变化一个单位,电阻随之变化的值)：测定元件在t0=25 ℃时的电阻值，记其为Q0；测定元件在5，15，35，45 ℃下的电阻值，记相应的温度与阻值分别为t1—t4及Q1—Q4。估算PPM值的线性回归方程如式(1)所示，由最小二乘法求解，即可得到其PPM值。
(1)
温度传感器DS18B20的测温范围为-55～125 ℃，满足本系统的应用要求[7-9]。考虑到硬件电路具有一定面积，故采用了4个温度传感器，其布局如图7所示。黑色实心正方体代表温度传感器，虚线正方形代表元件单元，取其几何中心作为其坐标。
温度估计算法如下：首先由控制核心通过I2C总线读取4个传感器的读数，然后采用基于距离加权的线性插值算法估计给定电阻单元处的温度。
(1) 选定一个温度传感器为原点，与其在顺时针方向相邻的传感器所在方向为X轴正向，与其在逆时针方向相邻的传感器所在方向为Y轴正向，构建标准坐标系。
图7 温度传感器布局
(2) 根据构建坐标系时所选择的3个传感器的读数估计原点处温度梯度的值，然后根据原点处的温度以及待估计元件单元中心点的坐标，估计其在当前坐标系下的温度。
(3) 对其余3个温度传感器，重复步骤(1)、步骤(2)，获得4个不同坐标系下温度的估计值，分别记为P1—P4；获得在不同坐标系下元件单元中心点到原点的距离，分别记为d1—d4。
(4) 给定元件单元处的温度最终估计公式，如式(2)所示。
(2)
基于元件单元处的温度数据，电阻实际值估计如式(3)所示。其中ΔT为温度变化值(以室温25 ℃为基准温度)。
(3)
通过上述温度补偿算法[10]，系统即可准确修正信号源输出信号的量值。
系统软件包括上位机与下位机2个部分[11]。上位机实现的功能：① 通过GUI实现信号源参数设置；② 读取应变仪的测试数据，计算应变仪的重复性、准确度及灵敏度；③ 自动生成标定测试报告。下位机基于MCU完成了信号产生的控制逻辑。上位机基于Python Qt开发，下位机基于μC/OS实时操作系统开发[12-13]，上、下位机通过USB协议进行通信。上位机图形界面如图8所示，系统软件通过图形界面实现参数设置、数据处理以及测试结果的可视化。
考虑到被标定设备数据输出格式的多样性，在设计上位机软件架构时，对被标定设备数据输入单元进行了模块化设计：被标定设备需以动态库的形式提供USB协议数据输入事件的处理函数，该函数返回固定格式的测试数据。这样，系统即可高效读取应变仪的输出值。系统软件流程如图9所示。
图8 上位机图形界面
图9 系统软件流程
每次标定开始前，需要通过上位机GUI设定信号源的参数：基准电阻值、应变范围、电桥模式以及输出通道。设置完成后，将自定义的通信参数字[14]通过USB协议传输给下位机，下位机控制系统硬件完成信号产生与应变测试。最后读取被标定设备的输出值，由所得数据分别依式(4)—式(6)计算出待标定设备的灵敏度[15]、重复性以及精确度。
设ΔX为2次测量值之间的差值，ΔL为2次理论输入值的差值，则灵敏度可表示为
(4)
设N为测量次数，Xi为各测量值，
为样本均值，则重复性可用标准偏差表示为
(5)
设H为理论真值，W为测量值与真值之间的差值，则精度可表示为
(6)
为了评估系统性能，在实验室环境下对系统进行了模拟标定实验。取用几台适合的多通道应变仪，这些应变仪包括了1/4桥、1/2桥(2种)、全桥4种不同的电桥模式以及4种不同的基准电阻，并有±5%的应变范围。测试步骤如下：
(1) 在上位机面板上设置基准电阻、电桥模式、应变范围，并传输到下位机，驱动标准应变信号源产生应变信号。
(2) 将上述信号加载至应变仪的输入端，应变仪会给出测量值。
(3) 利用所得数据进行数据分析，得到该设备的各项性能参数。
实验中，对每个测试点测试10次，实验结果见表4，表中显示的数据为其均值。此外，为了标定方便而为1/2桥设定了2种模式，但其本质相同，测试数据也一致，故并成一栏。
表4 实验结果
实验中，电桥的供电为5 V。实验结果表明：① 模拟应变信号经过调理电路放大后，电桥的输出随着阻值应变的细微增大而有明显变化，故应变仪的灵敏度良好；② 电桥输出与应变量呈明显的线性关系，线性度强。由应变仪输出，并按其比例系数可计算出实际测量的阻值。由此实验结果可得系统最大标准偏差为0.003，重复性较好；测量精度较高，为0.5%。
多通道应变仪标定系统具有多功能的特点，能够标定4种基准电阻、3种电桥模式、8条通道的应变仪，数据处理模块能高效输出应变仪的关键性能指标，避免了人工计算的繁琐，节约了计算时间。系统用户界面操作方便快捷。实验结果表明，该系统可以有效简化标定过程，提高标定工作效率，实现应力应变测试的标定自动化。
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XU Lijiao, LIU Xiang, JI Xiaojun
(Department of Instrument Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240, China)
Abstract:In view of problem of wasting time and energy and low efficiency in calibrating process of existing calibration method of strain gauges which adopts single-channel manual operation mode, an auto-calibration system based on cortex-M3 MCU was designed，hardware and software design of the system were introduced in details. The system can output standard resistance signal to input terminal of calibration bridge , and can automatically compute precision of calibrate bridge through comparison value between actual outputs and theoretical outputs. The experimental results show that the system can perform auto-calibration of strain gauge efficiently with calibration precision at 0.5%.
Key words:multi-channel strain gauge; signal generator; strain measurement; auto-calibration; Wheatstone bridge
中图分类号：TD178
文献标志码：A 网络出版时间：2016-03-07 15:16
作者简介：徐丽娇(1991-)，女，江苏苏州人，硕士研究生，研究方向为嵌入式实时系统在现代传感技术中的应用，E-mail：xlj214@126.com。通信作者：吉小军(1969-)，男，山西太原人，副教授，研究方向为现代传感技术及系统,E-mail:jxj127@sjtu.edu.cn。
基金项目：国家自然科学基金项目(51475306)。
收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-01-25；责任编辑：张强。
文章编号：1671-251X(2016)03-0031-05
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.03.007
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160307.1516.007.html
徐丽娇，刘翔，吉小军.多通道应变仪自动标定系统设计[J].工矿自动化，2016,42(3)：31-35.