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ADI應(yīng)力測試應(yīng)用方案 助力高效電阻應(yīng)變測試

2023/10/26
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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)境溫度與濕度的侵擾等。

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絲,研究其把應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化的關(guān)系。

金屬細絲的電阻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??蓪⒋朔椒ɡL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。至于基準電壓源,要求更高性能時推薦使用精密基準源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)負載不影響性能。 AD8422是業(yè)界標準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
  • 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。

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