用于動(dòng)應(yīng)變測(cè)量的對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)

道格拉斯 R. 費(fèi)爾茲(Douglas R. Firth)    阿倫R. 扎爾利(Alan R. Szary)

Precision Filters, Inc.  美國(guó)紐約州伊薩卡市   電話：+1(607) 277-3550   郵箱：sales

摘要

對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)采用一對(duì)匹配的恒流源來(lái)激勵(lì)單個(gè)工作應(yīng)變片。 這項(xiàng)技術(shù)增強(qiáng)了測(cè)量電路抗靜電噪聲干擾的能力， 它可以應(yīng)用于只要求兩線連接到傳感器的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。本文闡述了對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)的特點(diǎn)，并與傳統(tǒng)的惠斯通電橋和單端恒流激勵(lì)技術(shù)進(jìn)行了比較。本文還提出一種監(jiān)測(cè)傳感器健康和電纜連接狀態(tài)的方法。

1.引論

       根據(jù)所需的AC/DC測(cè)量精度，應(yīng)變測(cè)量有多種布線和連接方案，從簡(jiǎn)單的兩線連接，到十一線連接。在旋轉(zhuǎn)機(jī)械和低質(zhì)量、低慣量的測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，通常要求導(dǎo)線連接越少越好；在大型測(cè)試系統(tǒng)中，減少導(dǎo)線就意味著節(jié)約布線成本；另外，在有的試驗(yàn)中，線纜需要通過(guò)滑環(huán)連接到試驗(yàn)件上，導(dǎo)線數(shù)量也會(huì)受到限制。在這種情況下，有一種專門的應(yīng)變測(cè)量方式就是使用單個(gè)工作片（只針對(duì) AC耦合）完成動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。

1.1.      惠斯通電橋

惠斯通電橋是應(yīng)變測(cè)量的方法。

圖1示意了用于單應(yīng)變片動(dòng)應(yīng)變測(cè)量的兩線惠斯通電橋的連接方式。其零漂主要是由應(yīng)變片延伸導(dǎo)線的電阻 R_EXT 引起，這可以通過(guò)AC耦合差分放大器消除，對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量不是干擾因素。 測(cè)量靈敏度定義為電路輸出電壓的變化與應(yīng)變片電阻變化的比值。由延伸導(dǎo)線電阻R_EXT引起的測(cè)量靈敏度誤差是兩線惠斯通電橋連接方式的更為棘手的問(wèn)題。常用的連接和焊接的延伸導(dǎo)線電阻的范圍，從AGW18的0.006?/ft (0.01968?/m)，到高溫測(cè)量（例如在噴氣式渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的嚴(yán)酷條件下）的高達(dá) 10?/ft(32.808?/m)不等。設(shè)定ΔR為應(yīng)變片的電阻變化，ΔE為對(duì)應(yīng)的每單位激勵(lì)的電橋輸出，這樣測(cè)量的靈敏度定義為：

歸一化測(cè)量靈敏度 = (??E/??R|R_EXT≠0)/(??E/??R|R_EXT=0)   (1)

圖2顯示的是 100?應(yīng)變片與單臂惠斯通電橋連接方式下，電橋的歸一化測(cè)量靈敏度相對(duì)于導(dǎo)線電阻 R_EXT 的變化曲線。測(cè)量靈敏度隨著導(dǎo)線電阻的增加而減小。如果導(dǎo)線電阻已知，靈敏度的下降可以用增加放大倍數(shù)或后處理修正方法進(jìn)行補(bǔ)償。如果引線電阻未知或隨著溫度漂移變化，則會(huì)引起明顯的測(cè)量失真。

在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量應(yīng)用中，惠斯通電橋方法還有另一個(gè)明顯的缺陷。如圖1所示，信號(hào)調(diào)理的差分放大器的輸入連接點(diǎn)一個(gè)是來(lái)自外部應(yīng)變片，另一個(gè)是內(nèi)部參考點(diǎn)。很明顯，外部連接電纜的靜電和電磁耦合噪聲與內(nèi)部參考點(diǎn)的耦合噪聲不相當(dāng)，因此不能通過(guò)差分放大器的共模抑制比(Common Mode Rejection,簡(jiǎn)稱 CMR) 消除。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本質(zhì)上是不對(duì)稱的，實(shí)際上表現(xiàn)為單端輸入放大器，所有耦合的噪聲轉(zhuǎn)換成了差模干擾信號(hào)。在噪聲很大的環(huán)境中，這種干擾是輸入噪聲的主要成分，嚴(yán)重降低輸入信號(hào)的信噪比(Signal to Noise Ratio, 簡(jiǎn)稱SNR)。

1.2.      單端恒流激勵(lì)

針對(duì)使用單個(gè)應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，另一種更適宜的測(cè)試方法是單端恒流激勵(lì)技術(shù) (參見圖3)。

這種方法使用了一個(gè)單端恒流源來(lái)激勵(lì)應(yīng)變片。因?yàn)橥ㄟ^(guò)應(yīng)變片的電流是保持恒定的，應(yīng)變片的電阻波動(dòng)被直接轉(zhuǎn)換成電壓波動(dòng)，不需要平衡或補(bǔ)償電阻。應(yīng)變片電壓檢測(cè)線（SENSE+/SENSE-） 盡管在精確的DC 測(cè)量時(shí)十分有效，動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量并不需要考慮，因?yàn)檠由鞂?dǎo)線引起的電壓下降不影響對(duì)應(yīng)變片的激勵(lì)，因此不影響AC應(yīng)變測(cè)量的靈敏度。正如圖2中虛線所示，恒流激勵(lì)技術(shù)的測(cè)量靈敏度不受導(dǎo)線電阻的影響。與惠斯通電橋技術(shù)不同的是，即使在橋路應(yīng)變片電阻變化很大的情況下，恒流激勵(lì)也可以提供固有的線性響應(yīng)。當(dāng)只需要?jiǎng)討B(tài)AC數(shù)據(jù)時(shí)，激勵(lì)線以AC耦合方式連接到差分放大器，形成一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)量靈敏度已知的兩線應(yīng)變片連接。

選擇激勵(lì)電平量級(jí)的主要標(biāo)準(zhǔn)通常是應(yīng)變片的功耗。通過(guò)簡(jiǎn)單電路分析可以看出，在應(yīng)變片功耗一定的情況下，與惠斯通電橋電路相比，恒流激勵(lì)技術(shù)可以提供兩倍的應(yīng)變靈敏度。使用一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)良的信號(hào)調(diào)理器，就可以立即使整個(gè)電路的信噪比改善6dB。另外，由于惠斯通電橋相當(dāng)于4個(gè)應(yīng)變片，系統(tǒng)的功耗是恒流激勵(lì)電路的4倍。

和兩線惠斯通電橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣，單端恒流激勵(lì)電路也是非對(duì)稱的。輸入端的所有耦合噪聲被直接轉(zhuǎn)換成差模干擾信號(hào)，明顯降低了測(cè)量信噪比(SNR)。

1.3.      對(duì)稱恒流激勵(lì)

對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)使用一對(duì)匹配的電流源激勵(lì)應(yīng)變片，并使用一個(gè)差分放大器測(cè)量應(yīng)變片電壓，如圖4所示。

該技術(shù)除了具有單端恒流激勵(lì)測(cè)量技術(shù)的線性特征和靈敏度優(yōu)點(diǎn)外，其對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有其它的測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)。從圖4可以看出，兩個(gè)差分放大器的連接端在物理空間和電氣兩方面相對(duì)作用于應(yīng)變片和連接電纜的干擾噪聲源都是對(duì)稱的。如果適當(dāng)注意電纜連接和布線，就可以使兩個(gè)對(duì)稱輸入端耦合噪聲幾乎相等，這樣耦合噪聲可以被差分放大器的共模抑制(CMR)功能地削減。對(duì)稱連接的其他優(yōu)點(diǎn)還包括：提高應(yīng)變片在故障條件下的容錯(cuò)度，以及以零為中心的變化范圍，這就更好地利用了信號(hào)調(diào)理器通常使用的雙極電源設(shè)計(jì)。

2.        對(duì)稱恒流激勵(lì)

       圖5 展示的是 PFI(Precision Filters Inc.)公司設(shè)計(jì)的差分對(duì)稱恒流技術(shù)電路圖。它使用兩個(gè)匹配的電流源形成“推-拉”的結(jié)構(gòu)，一個(gè)往應(yīng)變片“灌入” 電流，另一個(gè)從應(yīng)變片“拉出”電流。這兩個(gè)電流源匹配良好，浮地的應(yīng)變片通過(guò)雙絞屏蔽電纜連接到輸入端，此電路在物理空間和電氣兩方面都是對(duì)稱的，因此提供了出色的抗力。另外，對(duì)于雙極電源的地，應(yīng)變片的DC電壓是對(duì)稱的，與接地的單端電流源相比，對(duì)稱的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有兩倍的信號(hào)測(cè)量范圍。在四線模式下，信號(hào)電纜將應(yīng)變片直接連到差分放大器的高阻抗輸入端。因?yàn)檫@些信號(hào)線中的電流很小，信號(hào)線阻抗導(dǎo)致的壓降也很小，電流激勵(lì)電纜中的壓降對(duì)測(cè)量值的影響可以忽略不計(jì)。測(cè)量動(dòng)應(yīng)變時(shí)，SW1可以設(shè)置為兩線方式，當(dāng)輸入是 AC 耦合時(shí)，只放大動(dòng)應(yīng)變信號(hào)。由于輸入連接采用對(duì)稱差分輸入，用共模電壓驅(qū)動(dòng)（如圖5所示）電纜屏蔽層將進(jìn)一步提高差分放大器的共模抑制(CMR)能力。

     2.1 對(duì)稱恒流激勵(lì)的特性

與單端恒流激勵(lì)相比，對(duì)稱恒流激勵(lì)方法具有如下三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：(1)顯著地降低對(duì)靜電和電磁噪聲的敏感性；(2)對(duì)應(yīng)變片的某些故障情況具有免疫力；(3)具有較寬的電流輸出范圍。

對(duì)于靜電耦合噪聲，由于輸入端是對(duì)稱的，有效降低了噪聲敏感性。通過(guò)差分放大器的共模抑制比(CMR) 可以有效地抑制出現(xiàn)在共模信號(hào)上由延伸導(dǎo)線帶來(lái)的耦合噪聲。圖4 中包含了一個(gè)簡(jiǎn)單的靜電噪聲耦合模型，放大器通過(guò)雙絞屏蔽電纜連接工作片，非屏蔽電纜是噪聲E_N的載體 ，雙絞屏蔽電纜從非屏蔽電纜耦合噪聲。雙絞屏蔽電纜中的噪聲主要從屏蔽層之外的導(dǎo)線耦合進(jìn)來(lái)。設(shè) R_G 為應(yīng)變片電阻，R_IN為信號(hào)調(diào)理器的輸入阻抗，假設(shè)靜電噪聲源E_N通過(guò)雜散耦合電容 C_NH 和 C_NL 耦合到一對(duì)輸入導(dǎo)線。另外假設(shè) R_IN>>R_G， R_G 遠(yuǎn)小于C_NH 或 C_NL的阻抗。

在對(duì)稱恒流輸入方式下，耦合噪聲 V_NB 相對(duì)于頻率 f (Hz)的關(guān)系為:

V_NB = πfR_G|C_NH–C_NL|E_N    (2)

對(duì)單端恒流激勵(lì)方式，耦合噪聲V_NS 為:

V_NS  = 2πfR_GC_NHE_N     (3)

     2.2 對(duì)稱恒流激勵(lì)的噪聲耦合測(cè)試結(jié)果

       為了測(cè)試靜電耦合模型，用一段長(zhǎng)10 英尺（或3.05米）的雙絞延伸電纜連接到遠(yuǎn)端一個(gè)1k? 的應(yīng)變片上。雙絞延伸電纜緊貼一根無(wú)屏蔽的雙芯電纜（干擾電纜），從導(dǎo)管中穿過(guò)。干擾電纜中通入測(cè)試信號(hào)，用以描述噪聲耦合和頻率的關(guān)系。如圖7所示，單端連接（惠斯通電橋或恒流）的噪聲耦合每倍頻程增加6dB。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明電纜的耦合電容約為5pF/ft(或16.4pF/m )。惠斯通電橋的噪聲耦合有6dB的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)榛菟雇姌虻淖杩故?500? 而不是 1k?。在所有測(cè)試頻率，對(duì)稱恒流連接將噪聲耦合削減了大約40dB，測(cè)試結(jié)果相當(dāng)于電纜的耦合電容變?yōu)榧s1%。盡管這些測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)并不能直接應(yīng)用于用戶的測(cè)試設(shè)置或環(huán)境條件，但這些數(shù)據(jù)卻驗(yàn)證了靜電耦合模型，使我們能夠?qū)追N常見測(cè)試的耦合結(jié)果作出預(yù)測(cè)。表1列出了用于估計(jì)耦合電容的每單位長(zhǎng)度電纜的電容近似值。

在第二項(xiàng)測(cè)試中，一根連接應(yīng)變片的雙絞屏蔽線布置在一臺(tái)常規(guī)的電子機(jī)柜后方，緊鄰一臺(tái)19英寸SVGA電腦顯示器。應(yīng)變信號(hào)調(diào)理器的通道增益被設(shè)置成1000，用以放大一個(gè)1mV的應(yīng)變信號(hào)。

圖8清晰地顯示了在單端和對(duì)稱恒流電路中由電腦屏幕的水平掃描頻率造成的噪聲耦合情況。 我們能從圖表中看出對(duì)稱電路非常有效，它把噪聲耦合減少了34dB。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量的一種典型故障是由損壞或疲勞引起的應(yīng)變片一端短路。如果發(fā)生這一故障，這個(gè)通道的數(shù)據(jù)通常會(huì)丟失，其他通道的數(shù)據(jù)也會(huì)由于新產(chǎn)生的地回路的影響而失真。差分對(duì)稱恒流的拓?fù)浯_保從應(yīng)變片返回的電流等于注入應(yīng)變片的電流，消除了電流流向試件的可能性，即使應(yīng)變片的一端與試件短路。應(yīng)變片的一端與試件短路后，應(yīng)變片的偏置點(diǎn)將偏移到單端連接的點(diǎn)，輸入電路不再對(duì)稱，但應(yīng)變片仍然有適當(dāng)?shù)募?lì)和測(cè)量靈敏度，可以繼續(xù)工作。

對(duì)稱恒流的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是雙級(jí)性，應(yīng)變中心電壓為零，測(cè)量范圍加倍。假設(shè)應(yīng)變片的自發(fā)熱和功耗問(wèn)題被適當(dāng)關(guān)注并處理，增加應(yīng)變片激勵(lì)是改善整個(gè)測(cè)量靈敏度的方法。增加激勵(lì)意味著增加電流源輸出范圍。然而由于單端電流源的單級(jí)特性，變化范圍通常受到限制(一般8V到10V)。雙級(jí)電流激勵(lì)允許信號(hào)在兩路電源之間擺動(dòng)，使變化范圍翻倍。使用±15V電源，對(duì)稱連接方法可以輸送高達(dá)25mA的激勵(lì)電流給浮空的1k?應(yīng)變片。

3.        傳感器健康和布線的驗(yàn)證

隨著試件日趨昂貴，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的要求日趨嚴(yán)格，現(xiàn)今的試驗(yàn)方案通常包括大量的預(yù)試驗(yàn)設(shè)置和儀器狀態(tài)確認(rèn)步驟。有效的動(dòng)應(yīng)變預(yù)試驗(yàn)檢查步驟應(yīng)該包括：應(yīng)變計(jì)電阻檢查，激勵(lì)電平檢查，電纜和連接件完整性檢查，測(cè)量系統(tǒng)增益和頻率響應(yīng)檢查。通過(guò)有效設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理器前端，可以全自動(dòng)進(jìn)行這些檢查。如圖5所示，一路AC測(cè)試電流可以被疊加到DC激勵(lì)電流（SW2閉合）上，儀器不挪位置，就能完成電纜電阻、應(yīng)變計(jì)電阻和連接件完整性的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)，即使在輸入端為AC耦合的情況下也是如此。如果AC測(cè)試電流的幅值和頻率是程控的，則可以對(duì)系統(tǒng)的增益和頻率響應(yīng)進(jìn)行校驗(yàn)。另外，可以用任意波形發(fā)生器生成AC電流參考信號(hào)，模擬實(shí)際測(cè)試中遇到的復(fù)雜信號(hào)，以評(píng)估系統(tǒng)的響應(yīng)。從測(cè)量系統(tǒng)的角度看，無(wú)法區(qū)分信號(hào)是由注入的AC測(cè)試電流還是被激勵(lì)的傳感器產(chǎn)生。通過(guò)激勵(lì)電流源線路上的精確的低漂移感知電阻(RSENSE)，可以測(cè)量實(shí)際流過(guò)應(yīng)變片的激勵(lì)電流。激勵(lì)電流在“推”、“拉”兩條線路上被分別獨(dú)立監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)由激勵(lì)電流流向試件所產(chǎn)生的泄漏情況。應(yīng)變片故障檢測(cè)器持續(xù)監(jiān)測(cè)開路或短路狀態(tài)，并向用戶報(bào)警。

4.        總結(jié)

對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)是一種只采用兩線連接單工作片精確測(cè)量動(dòng)應(yīng)變的方法。與單端恒流激勵(lì)或使用遠(yuǎn)端補(bǔ)償電阻的四分之一電橋結(jié)構(gòu)相比，靜電耦合被有效抑制。即使在應(yīng)變片和試驗(yàn)件直接短路這樣特定的常見故障情況下，對(duì)稱恒流激勵(lì)電路也可以正常工作。與單端結(jié)構(gòu)相比，對(duì)稱恒流激勵(lì)電路能夠提供更寬的電流源輸出范圍。最后，本文描述了一種通過(guò)向電流回路注入AC測(cè)試電流來(lái)檢測(cè)傳感器、電纜和系統(tǒng)頻率響應(yīng)的技術(shù)。此AC激勵(lì)信號(hào)模擬了所需的信號(hào)，以評(píng)估系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜信號(hào)的響應(yīng)。

圖９和圖10展示了利用對(duì)稱恒流激勵(lì)技術(shù)開發(fā)的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)。這些信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)由PFI公司 (Precision Filters Inc.) 開發(fā), 提供了激勵(lì)、放大和抗混濾波等功能。其設(shè)計(jì)采用了這篇論文中介紹的所有對(duì)稱恒流激勵(lì)的特征和概念。

     鳴謝

在此作者希望對(duì)美國(guó)田納西州 塔拉霍馬市 阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）斯維德魯普公司的Bob Mahrenholz先生表示感謝，Mahrenholz先生引入了對(duì)稱恒流信號(hào)調(diào)理的概念。作者還要感謝 Don Chandler 先生和 Paul Constantini 先生對(duì)這里介紹的概念的貢獻(xiàn)。最后，我們還要感謝PFI公司的Don Hall 先生對(duì)本文的校對(duì)和制作的幫助。

    參考文獻(xiàn)

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2.      Morrison Ralph, 1967, Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation, New York: John Wiley & Sons

3.      Ott Henry W., 1988, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, New York: John Wiley & Sons

4.      Rich Alan, “Shielding and Guarding”, Analog Devices Inc., Analog Dialogue 17-1, 1983

5.      Rich Alan, “Understanding Interference Type Noise”, Analog Devices Inc., Analog Dialogue 16-3, 1982

6.      Wright Charles, 1995, Applied Measurement Engineering, New Jersey: Prentice Hall

商標(biāo)

1.      對(duì)稱恒流和BCC是Precision Filters Inc.的商標(biāo)

2.      National Instruments, NI和CompactRIO是國(guó)家儀器公司的商標(biāo)