專利名稱：一種應(yīng)變采集電路系統(tǒng)及應(yīng)變采集方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息采集技術(shù)，特別涉及一種應(yīng)變采集電路系統(tǒng)及應(yīng)變采集方法。
背景技術(shù)：
土木工程建筑如橋梁、大壩、高層建筑、大型場館等，都是國家重大基礎(chǔ)設(shè)施，長期處于風(fēng)、雨、雪等復(fù)雜的環(huán)境中，其安全性能關(guān)系國計民生，因此，對這些設(shè)施進(jìn)行長期監(jiān)測以發(fā)現(xiàn)潛在的隱患就尤其重要。目前，監(jiān)測一般采用應(yīng)變采集電路系統(tǒng)，即在設(shè)施的固體材料上安置應(yīng)變采集設(shè)備，例如電阻應(yīng)變片、應(yīng)變傳感器等，測量獲取固體材料的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，并通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)輸出。工程上在測量各種固體材料的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)時，大多通過應(yīng)變片法來實現(xiàn)，即利用電阻應(yīng)變片、應(yīng)變傳感器等監(jiān)測產(chǎn)生的應(yīng)變力學(xué)量，通過電橋轉(zhuǎn)換成應(yīng)變電壓信號，然后通過專門的采集電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以獲取應(yīng) 力應(yīng)變參數(shù)?，F(xiàn)有的無線應(yīng)變采集設(shè)備，大多采用電池供電來維持應(yīng)變采集電路系統(tǒng)工作，因而，需要加大電池容量以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的長期監(jiān)測需要，從而使得無線應(yīng)變采集設(shè)備體積大幅度增加，進(jìn)而限制了一些結(jié)構(gòu)上的架設(shè)，增加了無線節(jié)點架設(shè)的難度。進(jìn)一步地，由于應(yīng)變測量的需求種類繁多，因此應(yīng)變傳感器的類型(電阻不同、橋路不同等)也隨之增加，因此，如何適應(yīng)不用的測試要求，靈活的適應(yīng)于不同傳感器的需要也是亟待解決的問題；而且，由于傳感器生產(chǎn)廠家工藝的良莠不齊，可能會出現(xiàn)批次不同，出廠指標(biāo)相差較大等問題，使得不同批次架設(shè)的應(yīng)變傳感器在同一監(jiān)測點監(jiān)測得到的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)差異較大，采集精度較低，制約了應(yīng)變采集設(shè)備長期監(jiān)測的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提出一種應(yīng)變采集電路系統(tǒng)，降低應(yīng)變采集電路系統(tǒng)的功耗、提高應(yīng)變采集電路系統(tǒng)的采集精度。本發(fā)明的另一目的在于提出一種應(yīng)變采集方法，降低應(yīng)變采集電路系統(tǒng)的功耗、提高應(yīng)變采集電路系統(tǒng)的采集精度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種應(yīng)變采集電路系統(tǒng)，該應(yīng)變采集電路系統(tǒng)包括恒流源電路、橋路配置電路、硬件調(diào)平電路、放大調(diào)理電路以及A/D采集芯片，其中，恒流源電路，用于為橋路配置電路提供恒流源電流；橋路配置電路，用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，通過切換多路開關(guān)芯片，將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路；硬件調(diào)平電路，用于在橋路配置電路的測試橋路構(gòu)建后，在測試橋路的應(yīng)變傳感器未處于工作狀態(tài)時，對A/D采集芯片采集的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行靈偏校正；放大調(diào)理電路，用于對橋路配置電路輸出的因橋路微小應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行放大、調(diào)理以及濾波處理；
A/D采集芯片，用于將放大調(diào)理電路輸出的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸出以進(jìn)行信號分析。所述恒流源電路包括第一電阻、第二電阻、運算放大器、第三電阻以及第四電阻，其中，運算放大器的第一極通過第一電阻接入?yún)⒖茧妷?，第二極通過第二電阻接地，并通過第四電阻作為恒流輸入橋路配置電路的一極，運算放大器的第三極接地，第四極接模擬電壓，第五極通過第三電阻作為恒流輸入橋路配置電路的另一極。所述橋路配置電路包括多路開關(guān)芯片以及電阻橋路，其中，電阻橋路，用于將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路；

多路開關(guān)芯片，用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，控制測試橋路的構(gòu)成。所述多路開關(guān)芯片包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)以及第四開關(guān)；電阻橋路，包括第五橋臂電阻、第六橋臂電阻、第七橋臂電阻以及第八橋臂電阻；第五橋臂電阻與第六橋臂電阻的一端分別與恒流輸入橋路配置電路的一極相連，第五橋臂電阻的另一端與第二開關(guān)的第三極相連，第六橋臂電阻的另一端與第三開關(guān)的第二極相連；第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極相連，第一開關(guān)的第二極與第八橋臂電阻的一端相連，第八橋臂電阻的另一端與恒流輸入橋路配置電路的另一極相連，并與第七橋臂電阻的一端相連，第七橋臂電阻的另一端與第四開關(guān)的第三極相連，第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極相連，第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)以及第四開關(guān)的第一極并聯(lián)，接入模擬電壓；第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極的相連處作為輸入放大調(diào)理電路的一極，第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處作為輸入放大調(diào)理電路的另一極。所述連接橋路類型包括全橋、半橋、1/4橋。所述硬件調(diào)平電路包括橋路調(diào)平第九輔助電阻、可調(diào)電位計以及橋路調(diào)平第十輔助電阻，其中，橋路調(diào)平第九輔助電阻的一端接入恒流輸入硬件調(diào)平電路的一極，另一端與可調(diào)電位計的第二極相連，可調(diào)電位計的第一極接入第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處，第三極與橋路調(diào)平第十輔助電阻的一端相連，橋路調(diào)平第十輔助電阻的另一端接入恒流輸入硬件調(diào)平電路的另一極，可調(diào)電位計的第四極接入模擬電壓，第五極接地。所述放大調(diào)理電路包括第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容以及儀表放大器，其中，第十一電阻的一端接入第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極的相連處，另一端與儀表放大器的第一極相連，第一電容的一端與儀表放大器的第一極相連，另一端接地，第十二電阻的一端接入第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處，另一端與儀表放大器的第二極相連，第二電容的一端與儀表放大器的第二極相連，另一端接地，第十三電阻分別與儀表放大器的第三極和第四極相連，儀表放大器的第五極接地，第六極與第七極相連并接入模擬電壓，第八極接入?yún)⒖茧妷?，第九極分別與第十四電阻以及第三電容的一端相連，第十四電阻以及第三電容的另一端與儀表放大器的第十極相連，同時，第十極與第十五電阻的一端相連，第十五電阻的另一端與第四電容的一端相連并作為輸入A/D米集芯片的一極，第四電容的另一端與第八極相連并作為輸入A/D米集芯片的另一極。一種應(yīng)變采集方法，該方法包括預(yù)先為橋路配置電路設(shè)置恒流源電流；根據(jù)待測試的應(yīng)變傳感器，切換橋路配置電路中的多路開關(guān)芯片，組成測試橋路；根據(jù)待測試的應(yīng)變傳感器性能參數(shù)配置放大調(diào)理電路參數(shù)；調(diào)節(jié)硬件調(diào)平電路，使處于靜態(tài)工作的測試橋路平衡；啟動測試橋路進(jìn)行監(jiān)測，并通過A/D采集芯片采集監(jiān)測的應(yīng)變信息。由上述的技術(shù)方案可見，本發(fā)明提供的一種應(yīng)變采集電路系統(tǒng)及應(yīng)變采集方法，該系統(tǒng)包括用于為橋路配置電路提供恒流源電流的恒流源電路；用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，通過切換多路開關(guān)芯片，將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路的橋路配置電路；用于在橋路配置電路的測試橋路構(gòu)建后，在測試橋路的應(yīng)變傳感器未處于工作狀態(tài)時，對A/D采集芯片采集的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行靈偏校正的硬件調(diào)平電路；用于對橋路配置電路輸出的因橋路微小應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行放大、調(diào)理以及濾波處理的放大調(diào)理電路；以及，用于將放大調(diào)理電路輸出的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸出以進(jìn)行信號分析的A/D采集芯片。這樣，通過恒流源電路提供恒流源電流，使得橋路電流與橋臂電阻的大小無關(guān)，從而降低了功耗；進(jìn)一步地，通過硬件調(diào)平電路，對橋路配置電路進(jìn)行靈偏校正，可以避免環(huán)境變化、應(yīng)變傳感器出廠指標(biāo)相差較大、應(yīng)變片電阻的不一致性等不可避免因素對監(jiān)測結(jié)果的影響，提高了應(yīng)變采集電路系統(tǒng)的采集精度以及采集穩(wěn)定性。


圖I為本發(fā)明實施例應(yīng)變采集電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例的應(yīng)變采集方法流程示意圖。圖3為本發(fā)明實施例一的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明實施例一的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明實施例二的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本發(fā)明實施例二的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。圖I為本發(fā)明實施例應(yīng)變米集電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖。參見圖I，該應(yīng)變米集電路系統(tǒng)包括恒流源電路101、橋路配置電路102、硬件調(diào)平電路103、放大調(diào)理電路104以及A/D采集芯片105，其中，恒流源電路101，用于為橋路配置電路102提供恒流源電流；本發(fā)明實施例中，恒流源電路101是使用運算放大器通過第二電阻R2和參考電壓 V.REF的配比計算產(chǎn)生恒定電流，用于為橋路配置電路102提供工作所需要的恒流源激勵，從而使得橋路配置電路102的橋路電流不再和橋臂電阻的大小產(chǎn)生直接聯(lián)系，進(jìn)而降低了橋路配置電路102整體工作的功耗，特別適合于使用電池供電的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長期監(jiān)測應(yīng)用。恒流源電路101包括第一電阻R1、第二電阻R2、運算放大器、第三電阻R3以及第四電阻R4，運算放大器的第一極通過第一電阻接入?yún)⒖茧妷?，第二極通過第二電阻接地(AGND)，并通過第四電阻作為恒流輸入橋路配置電路102的一極，運算放大器的第三極接地，第四極接模擬電壓AV CC，第五極通過第三電阻作為恒流輸入橋路配置電路102的另一極，第一電阻、第三電阻以及第四電阻依據(jù)經(jīng)驗值而定，其阻值與第二電阻相近。實際應(yīng)用中，可以根據(jù)模擬電壓的供電電壓情況，依據(jù)經(jīng)驗確定參考電壓的大小，進(jìn)而與第二電阻R2匹配，完成橋路電流大小設(shè)置，使得橋路電流I = V_REF/R2。橋路配置電路102，用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，通過切換多路開關(guān)芯片，將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路；本發(fā)明實施例中，連接橋路類型包括全橋、半橋、1/4橋。橋路配置電路102包括多路開關(guān)芯片以及電阻橋路，其中，電阻橋路，用于將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路；多路開關(guān)芯片，用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，控制測試橋路的構(gòu)成。多路開關(guān)芯片，包括第一開關(guān)SI、第二開關(guān)S2、第三開關(guān)S3以及第四開關(guān)S4 ；電阻橋路，包括第五橋臂電阻R5、第六橋臂電阻R6、第七橋臂電阻R7以及第八橋臂電阻R8 ；第五橋臂電阻與第六橋臂電阻的一端分別與恒流輸入橋路配置電路102的一極相連，第五橋臂電阻的另一端與第二開關(guān)的第三極相連，第六橋臂電阻的另一端與第三開關(guān)的第二極相連；第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極相連，第一開關(guān)的第二極與第八橋臂電阻的一端相連，第八橋臂電阻的另一端與恒流輸入橋路配置電路102的另一極相連，并與第七橋臂電阻的一端相連，第七橋臂電阻的另一端與第四開關(guān)的第三極相連，第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極相連，第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)以及第四開關(guān)的第一極并聯(lián)，接入模擬電壓；第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極的相連處作為輸入放大調(diào)理電路104的一極，第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處作為輸入放大調(diào)理電路104的另一極；恒流輸入橋路配置電路102的一極作為輸入硬件調(diào)平電路103的一極，恒流輸入橋路配置電路102的另一極作為輸入硬件調(diào)平電路103的另一極。即橋路配置電路與硬件調(diào)平電路共輸入極。本發(fā)明實施例中，通過控制多路開關(guān)芯片的通斷來切換電阻橋路內(nèi)部的橋臂電阻，從而接入外部的應(yīng)變傳感器，可以靈活地適應(yīng)不同應(yīng)變傳感器連接類型的橋路連接要求，例如，全橋、半橋、1/4橋等，大大增加了應(yīng)變采集電路架設(shè)的靈活性，特別適合于有分批次架設(shè)、外接應(yīng)變傳感器規(guī)格較多等特點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長期監(jiān)測應(yīng)用。硬件調(diào)平電路103，用于在橋路配置電路102的測試橋路構(gòu)建后，在測試橋路的應(yīng)變傳感器未處于工作狀態(tài)時，對A/D采集芯片105采集的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行靈偏校正；本發(fā)明實施例中，進(jìn)行靈偏校正是通過控制硬件調(diào)平電路103中的可調(diào)電位計的阻值大小完成的。硬件調(diào)平電路103包括橋路調(diào)平第九輔助電阻R9、可調(diào)電位計以及橋路調(diào)平第十輔助電阻R10，其中，橋路調(diào)平第九輔助電阻的一端接入恒流輸入硬件調(diào)平電路的一極，另一端與可調(diào)電位計的第二極相連，可調(diào)電位計的第一極接入第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處，第三極與橋路調(diào)平第十輔助電阻的一端相連，橋路調(diào)平第十輔助電阻的另一端接入恒流輸入硬件調(diào)平電路103的另一極，可調(diào)電位計的第四極接入模擬電壓，第五極接地。本發(fā)明實施例中，通過控制或調(diào)整可調(diào)電位計的阻值大小，可以完成硬件調(diào)平電路103的靈偏校正，使得因環(huán)境變化、應(yīng)變片電阻不一致性等不可避免因素帶來的橋路靈偏得以校正，在靈偏校正已完成的情況下，將應(yīng)變傳感器處于不發(fā)生形變的常態(tài)下，即可進(jìn)行A/D的數(shù)據(jù)采集，使得監(jiān)測結(jié)果更加準(zhǔn)確，提高了應(yīng)變采集電路的采集精度，擴展了測試范圍。放大調(diào)理電路104，用于對橋路配置電路102輸出的因橋路微小應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行放大、調(diào)理以及濾波處理；本發(fā)明實施例中，恒流源電路101的恒流輸出分別作為橋路配置電路102以及硬件調(diào)平電路103的輸入，橋路配置電路102的輸出作為放大調(diào)理電路104的輸入。通過設(shè)置放大調(diào)理電路104合理的放大倍數(shù)和濾波頻率，能夠最大程度的還原應(yīng)變傳感器監(jiān)測固體材料變形產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號,從而實時反應(yīng)測試橋路的變化情況,并使應(yīng)變電壓信號在進(jìn)入A/D采集芯片前調(diào)理成一個較為穩(wěn)定的電壓信號。在測試橋路確定之后，根據(jù)應(yīng)變傳感器的靈敏度、測試的實際量程、測試橋路分辨率以及采樣頻率等因素，基于經(jīng)驗進(jìn)行綜合分析計算，配置儀表放大器的放大倍數(shù)和濾波的截止頻率。放大調(diào)理電路104包括^一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容以及儀表放大器，第^ 電阻的一端接入第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極的相連處，另一端與儀表放大器的第一極相連，第一電容的一端與儀表放大器的第一極相連，另一端接地，第十二電阻的一端接入第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處，另一端與儀表放大器的第二極相連，第二電容的一端與儀表放大器的第二極相連，另一端接地，第十三電阻分別與儀表放大器的第三極和第四極相連，儀表放大器的第五極接地，第六極與第七極相連并接入模擬電壓，第八極接入?yún)⒖茧妷?，第九極分別與第十四電阻以及第三電容的一端相連，第十四電阻以及第三電容的另一端與儀表放大器的第十極相連，同時，第十極與第十五電阻的一端相連，第十五電阻的另一端與第四電容的一端相連并作為輸入A/D采集芯片105的一極，第四電容的另一端與第八極相連并作為輸入A/D采集芯片105的另一極。通過調(diào)整第十一電阻 第十五電阻以及第一電容 第四電容，可以調(diào)整儀表放大器的放大倍數(shù)和濾波的截止頻率，具體調(diào)整的流程可參見相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，在此不再贅述。A/D采集芯片105，用于將放大調(diào)理電路104輸出的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸出以進(jìn)行信號分析。
本發(fā)明實施例中，在靈偏校正調(diào)整完成后，應(yīng)變傳感器所產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號，經(jīng)過放大調(diào)理電路104的放大、濾波處理，可以通過A/D采集芯片105轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過其他數(shù)字接口，例如，串行外圍設(shè)備接口(SPI, Serial Peripheral Interface)、串口等接口傳輸給主控芯片，進(jìn)行后續(xù)處理、分析等工作。圖2為本發(fā)明實施例的應(yīng)變采集方法流程示意圖。參見圖2，該流程包括步驟201，預(yù)先為橋路配置電路設(shè)置恒流源電流；本步驟中，為橋路配置電路中的測試橋路設(shè)置恒流源電流，使橋路電流與測試橋路中的橋臂電阻的大小無直接聯(lián)系，從而降低橋路配置電路整體工作的功耗。步驟202，根據(jù)待測試的應(yīng)變傳感器，切換橋路配置電路中的多路開關(guān)芯片，組成測試橋路；
本步驟中，如果待測試的應(yīng)變傳感器的橋路連接要求為1/4橋，則將該應(yīng)變傳感器替換電阻橋路中的任一電阻，從而組成測試橋路；如果待測試的應(yīng)變傳感器的橋路連接要求為半橋，則將該應(yīng)變傳感器替換電阻橋路中的任意兩個電阻，組成測試橋路；如果待測試的應(yīng)變傳感器的橋路連接要求為全橋，則將該應(yīng)變傳感器替換電阻橋路中的所有電阻，組成測試橋路。步驟203，根據(jù)待測試的應(yīng)變傳感器性能參數(shù)配置放大調(diào)理電路參數(shù)；本步驟中，根據(jù)待測試的應(yīng)變傳感器的靈敏度、測試的實際量程、測試橋路分辨率以及采樣頻率等應(yīng)變傳感器性能參數(shù)，基于經(jīng)驗進(jìn)行綜合分析計算，配置放大調(diào)理電路參數(shù)，例如，儀表放大器的放大倍數(shù)和濾波的截止頻率。步驟204，調(diào)節(jié)硬件調(diào)平電路，使處于靜態(tài)工作的測試橋路平衡；本步驟中，靜態(tài)工作是指在未啟動應(yīng)變傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的情況下，使恒流源電路、橋路配置電路、硬件調(diào)平電路、放大調(diào)理電路以及A/D采集芯片進(jìn)入工作狀態(tài)，根據(jù)A/D采集芯片的輸出，調(diào)節(jié)硬件調(diào)平電路，使得調(diào)整后的A/D采集芯片的輸出為零，這樣，可以確定處于靜態(tài)工作的測試橋路平衡。步驟205，啟動測試橋路進(jìn)行監(jiān)測，并通過A/D采集芯片采集監(jiān)測的應(yīng)變信息。本步驟中，在確定處于靜態(tài)工作的測試橋路平衡后，將應(yīng)變傳感器置于工作狀態(tài)，開始監(jiān)測并采集應(yīng)變信息，經(jīng)放大調(diào)理電路的放大及濾波處理，最后由A/D采集芯片采集經(jīng)處理的應(yīng)變信息。由上述可見，本發(fā)明實施例的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)及應(yīng)變采集方法，恒流源電路為橋路配置電路以及硬件調(diào)平電路提供恒流源電流，從而使得測試橋路的橋路電流與橋臂電阻的大小無關(guān)，硬件調(diào)平電路工作電流與可調(diào)電阻大小無關(guān)，從而降低了橋路配置電路以及硬件調(diào)平電路整體工作的功耗，能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的長期監(jiān)測需要；同時，無線應(yīng)變采集設(shè)備體積較小，降低了無線節(jié)點架設(shè)的難度，適應(yīng)性強；進(jìn)一步地，通過硬件調(diào)平電路，對橋路配置電路進(jìn)行靈偏校正，可以避免環(huán)境變化、應(yīng)變傳感器出廠指標(biāo)相差較大、應(yīng)變片電阻的不一致性等不可避免因素對監(jiān)測結(jié)果的影響，提高了應(yīng)變采集電路系統(tǒng)的采集精度以及采集穩(wěn)定性；而且，通過多路開關(guān)芯片的切換控制，可以滿足不同的應(yīng)變傳感器測試要求，可以靈活地適應(yīng)于不同傳感器的需要，增加了應(yīng)變采集電路架設(shè)的靈活性，特別適合于有分批次架設(shè)、外接應(yīng)變傳感器規(guī)格較多等特點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長期監(jiān)測應(yīng)用。
以下基于圖I和圖2，舉兩個具體實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。實施例一圖3為本發(fā)明實施例一的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖3，結(jié)構(gòu)與圖I相類似，包括恒流源電路、橋路配置電路、硬件調(diào)平電路、放大調(diào)理電路以及A/D采集芯片，其中，外接的應(yīng)變傳感器的應(yīng)變電阻為120 Q，模擬電壓為3V，采用半橋方式接入橋路配置電路，閉合橋路配置電路的多路開關(guān)芯片中的第二開關(guān)以及第三開關(guān)，恒流源電路向測試橋路提供I. 25mA的激勵電流，設(shè)置放大調(diào)理電路的放大倍數(shù)為400倍。圖4為本發(fā)明實施例一的應(yīng)變米集電路系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)不意圖。參見圖4,為圖3基于圖I的等效示意圖，通過將圖I橋路配置電路中的第七橋臂電阻和第八橋臂電阻分別采用應(yīng)變傳感器進(jìn)行替換，從而得到圖4的物理結(jié)構(gòu)。 首先，由于該應(yīng)變采集電路供電部分為3V，因此恒流源電路部分選用參考電壓V REF的電壓為I. 25V，第二電阻R2的阻值選擇為IkQ，因而，設(shè)置的恒流源激勵電流為I. 25mA0其次，由于外接應(yīng)變傳感器為半橋，需要閉合多路開關(guān)芯片中的第二開關(guān)和第三開關(guān)，從而使內(nèi)部橋臂電阻(第五橋臂電阻以及第六橋臂電阻)和外部應(yīng)變傳感器的應(yīng)變電阻組成完整的測試橋路。接著，通過對橋路激勵電流、應(yīng)變電阻值和靈敏度等進(jìn)行綜合分析，將儀表放大器的放大倍數(shù)設(shè)置為400倍。最后，將應(yīng)變傳感器置于沒有形變的常態(tài)下，進(jìn)行A/D信號采集，動態(tài)調(diào)整可調(diào)電位計的阻值，從而使得測試橋路完成靈偏校正。待校準(zhǔn)完成后，就可進(jìn)行實際應(yīng)變的A/D采集，將應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行傳輸、處理、分析。實施例二圖5為本發(fā)明實施例二的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖5，結(jié)構(gòu)與圖3相類似，不同的是，外接的應(yīng)變傳感器采用1/4橋方式接入橋路配置電路。圖6為本發(fā)明實施例二的應(yīng)變采集電路系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)示意圖。參見圖6，為圖5基于圖I的等效示意圖，通過將圖I橋路配置電路中的第八橋臂電阻采用應(yīng)變傳感器進(jìn)行替換，從而得到圖6的物理結(jié)構(gòu)。由于外接應(yīng)變傳感器為1/4橋，需要閉合多路開關(guān)芯片中的第二開關(guān)、第三開關(guān)和第四開關(guān)，從而使內(nèi)部橋臂電阻(第五橋臂電阻、第六橋臂電阻以及第七橋臂電阻)和外部應(yīng)變傳感器的應(yīng)變電阻組成完整的測試橋路。設(shè)置儀表放大器的放大倍數(shù)、進(jìn)行靈偏校正以及實際應(yīng)變的A/D采集，與圖4相同，在此不再贅述。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換以及改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)變采集電路系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括恒流源電路、橋路配置電路、硬件調(diào)平電路、放大調(diào)理電路以及A/D采集芯片，其中， 恒流源電路，用于為橋路配置電路提供恒流源電流； 橋路配置電路，用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，通過切換多路開關(guān)芯片，將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路； 硬件調(diào)平電路，用于在橋路配置電路的測試橋路構(gòu)建后，在測試橋路的應(yīng)變傳感器未處于工作狀態(tài)時，對A/D采集芯片采集的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行靈偏校正； 放大調(diào)理電路，用于對橋路配置電路輸出的因橋路微小應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行放大、調(diào)理以及濾波處理； A/D采集芯片，用于將放大調(diào)理電路輸出的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并輸出以進(jìn)行信號分析。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述恒流源電路包括第一電阻、第二電阻、運算放大器、第三電阻以及第四電阻，其中， 運算放大器的第一極通過第一電阻接入?yún)⒖茧妷?，第二極通過第二電阻接地，并通過第四電阻作為恒流輸入橋路配置電路的一極，運算放大器的第三極接地，第四極接模擬電壓，第五極通過第三電阻作為恒流輸入橋路配置電路的另一極。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述橋路配置電路包括多路開關(guān)芯片以及電阻橋路，其中， 電阻橋路，用于將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路； 多路開關(guān)芯片，用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，控制測試橋路的構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述多路開關(guān)芯片包括第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)以及第四開關(guān)； 電阻橋路，包括第五橋臂電阻、第六橋臂電阻、第七橋臂電阻以及第八橋臂電阻； 第五橋臂電阻與第六橋臂電阻的一端分別與恒流輸入橋路配置電路的一極相連，第五橋臂電阻的另一端與第二開關(guān)的第三極相連，第六橋臂電阻的另一端與第三開關(guān)的第二極相連； 第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極相連，第一開關(guān)的第二極與第八橋臂電阻的一端相連，第八橋臂電阻的另一端與恒流輸入橋路配置電路的另一極相連，并與第七橋臂電阻的一端相連，第七橋臂電阻的另一端與第四開關(guān)的第三極相連，第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極相連，第一開關(guān)、第二開關(guān)、第三開關(guān)以及第四開關(guān)的第一極并聯(lián)，接入模擬電壓； 第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極的相連處作為輸入放大調(diào)理電路的一極，第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處作為輸入放大調(diào)理電路的另一極。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述連接橋路類型包括全橋、半橋、1/4橋。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述硬件調(diào)平電路包括橋路調(diào)平第九輔助電阻、可調(diào)電位計以及橋路調(diào)平第十輔助電阻，其中， 橋路調(diào)平第九輔助電阻的一端接入恒流輸入硬件調(diào)平電路的一極，另一端與可調(diào)電位計的第二極相連，可調(diào)電位計的第一極接入第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處，第三極與橋路調(diào)平第十輔助電阻的一端相連，橋路調(diào)平第十輔助電阻的另一端接入恒流輸入硬件調(diào)平電路的另一極，可調(diào)電位計的第四極接入模擬電壓，第五極接地。
7.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放大調(diào)理電路包括第十一電阻、第十二電阻、第十三電阻、第十四電阻、第十五電阻、第一電容、第二電容、第三電容、第四電容以及儀表放大器，其中， 第十一電阻的一端接入第四開關(guān)的第二極與第三開關(guān)的第三極的相連處，另一端與儀表放大器的第一極相連，第一電容的一端與儀表放大器的第一極相連，另一端接地，第十二電阻的一端接入第二開關(guān)的第二極與第一開關(guān)的第三極的相連處，另一端與儀表放大器的第二極相連，第二電容的一端與儀表放大器的第二極相連，另一端接地，第十三電阻分別與儀表放大器的第三極和第四極相連，儀表放大器的第五極接地，第六極與第七極相連并接入模擬電壓，第八極接入?yún)⒖茧妷?，第九極分別與第十四電阻以及第三電容的一端相連，第十四電阻以及第三電容的另一端與儀表放大器的第十極相連，同時，第十極與第十五電阻的一端相連，第十五電阻的另一端與第四電容的一端相連并作為輸入A/D采集芯片的一極，第四電容的另一端與第八極相連并作為輸入A/D采集芯片的另一極。
8.一種應(yīng)變采集方法，其特征在于，該方法包括 預(yù)先為橋路配置電路設(shè)置恒流源電流； 根據(jù)待測試的應(yīng)變傳感器，切換橋路配置電路中的多路開關(guān)芯片，組成測試橋路； 根據(jù)待測試的應(yīng)變傳感器性能參數(shù)配置放大調(diào)理電路參數(shù)； 調(diào)節(jié)硬件調(diào)平電路，使處于靜態(tài)工作的測試橋路平衡； 啟動測試橋路進(jìn)行監(jiān)測，并通過A/D采集芯片采集監(jiān)測的應(yīng)變信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)變采集電路系統(tǒng)及應(yīng)變采集方法。該系統(tǒng)包括用于為橋路配置電路提供恒流源電流的恒流源電路；用于根據(jù)監(jiān)測所需的外接應(yīng)變傳感器的連接橋路類型，通過切換多路開關(guān)芯片，將外接應(yīng)變傳感器替換電阻橋路的電阻，構(gòu)成測試橋路的橋路配置電路；用于在橋路配置電路的測試橋路構(gòu)建后，在測試橋路的應(yīng)變傳感器未處于工作狀態(tài)時，對A/D采集芯片采集的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行靈偏校正的硬件調(diào)平電路；用于對橋路配置電路輸出的因橋路微小應(yīng)變產(chǎn)生的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行放大、調(diào)理以及濾波處理的放大調(diào)理電路；以及用于將放大調(diào)理電路輸出的應(yīng)變電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并輸出的A/D采集芯片。應(yīng)用本發(fā)明，可以降低系統(tǒng)的功耗、提高采集精度。
文檔編號G01R35/00GK102707162SQ20111046055
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者唐智斌, 羅銀生, 邱航 申請人:北京必創(chuàng)科技有限公司