相关检测技术在应变测量中的应用*

1 引言

各种大型结构体(如大型船体,桥梁建筑等)通常需要监测其结构的安全状态,结构安全状态监测一般通过测量结构应变[1～2]、振动[3]、温度[4]等物理量来实现。目前,测量应变常采用的传感器是应变电阻,通过测量安装在结构体上的应变电阻阻值来获得结构的应变大小,应变电阻阻值Rx=R0+Δ R,Δ R为应变电阻受应变后的电阻值变化量,通常认为Δ R正比于应变ε,应变的测量精度由Δ R的测量精度决定。

2 常用测量方案

一般用电阻桥来实现电阻的高精度测量[5～6],常用的测量应变电阻阻值的方案如图1所示。

图1中,采用电阻桥来测量应变电阻Rx的阻值,其中R1=R2=R3=R0,电阻桥直流偏置电压Vb,仪表放大器(In-amp)的增益为G,仪表放大器输出电压:

图1 应变电阻测量方案

仪表放大器输出电压Vs经低通滤波器(Lowpass filter)滤波后由ADC转化为数字信号,送入CPU中处理,整个系统能实现自动化测量和控制。这是目前最常用的结构体应变测量方案,能满足一般的测量要求,但如果对应变测量精度要求高时,此方案存在两个方面的问题:1)环境电磁干扰[2],应变电阻R x和测试电路的连接电缆一般较长,容易引入环境的电磁干扰,在一些恶劣的电磁环境(如舰船、电站等)中,这种干扰尤为明显,而且干扰噪声的频率低(如50Hz工频干扰),难以用滤波器滤除;2)仪表放大器存在输入失调电压,且随环境温度变化,给测量带来直流误差[7～8],虽然目前高性能的仪表放大器输入失调电压很小,但在测量精度要求高的场合,其误差影响仍不可忽略。文献[8]提出了一种多通道测量方案来消除放大器失调误差引起的测量误差,但方案中应变片等元件的布设过于复杂,不利于工程应用。本文提出用相关检测技术来测量应变电阻阻值,能有效抑制环境电磁干扰和放大器的直流误差。

3 相关检测方案

为了减小环境电磁干扰和仪表放大器输入失调电压的影响,可以给电阻桥加交流调制电压,使得应变电阻阻值变化量 Δ R引起的电压信号Vs频率与环境电磁干扰和仪表放大器输入失调电压的频率显著不同,从而可以用相关检测技术精确的测量出Δ R。采用相关检测技术的测量方案如图2所示,偏置电压Vb改为交流信号电压,由DSP按特定频率生成。图2中仪表放大器输出Vo由3部分构成:

其中,Vs(t)为信号电压,Vn(t)为各种电磁干扰和电路噪声引起的噪声电压,Vd为仪表放大器输入失调电压引起的直流误差电压。设偏置电压Vb(t)=Vb0cos(ωst+φ0),则信号电压

图2 相关检测技术测量应变电阻的方案

4 相关运算求解 Δ R

DSP中,将ADC采集到的仪表放大器输出信号Vo(t)和一对正交参考信号Vr1(t)=cos(ωst)和Vr2(t)=sin(ωst)作相关运算。Vo(t)和余弦参考信号Vr1(t)的相关函数:

5 测量系统噪声分析

结构体的应变是个准静态物理量,为了获得精确的测量结果,在测量系统中要尽可能的抑制噪声、干扰和各种测量误差。用电阻桥测量应变电阻的测量系统中,影响测量准确性的因素主要有电阻热噪声、放大器噪声(在低频段主要体现为1/f噪声)、环境电磁干扰、放大器直流误差等,由于放大器的1/f噪声、环境工频电磁干扰、放大器直流误差都集中在低频段,和应变信号频率接近,用图1方案中放大器后接低通滤波器的方法很难获得很高的信噪比。

在图2的相关检测方案中,将需要测量的应变电阻信息调制到角频率ωs频段,从而避开了低频的1/f噪声、环境工频电磁干扰和放大器直流误差,测量精度得以提高。相关运算等效于一个带宽非常窄的带通滤波器,在相关时间T足够长的情况下,从式(4)可以看出,低频噪声、干扰、直流误差和参考信号的相关运算结果趋近零,从而能显著抑制这些噪声和干扰,提高测量精度。

6 结语

从以上分析可知,采用相关检测技术的应变电阻测量方案(图2)相比常用的测量方案(图1)能显著抑制电路1/f噪声、环境工频电磁干扰和放大器直流误差,测量精度得以提高。

另外,从成本方面考虑,虽然图2的方案要增加一个DAC电路,电路成本有所提高,但此方案不需要调节电路直流零位,自动化测量程度提高;抗环境电磁干扰能力强,对连接传感器(应变电阻)的电缆及其布线要求降低。所以,采用相关检测技术的测量方案能大幅度降低人工成本和电缆成本,整体成本得以降低。

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