微应变信号测量处理系统的设计

白 添，张玉红，高 桂，李玉丽，李佳伦

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130118

0 引言

在工程测量和工程检测领域一般会涉及到微弱信号的检测.在对管道泄漏系统的研究发现,当管道出现泄漏点时,会引起其管道壁的形变,这种形变量一般较小,对于这种信号的测量,需要设计高灵敏度的检验电路.本文以此为出发点,研究微小信号的测量处理,微小信号处理电路不仅涉及信号的放大,而且要求信号放大的同时具有稳定性及高精密度[1],但是微小信号本身的能量较小,极易被噪声淹没或者受到外界的干扰,这一缺陷是微小信号处理电路设计的难点.目前对于微小信号处理电路的设计,要么在精确度和稳定性方面达不到很好的效果,要么在提高了稳定性与精确性的同时又产生了电路和设备过于复杂和昂贵的弊端,故而开发一个简便、经济并且又可以最大满足稳定精确放大要求的微小信号处理系统是十分必要的.

OP 07作为一种高精度的运算放大器,其芯片具有低噪声、极低失调电压和温漂的优良特性,同时具有较宽输入电压范围、高共模抑制比以及高输入阻抗等特点,而且还具有很好的精确度、稳定性和线性度,这些优良特性使得OP 07在高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面特别适用[2].因此，以OP 07为微小信号测量处理系统的核心,是解决微弱信号处理问题的一个很好的廉价方案.

本文设计了一个以OP 07为核心的高精度信号处理系统.本系统先通过应变传感器进行微弱信号测试,该传感器采用桥式电路结构,将物体发生微弱形变时产生的力信号转化为电信号.从桥式电路中获得的电信号通常存在着较大的共模信号,其数值有时远大于差模信号[3],因此，需要一种抑制共模信号只放大差模信号、增益较高的放大电路.本文利用OP 07作为系统滤波放大电路及电压跟随器的核心,对微弱电信号进行处理,经处理后的信号可直接进行A/D转换及数字化处理,最后通过实验验证了电路的可行性.

1 应用ANSYS软件分析管道泄漏微应变

微小信号测量处理系统的用途非常广泛,无论在工程测量还是在工业领域都有涉猎.例如,对于运输各种流体介质能源的管道,若出现泄漏现象,便会引起管道壁的形变.对这种形变的监测将有助于各类管道的健康监测,降低损失.为掌握管道泄漏时的形变状况,本文借助ANSYS 软件获得如图1和图2所示的管道泄漏模型模拟结果.由图1可以看出,管道在正常工作时变形量极小.由图2可以看出,当管道一旦泄漏时原有状态将被打破,泄漏孔附近的变形量会急剧增大,泄露孔直径可达9 cm.因此,可由检测管道形变量来判断管道是否存在泄漏.当管道内壁泄漏发生形变时,产生的微弱应变信号经微小信号测量处理系统采集、转化及放大滤波处理后,可直接经A/D 转换并上传至计算机,进而实现对管道的及时运维.因此,微小信号测量处理系统的开发非常必要.

图1 管道正常无泄漏模型Fig.1 Pipeline normal leak-free model

图2 管道泄漏产生形变模型Fig.2 Pipeline leakage produces a deformation model

2 微小信号处理电路的设计

本文微小信号处理系统主要由5部分构成,分别是系统供电模块、电桥稳压电源模块、应变电桥电路、放大滤波电路、电压跟随器.系统供电模块主要作用是用来为系统其它模块提供稳定可靠的电压,保证系统的正常运行.应变桥式电路的作用是将物体发生微弱形变时产生的力信号转化为电信号.放大滤波电路是以OP 07为核心的运算放大器,对应变电桥输出的微小电信号进行滤波放大.电压跟随器在本系统中的主要功能是尽可能减少信号损耗,起到了缓冲及隔离的作用.

2.1 电桥稳压电源

电桥稳压电源模块是一个重要的设计,由于测量电桥输出的信号很微弱,为了保证电桥稳定工作,则需要一个稳定的电源模块.一般测量现场都与供电电源相距较远,需要较长的电线与测量电桥相连才可将电源引入测量电桥以实现供电,而长电线输送电源会有微弱的干扰信号,会对测量电桥产生显著的影响.此处在电桥的一端设计连接了LM 7805稳压芯片使供桥电压稳定在5 V,达到了本地对电桥供电的目的,并消除了电源波动产生的不良影响,进而实现了稳定供电.

2.2 电阻应变电桥

电桥电路主要分为直流电桥和交流电桥,一般应变电桥多采用交流电供电[4],但交流电会影响电桥平衡,并且在测量应变信号时操作也会变得复杂.相反,直流供电的桥路更加平衡,在信号的采集和 A/D 转换时也更加平稳,故本文中的应变电桥采用直流供电.

电阻应变电桥的工作原理,即导体在外界力的作用下产生机械变形时其电阻值相应发生变化[5].本文对于微弱应力的测量试验,先将桥臂上的120 Ω应变片置于合金钢片粘贴,钢片无形变时应变片无形变,此时电桥处于静态,没有应变发生,即没有信号输出,则有应变桥臂电阻R1=R2=R3=R4=120 Ω.当钢片发生微小形变,应变片就产生形变, 相应的电阻值发生变化, 从而使桥路失去平衡,就会有微弱的应变信号输出.

2.3 放大滤波与电压跟随电路

微弱力信号通过电阻桥式电路,会输出一个mV级的差模应变信号,要处理该微小信号,就必须设计一个高增益、高共模抑制比并且低噪声的放大器[6].普通的一阶低通滤波电路,由于滤波陡度较为平缓,滤波效果较差,不能有效地达到实验精度要求[7].在本文设计的放大滤波电路中,以OP 07为高精度运算放大器的核心,它可以很好的抑制共模信号并放大差模信号,将其与有一定阻容配比的电阻电容构成有源低通滤波放大电路,可保证放大信号的精确与稳定.如图3为放大滤波电路和电压跟随电路,放大滤波电路的截止频率可通过配置电阻R8与电容C1的值来决定,即,信号放大倍数则可通过配置电阻R8与R5的阻值比决定,即.由此,放大滤波电路的放大倍数和截止频率均可根据实际要求来进行匹配,以满足低通滤波和放大的效果.

放大滤波电路有着比较高的输出阻抗,若后级电路的输入阻抗小的话,那么经放大滤波的信号就会在前级的输出电阻上产生相当大的损耗[8-9],这时就需要电压跟随器来承上启下,从中进行缓冲和隔离来尽可能的减少信号的衰减.如图3所示的电压跟随电路,通过调整R9和C3,使其阻容配置的低通截止频率和前一级相等,因此输出的信号可直接通过A/D转换器进行模数转换,最后通过单片机的协调,将数字信号送入数码管[10].

图3 放大滤波和电压跟随电路Fig.3 Amplification filter and voltage follower circuit

图4 实验装置Fig.4 Experimental device

3 实验测量

图4为实验装置,装置中弹性材料为一条弹性好、强度高的合金钢片,应变片需贴在钢片表面,为最大限度地提高精确性,首先要将粘贴应变片处的油污、铁锈清理干净,并将钢片打光、清洗,粘贴应变片后要将其加压固化,经上述一系列操作后方可开始实验.

图4中的固定装置台已将螺旋测微计和合金钢片固定,此时合金钢片处于水平位置,无任何形变.然后调整螺旋测微计, 每次以0.5 mm为基准来旋转旋钮,一边旋转,一边测量放大滤波电路输入端电压及电压跟随器输出端的电压,并记录在表.

为更好地验证本文设计电路对微小信号测量及处理的精确性和稳定性,图3中设定滤波截止频率fp为72.343 Hz,输入电阻R5固定为10 kΩ,放大电阻R8则在常用电阻中分别选择750 kΩ，820 kΩ，910 kΩ及1MΩ等4个规格,在不同放大倍数下测量数据以验证电路放大效果,并进行线性相关度测试,此处用线性相关系数R2来考量线性相关度.

如表1所示,在相同形变量下接入不同放大电阻时测得的输出电压,其放大倍数基本与设计增益相符,由此可看出本电路灵敏性高,有着很好的放大效果,实验数据有些许误差则主要因为器件内部连接和线路损耗,是不可避免的.

表1 放大实验测量结果Table 1 Measurement results of amplification experiment

根据表1可绘制放大电阻R8分别为750 kΩ，820 kΩ，910 kΩ及1 MΩ时的系统输出电压随钢片形变量的变化曲线,如图5所示.

图5 不同放大电阻下系统输出电压随钢片形变量的变化曲线Fig.5 Variation curves of system output voltage with deformation quantity of steel sheet under different amplifying resistances

图6 系统输出电压线性度随放大电阻的变化曲线Fig.6 Variation curve of system output voltage linearity with amplifying resistance

当放大电阻R 8分别为750 kΩ,820 kΩ,910 kΩ及1 MΩ时,由表1计算得到其线性相关度分别为0.987 4，0.991 6，0.986 7和0.979 5,如图6所示.由此可知,本文设计的电路在不同放大倍数下均保持着较高的线性度.由图6可见,当本测试电路放大电阻选用820 kΩ时,其输出电压测试的线性相关度达到最高,效果最好.

4 结论

本文设计的微小应变信号测试处理系统,既简单轻便,又不失高精度和高稳定性，而且成本低廉.在实验验证下,信号放大倍数基本与设计增益相符,增益线性相关度最高可达0.991 6,收到了较好的测试效果.因此,该系统的设计为微小信号测试处理提供了一种良好的方法,可有助于管道渗漏的检测，并对其他涉及领域具有借鉴参考价值.