数字动态应力应变仪的研究与设计

摘要

在解决工程结构的应力应变问题时，由于工程的大型化及复杂化，在理论计算难以解决的情况下，往往需要借助实验的手段。并且，工程问题的分析是否准确与测量仪器的精度紧密相关。电阻应力应变仪的实质是通过测量电阻变化率来得知被测物应变大小的精密电子设备。论文主要在提升测量精度方面对数字动态应力应变仪进行了研究与设计，同时，针对动态应变信号的非平稳特性，提出了一种基于EEMD与频谱校正的动态应变信号分析方法。
　　对于测量精度的提升，主要从应变电桥、供桥电源、信号调理电路以及平衡标定这几部分分别进行了研究。对每一个模块所引起的测量误差进行深入剖析，进而提出改进方案，最终设计了相应的硬件实现电路。在动态应变信号的分析方面，由于实测应变信号通常含有大量随机噪声，是许多应变信号的叠加，因此，其非平稳特性显著。通过对现有处理方法（小波方法、EMD方法、解析模态等）研究发现，它们在频谱分析时精度不高，因此，提出了基于EEMD与频谱校正的应变信号分析法，并且做了仿真验证。
　　对于论文所设计动态应变仪的整体性能，文中进行了分模块化的详细测试。其中包括供桥电源的纹波率测试、调理信号测试、FPGA串并转换测试、零点漂移测试、应变仪测量精度测试以及频谱分析精度测试。最终的实验结果表明，论文设计的动态应变仪达到了拟设计指标，并且在测量精度与分析精度方面均得到了提升。
　　最后对论文进行了全篇总结，并且结合当今国际仪器仪表的发展趋势展望了今后还需要改进和探讨研究的方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 应变电测技术的发展

1．2．1 应变电测的发展历史

1．2．2 应变的分类

1．2．3 应变电测技术的应用

1．3 国内外应变仪研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 研究内容

1．5 设计指标

第二章 应变仪测量原理

2．1 应力应变基本理论

2．1．1 基本概念

2．1．2 工程应力和真实应力

2．1．3 应变的正负

2．2 应变片介绍

2．2．1 应变片的构造与种类

2．2．2 应变片的选型

2．2．3 应变片的工作原理

2．3 测量电桥

2．3．1 电桥测量原理

2．3．2 应变花原理

2．3．3 应变测量的优缺点

2．4 动态应力应变仪基本组成

2．5 本章小结

第三章 应变仪硬件电路研究与设计

3．1 测量电桥的研究与设计

3．1．1 桥路变换原理

3．1．2 桥路模式变换电路设计

3．2 应变测量中对精度影响的研究

3．2．1 温度漂移的研究及解决方法

3．2．2 桥源的影响研究及解决方法

3．2．3 电桥的自动平衡研究

3．2．4 电桥的自动标定研究

3．2．5 电桥自动平衡及自动标定电路的设计

3．3 应变信号调理电路

3．3．1 放大电路设计

3．3．2 采集电路设计

3．4 控制及处理系统设计

3．4．1 控制系统总体框图

3．4．2 通信总线设计

3．5 本章小结

第四章 应变信号的谱分析算法研究

4．1 引论

4．2 EEMD基本原理及仿真

4．3 频谱校正原理及仿真

4．4 基于EEMD与频谱校正的动态应变信号分析方法研究

4．5 本章小结

第五章 系统测试与分析

5．1 应变仪性能测试

5．1．1 供桥电源测试

5．1．2 调理电路测试

5．1．3 FPGA串并转换测试

5．1．4 零漂测试

5．2 测量精度测试及分析

5．2．1 实验装置设计

5．2．2 实验步骤与数据分析

5．3 频谱精度的测试与分析

5．3．1 实验平台搭建

5．3．2 数据采集与分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢