一种增强应变式力传感器数据采集系统

摘要

本发明涉及一种增强应变式力传感器数据采集系统，目的是解决现有技术中由于应变式力传感器激励电压和A/D芯片参考电压受到干扰而引起的数据采集系统测量误差的问题。本发明包括电源模块、应变式力传感器、滤波器、A/D转换器和数据处理器；电源模块供给电压；应变式力传感器输出端分别与滤波器的输入端连接；滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接；A/D转换器与数据处理器连接；数据处理器得到传感器的灵敏系数；其中，供给到应变式力传感器和A/D转换器的参考电压相同。本发明优点在于传感器的灵敏度系数和标准传感器的激励电压没有关系，即传感器的灵敏度系数不受传感器激励电压波动的影响。

说明书

技术领域

本发明属于测控技术领域，具体涉及一种增强应变式力传感器数据采集 系统。

背景技术

电阻应变式传感器是以电阻应变片为电阻转换元件的传感器，广泛应用 于位移、压力、力矩、应变、温度、湿度、光强等物理参数的测量。力值的 最高传递标准就是电阻应变式传感器。

电阻应变式传感器的工作原理是以金属材料为转换元件的应变片，其转 换原理是基于金属电阻丝的电阻-应变效应。所谓应变效应是指金属导体（电 阻丝）的电阻值随变形（伸长或缩短）而发生改变的一种物理现象。设有一 根圆截面的金属丝，其原始电阻值为：

式中：

R-金属丝的原始电阻（Ω）

ρ-金属丝的电阻率（Ω·m）

L-金属丝的长度（m）

A-金属丝的横截面积（m²）（A＝πD²/4）

D-金属丝的直径

当金属丝受轴向力F作用被拉伸时，由于应变效应，其电阻值也将产生 变化。其变化值为

K₀为单根金属丝的灵敏系数。其物理意义为：当金属丝发生单位长度变 化（应变）时，其电阻变化率与其应变的比值，即单位应变的电阻变化率。 单根金属丝的灵敏系数K₀与相同材料做成的应变片的灵敏系数K是不同的。 对应变片来说，当它随试件变形时，其电阻变化率ΔR/R＝Kε。

式中，K为应变片的灵敏系数。应变片灵敏系数K定义为：当将应变片 安装在处于单向应力状态的试件表面，使气轴线与应力方向平行时，应变片 电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值。它应由实验求得。

为准确求得灵敏系数K。需要进行相关试验，并通过数据采集系统进行 测量得到，通常灵敏系数K由如下公式求得。

$K=\frac{U}{U_0\mathrm{kϵ}}$

式中：

U-应变式力传感器输出电压；

U₀-应变式力传感器激励电压；

k-为布桥方式的系数，根据全桥、半桥等方式而确定，为公知常识；

K-为灵敏度系数；

ε-为应变。

为准确测量传感器输出电压U，通常通过滤波放大后利用模数转换芯片 将模拟信号转化为数字信号。若使用的A/D芯片为24位模数转换芯片，其 参考电压为U₁，则电压大小为U经过A/D转换后的数字量为 $D=\frac{U}{U_1}*2^{24}=\frac{U_0\mathrm{kKϵ}*2^{24}}{U_1},$因此传感器的灵敏度系数为：

$K=\frac{{\mathrm{DU}}_1}{U_0\mathrm{kϵ}*2^{24}}.$

进行传感器灵敏度系数试验时，数据采集系统需要确保U₁，U₀恒定不变， 通过测量数字量得到灵敏度系数大小。测量过程中很难完全保证U₁，U₀恒定， 而且U₁，U₀信号非常容易受到各种干扰信号的干扰，尤其是对应变式力传感 器供电的电压信号。由于干扰的存在给数据采集系统带来了较大的测量误差。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中由于应变式力传感器激励电压和A/D芯 片参考电压受到干扰而引起的数据采集系统测量误差的问题，提供一种不受 上述激励电压和参考电压受到干扰影响的增强应变式力传感器数据采集系 统。

本发明是这样实现的：一种增强应变式力传感器数据采集系统，包括电 源模块、应变式力传感器、滤波器、A/D转换器和数据处理器；电源模块为 传感器供给激励电压，为A/D转换器供给参考电压；应变式力传感器输出端 分别与滤波器的输入端连接，将在激励电压下产生的应变信号发送给滤波器； 滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接，对接收到的信号进行滤波处理， 然后将其发送给A/D转换器；A/D转换器与数据处理器连接，A/D转换器将 接收到的信号转换为数字信号，并将其发送给数据处理器；数据处理器将接 收到的信号进行处理，得到传感器的灵敏系数；其中，供给到应变式力传感 器和A/D转换器的参考电压相同。

如上所述的一种增强应变式力传感器数据采集系统，其中，供给到应变 式力传感器和A/D转换器的电压来自电源模块的同一个输出。

本发明为了增强应变式力传感器数采系统抗激励电压干扰，对传统的应 变式力传感器数采系统进行了改进，设计时，令U₁＝U₀，即应变式力传感器 和模数转换芯片的参考电压共用一个电压。

依据改进后的技术方案，则传感器的灵敏度系数为：

$K=\frac{D}{\mathrm{kϵ}*2^{24}}$

由上式可以看出传感器的灵敏度系数和标准传感器的激励电压没有关 系，即传感器的灵敏度系数不受传感器激励电压波动的影响。

附图说明

图1是现有技术的应变式力传感器数据采集系统的结构示意图。

图2是本发明所述的一种增强应变式力传感器数据采集系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种增强应变式力传感器数据采集系 统进行介绍：

如图1所示，现有技术的应变式力传感器数据采集系统，包括电源模块、 传感器、滤波器、A/D转换器和数据处理器。其中，电源模块的输入端与市 电连接、将图中所示的市电220V转换为15V直流电压，并将其提供给传感 器桥式电路的两个输入端和A/D转换器的（电源输入端），它同时为传感器 和A/D转换器提供15V直流电压。

传感器为桥式电路，它的两个输出端分别与滤波器的输入端连接，将在 激励电压下产生的应变信号发送给滤波器。滤波器的输出端与A/D转换器的 输入端连接，它对接收到的信号进行滤波处理，然后将其发送给A/D转换器。

A/D转换器还与数据处理器连接，它将接收到的信号转换为数字信号， 并将其发送给数据处理器。数据处理器将接收到的信号进行处理，得到传感 器的灵敏系数。

数据处理器完成下列解算，此处A/D转换器为24位模数转换芯片，D 为A/D转换器输出电压值的数字值：

$K=\frac{{\mathrm{DU}}_1}{U_0\mathrm{kϵ}*2^{24}}$

此处，数据处理器由单片机、计算机等组件构成。

如图2所示，以图1所示系统的为基础的一种增强应变式力传感器数据 采集系统，应变式力传感器激励电压和A/D芯片参考电压来自同一电源输出， 由同一参考电源模块提供，因此，U₁＝U₀，可得：

$K=\frac{D}{\mathrm{kϵ}*2^{24}}$

如此可得，传感器的灵敏度系数和标准传感器的激励电压没有关系，即 传感器的灵敏度系数不受传感器激励电压波动的影响。

本发明采用同一参考电源模块为应变式力传感器激励电压和A/D芯片供 电，消除了现有技术中由于应变式力传感器激励电压和A/D芯片参考电压受 到干扰而引起数据采集系统测量误差的问题。