一、需求分析

是近幾年隨著武器裝備信息化的要求發(fā)展起來的新品種。為了保證生產(chǎn)出來的武器裝備具備精確打擊能力，必須在武器裝備的研制、試驗(yàn)階段擁有先進(jìn)、精確、智能化的試驗(yàn)儀器，通過對(duì)準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析來持續(xù)改進(jìn)武器裝備的性能。

作為二次儀表的應(yīng)變測量儀在軍事電子裝備的作用得到世界各國的重視，需求逐年上升。以美國為例，2000～2003年間，用于對(duì)軍事的槍炮口沖擊波、炸彈火藥爆炸沖擊波、材料控制、槍炮后座力、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壓力、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)現(xiàn)象的聲壓等的應(yīng)變測量的智能測量儀，年平均增長率達(dá)到19.2%，2002年用于軍事裝備的應(yīng)變測量約占測量儀器總額的10%，產(chǎn)值12.5億美元。據(jù)調(diào)查我國每年用于航天、兵器、船舶、核爆等軍事領(lǐng)域的智能應(yīng)變測量儀估計(jì)在2萬臺(tái)左右。其中大多數(shù)用于新研武器以及高、尖、精使用場合采用的為進(jìn)口產(chǎn)品，我國目前自行生產(chǎn)的應(yīng)變測量儀主要應(yīng)用于一些前期試驗(yàn)場合和性能要求不高的場合，為了提高我國武器水平，必須要改變目前關(guān)鍵儀表受制于人的狀況，軍事領(lǐng)域?qū)?yīng)變測量儀的高要求為智能應(yīng)變儀提供了廣闊的市場空間。

在航天領(lǐng)域：壓力智能應(yīng)變測量儀主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈮毫?yīng)變測量、導(dǎo)彈進(jìn)氣壓力的應(yīng)變測量，發(fā)射裝置的推力應(yīng)變測量當(dāng)中。我國目前研制的各種戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，大多數(shù)是模仿前俄羅斯產(chǎn)品，其中特種應(yīng)變測量儀都采用進(jìn)口，預(yù)計(jì)每年用于該行業(yè)的高要求應(yīng)變測量儀在5000臺(tái)左右。

在航空領(lǐng)域，應(yīng)變測量儀主要應(yīng)用于液壓系統(tǒng)、大氣參數(shù)、風(fēng)洞試驗(yàn)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)等動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)變測量。目前應(yīng)變測量儀都為老式的國產(chǎn)應(yīng)變測量儀，這種應(yīng)變測量儀在可靠性、精度、響應(yīng)頻率方面都不能滿足現(xiàn)代裝備的需要，因此即將面臨批量改裝問題。另外在一些新研戰(zhàn)機(jī)和地面風(fēng)洞試驗(yàn)中都要求用滿足使用要求的國產(chǎn)應(yīng)變測量儀來替代目前使用的進(jìn)口應(yīng)變測量儀，因此，用于戰(zhàn)機(jī)批改、風(fēng)洞試驗(yàn)、新研、地面試驗(yàn)等領(lǐng)域下的應(yīng)變測量儀估計(jì)年需求量在5000臺(tái)左右。

在兵器領(lǐng)域，應(yīng)變測量儀廣泛應(yīng)用于各種戰(zhàn)車、坦克的液壓系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、槍炮后座力、槍炮口沖擊波的應(yīng)變測量中，目前在這些行業(yè)應(yīng)用的應(yīng)變測量儀大多采用老式應(yīng)變測量儀，該應(yīng)變測量儀可靠性、頻響方面的性能已經(jīng)不能滿足當(dāng)前工程型號(hào)需要。在該行業(yè)，預(yù)計(jì)年需求量為6000臺(tái)左右。

在核爆方面，應(yīng)變測量儀主要應(yīng)用在爆炸時(shí)對(duì)沖擊波的測量，這種試驗(yàn)對(duì)應(yīng)變測量儀的頻響以及產(chǎn)品壽命提出了很高要求，年需求該類傳感器為4000臺(tái)左右。

因此高性能的智能應(yīng)變測量儀在軍事方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景。

二、國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

應(yīng)變儀是測量應(yīng)變信號(hào)的儀器，用金屬電阻應(yīng)變片感受物體表面應(yīng)變，由于阻值變化引起電橋不平衡，產(chǎn)生差動(dòng)信號(hào)，經(jīng)放大處理后，顯示出應(yīng)變值。應(yīng)變儀的測量原理雖然簡單，卻經(jīng)歷了50多年的發(fā)展歷程，由于電橋輸出信號(hào)是μV級(jí)的，國內(nèi)外早期的應(yīng)變儀處理這一微弱信號(hào)是很困難的，直流放大器零漂、噪聲嚴(yán)重，無法有效地放大μV級(jí)信號(hào)，在這種情況下，應(yīng)變儀普遍采用交流電橋?qū)Σ顒?dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，用交流放大器放大后，再解調(diào)、輸入指示裝置。由于不同頻率的交變負(fù)載對(duì)調(diào)制頻率要求不同，繼而后繼處理電路亦有較大差別，因此應(yīng)變儀依據(jù)被測信號(hào)頻率，嚴(yán)格分為靜態(tài)、靜動(dòng)態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。由于存在分布參數(shù)（主要是分布電容），交流電橋頻率無法太高，這限制了交流電橋測量應(yīng)變信號(hào)的上限頻率（1．5kHz），并且測試過程中分布電容的微小變化即導(dǎo)致橋路不平衡。在測試應(yīng)變信號(hào)超過1．5kHz的情況下，必須采用直流電橋，直流放大器，這就是超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，由于直流放大器的零漂嚴(yán)重，該類儀器性能不高。

由于靜態(tài)應(yīng)變儀的信號(hào)檢測電路較繁雜，成本較高，因此，在多路測試時(shí)，通過配備預(yù)調(diào)平衡箱以共用一臺(tái)應(yīng)變儀，這又帶來了嚴(yán)重的技術(shù)問題。因?yàn)轭A(yù)調(diào)平衡箱的多路開關(guān)設(shè)在電橋上，接觸電阻的微小變化，都將造成很大的偏差。

微電子技術(shù)的發(fā)展直接促進(jìn)了檢測儀器的發(fā)展。80-90年代，國外推出了采用第4代運(yùn)放的應(yīng)變儀，運(yùn)放引入了斬波自穩(wěn)零電路，大大降低了失調(diào)電壓，提高了輸入阻抗和開環(huán)差模電壓和共模抑止比，降低了零漂，同時(shí)由于采用了CMOS工藝，功耗低、溫漂及噪聲?。黄鋯挝活l寬為2MHz，可有效放大10kHz交流信號(hào)，已遠(yuǎn)超過以往動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的上限頻率，因此，它的出現(xiàn)否定了以往的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的技術(shù)路線。

目前國外動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀已達(dá)到很高的水平，精度±0.5%，頻率響應(yīng)可達(dá)到100kHz，測量范圍50000με。圖1是日本共和生產(chǎn)的TDS-300和TDS-102型數(shù)據(jù)采集儀，其中TDS-102型數(shù)據(jù)采集儀配合應(yīng)變放大器可同時(shí)采集10路應(yīng)變信號(hào)，頻響達(dá)到100kHz，具有自動(dòng)調(diào)零功能。

圖1 日產(chǎn)數(shù)據(jù)采集儀

目前，應(yīng)變儀的種類很多，如靜態(tài)應(yīng)變儀、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變儀、超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀等等。其轉(zhuǎn)換靈敏度都相當(dāng)高，但功能卻較單一，價(jià)格昂貴、體積大、重量大，不便移動(dòng)，又要與記錄器或計(jì)算機(jī)匹配，使用很不方便。另外，在許多場合需要對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況作長期的監(jiān)測（連續(xù)48小時(shí)或間斷檢測15天以上），應(yīng)變片和應(yīng)變儀的不穩(wěn)定、不重復(fù)，使測量結(jié)果很不準(zhǔn)確，是長期以來一直懸而未決的應(yīng)變測量問題。研究提高應(yīng)變儀的技術(shù)性能，應(yīng)用微處理器使應(yīng)變儀多功能化、小型化，是應(yīng)變儀的發(fā)展趨勢。

三、主要功能與技術(shù)指標(biāo)

本儀器適用于各種結(jié)構(gòu)、材料變形應(yīng)力分析，動(dòng)力強(qiáng)度，爆炸沖擊波壓力測量等。具有自動(dòng)平衡功能、多路超動(dòng)態(tài)、動(dòng)靜態(tài)測試功能、顯示、存儲(chǔ)等功能。具有通用、寬帶、頻率范圍寬，精度高，阻抗高，噪聲低，漂移小，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

本智能應(yīng)變儀設(shè)計(jì)成高精度、高集成度的便攜式數(shù)字多功能儀器，采用一體化設(shè)計(jì)，應(yīng)有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、輕型小巧和低耗電等特點(diǎn)，提供用戶在應(yīng)力應(yīng)變動(dòng)態(tài)測量場合下的所有特性。當(dāng)配合蓄電池供電工作時(shí)，可適合便攜移動(dòng)、野外現(xiàn)場等多種測試場合應(yīng)用。

應(yīng)變儀輸入級(jí)可以直接激勵(lì)和配接應(yīng)變電橋、澤天壓力傳感器、扭矩澤天傳感器或負(fù)載單元。每通道設(shè)計(jì)了獨(dú)立的放大器，設(shè)計(jì)獨(dú)立的AD電路，實(shí)現(xiàn)高精度的同步采樣，擁有很高的通道隔離度。24bits ADC提供高達(dá)144dB的寬動(dòng)態(tài)范圍，可測試分辨很小的工程信號(hào)。

應(yīng)變儀采用USB2.0接口，完成整機(jī)儀器與分析控制計(jì)算機(jī)之間的通訊，實(shí)現(xiàn)高速傳輸速率下的多通道連續(xù)記錄。

與傳統(tǒng)的應(yīng)變放大器＋數(shù)據(jù)采集器的組合相比，本應(yīng)變儀設(shè)計(jì)減少部分放大和信號(hào)電纜傳輸環(huán)節(jié)，確保輸出的信號(hào)具有更高的信噪比和更小的失真度，成為一款高端的應(yīng)變信號(hào)測量儀器。

主要技術(shù)性能指標(biāo)：

通道數(shù)：2、4、6、8

頻響(Hz)：DC-100k

信噪比(dB)：≥60

靈敏度(橋壓4V)：2V/100(微應(yīng)變)

校準(zhǔn)(微應(yīng)變)：10-9990

低通(Hz)：1k，5k，10k，20k，40k，100k

電橋電阻(歐姆)：60-5000

增益：3，55，10，20，40，50×100

輸出（峰值V）：±10

供橋電壓(V)：2，4，8

應(yīng)變系數(shù)：K=2.0

平衡范圍：使用電橋電阻的±1%(±5000微應(yīng)變)，微調(diào)范圍±100微應(yīng)變

平衡方式：自動(dòng)平衡

輸入阻抗：大于100兆歐姆

線性度誤差：小于±0.1%

零點(diǎn)漂移：小于±0.5%F.S(4h)

靈敏度漂移：小于±0.2%F.S(4h)

供電方式：AC220 50Hz

可靠性：MTBF≥1000h，MTTR≤8h；

環(huán)境適應(yīng)性：國軍標(biāo)GJB3947-2000規(guī)定的四級(jí)要求；

四、初步總體方案

系統(tǒng)組成和基本工作原理

智能應(yīng)變測量儀由應(yīng)變電橋、放大器、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器、顯示記錄器等基本部分組成。

如圖2所示，傳感器電橋電阻感受物理量的影響產(chǎn)生變化時(shí)，電橋?qū)⒋穗娮柚底兓D(zhuǎn)化為電壓或電流的增量，并經(jīng)過放大處理，數(shù)字化以后換算成應(yīng)變數(shù)值或輸出與物理量變化成比例的電信號(hào)，也可以按預(yù)定的要求進(jìn)行處理得到所需要的應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)值。

圖2基本原理圖

2智能應(yīng)變儀的基本設(shè)計(jì)思路是：用直流電橋代替交流電橋，用高性能集成放大器取代交流放大器；用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和顯示取代機(jī)械式的指示裝置；在測量多路應(yīng)變信號(hào)時(shí)，直接使用多路放大，而棄用預(yù)調(diào)平衡箱；由于高性能運(yùn)放有較高的頻響，因此應(yīng)變儀不再有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)之分，而是靜、動(dòng)態(tài)通用；應(yīng)變儀集信號(hào)處理、數(shù)字指示和輸出于一體，以構(gòu)成微機(jī)化自動(dòng)測試系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)方案框圖如圖3：

圖3 設(shè)計(jì)方案框圖

從三種方案的結(jié)構(gòu)框圖我們很明顯的看出他們的區(qū)別。分析方案（1）：它的主要優(yōu)點(diǎn)是多路信號(hào)共用一路放大模塊成本低，但它的不足之處在于它需要反向控制，也就是它需要一塊I/O卡，尤其關(guān)鍵的一點(diǎn)是在這個(gè)系統(tǒng)中從電橋輸出的信號(hào)特別微弱，而模擬開關(guān)切換的信號(hào)很容易將該微弱信號(hào)淹沒。

方案（2）：與方案（1）基本相同，唯一的區(qū)別是干簧繼電器的使用進(jìn)一步降低了開關(guān)切換對(duì)應(yīng)變信號(hào)的影響，但缺點(diǎn)在于干簧繼電器的速度相當(dāng)慢，不足以滿足多路實(shí)時(shí)采集的要求，同時(shí)，其電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)也較復(fù)雜。

與方案（1）、（2）相比方案（3）不需要反向控制，在橋路和放大模塊之間沒有任何附加電路，這使得其電路設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)簡單，排除了在從橋到放大模塊間的電路干擾。

傳感器信號(hào)的處理是關(guān)系到本應(yīng)變儀技術(shù)性能的核心，進(jìn)一步細(xì)化的方案框圖如圖4所示。

圖4實(shí)施方案框圖

作為一款完整的多功能應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)數(shù)字化通用儀器，集成從應(yīng)變電橋的激勵(lì)、程控增益信號(hào)調(diào)理放大濾波、自動(dòng)調(diào)零、增益自動(dòng)校正、同步模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)的全部電路設(shè)計(jì)。

智能應(yīng)變儀主要由單片機(jī)、EPROM、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、液晶顯示器、鍵盤等元件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

該應(yīng)變儀主要用于對(duì)應(yīng)變片測量應(yīng)變的數(shù)據(jù)采集和處理，同時(shí)具有顯示、存儲(chǔ)等多種功能，通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)人工智能控制。該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集處理過程如下：

測量放大電路是澤天應(yīng)變儀的核心部分，其任務(wù)是將微弱的差動(dòng)信號(hào)放大到合適的電平，同時(shí)提高信噪比。放大電路設(shè)計(jì)為差動(dòng)輸入，單端輸出，任一量程上下限對(duì)應(yīng)輸出信號(hào)幅值達(dá)到±5V，這樣，可直接與通用A／D卡或記錄裝置相連。

測量放大電路主要由四個(gè)部分組成。模塊1為差動(dòng)放大部分，I1和I2為差動(dòng)輸入信號(hào)，其差動(dòng)放大倍數(shù)為（R1＋R2＋R3）／R2。模塊2為差動(dòng)放大、共模抑止電路，調(diào)整可變電阻R7可基本消除輸入端共模電壓。由于電橋輸出端一般有較嚴(yán)重的共模電壓干擾，將模塊1和模塊2組合，可獲得理想的差動(dòng)放大、共模抑止的效果。模塊3為2階低通濾波器，是一種無限增益多路反饋型濾波器。該型濾波器可實(shí)現(xiàn)較高的放大倍數(shù)，分擔(dān)整個(gè)測量放大電路的部分增益。采用濾波電路的必要性在于，一方面輸入信號(hào)中存在高頻的電磁感應(yīng)噪聲，另外，ICL7650運(yùn)放是斬波自穩(wěn)零型運(yùn)放，它在切換采樣、穩(wěn)零電路時(shí)引入了脈沖信號(hào)，因此需在后級(jí)電路中加以平滑。模塊4量程選擇和靈敏度調(diào)整電路，可實(shí)現(xiàn)2，4，10等3種放大增益。運(yùn)放器件均選用ICL7650芯片，工作電壓為±7V，由2片78L07芯片提供。整個(gè)測量放大電路增益分配合理，提高了電路工作的穩(wěn)定性。

在進(jìn)行應(yīng)變測量時(shí)，應(yīng)變片的電阻變化十分微小，所輸出的電壓為毫伏級(jí)，需要經(jīng)過放大或轉(zhuǎn)換到毫伏以上的電壓信息才能進(jìn)行變換處理，要求測量放大器具有低漂移、高增益性能。電路中選用了超低失調(diào)運(yùn)算放大器作為對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理的元件，該元件最顯著特點(diǎn)是較低的失調(diào)電壓（數(shù)十μV），較低的失調(diào)電壓溫度表數(shù)（0.5μV/℃以下），失調(diào)電壓的長期穩(wěn)定性為0.2μV/月，使用此電路幾乎無需失調(diào)調(diào)零，也不需要頻率補(bǔ)償和器件保護(hù)方面的外接元件，可以精確放大微弱信號(hào)。

應(yīng)變測量電路及信號(hào)放大電路如圖7所示，可以解決差動(dòng)放大電路中存在的運(yùn)算精度受電阻精度影響較大、調(diào)節(jié)整個(gè)放大器的增益較困難、輸入阻抗低等問題，只要改變RG既能達(dá)到平滑地改變增益，又不破壞電路的對(duì)稱度。

集成軟件包包含了如下模塊：

1）8路應(yīng)變測量模塊，包括采樣頻率設(shè)定、調(diào)零、標(biāo)定、實(shí)時(shí)測量顯示、磁盤存取、打印輸出等功能模塊；

2）單路信號(hào)實(shí)時(shí)采集和分析模塊，包括時(shí)域信號(hào)實(shí)時(shí)顯示、FFT變換、幅頻圖顯示等功能模塊；

3）平面應(yīng)力分析模塊，對(duì)應(yīng)變化結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，包括主應(yīng)力計(jì)算和平面應(yīng)力圖繪制；

4）材料拉伸試驗(yàn)功能模塊，包括過程數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)繪制拉伸曲線、數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)平滑濾波、計(jì)算材料性能參數(shù)等。

主程序的任務(wù)是對(duì)單片機(jī)的初始化，如設(shè)置堆棧，預(yù)置各定時(shí)器控制字，初始化顯示緩沖區(qū)，設(shè)置標(biāo)志位，清內(nèi)存等；然后顯示開機(jī)初始化狀態(tài)，掃描鍵盤，根據(jù)按下鍵的功能轉(zhuǎn)各自的功能操作。

主程序共分四部分：

1）重新啟運(yùn)程序START，它能使程序進(jìn)入初始化，并進(jìn)一步引導(dǎo)到顯示程序和鍵盤掃描程序。

2）顯示程序DIR。它把設(shè)置在RAM中顯示緩沖器的內(nèi)容在液晶顯示器上顯示出來，然后進(jìn)入鍵盤掃描程序。

3）鍵盤掃描程序KEY1，先判斷有無鍵按下，一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，就按照鍵的功能，轉(zhuǎn)到相應(yīng)的鍵處理程序執(zhí)行命令要求的操作。如果無鍵按下，再返回顯示程序。

4）功能鍵處理子程序，執(zhí)行相應(yīng)的鍵功能。有采集、顯示、存儲(chǔ)、清零、回放等子程序。

抗干擾設(shè)計(jì)

儀器的輸入信號(hào)為μV級(jí)，又有變壓器、電源電路等強(qiáng)電部分，同時(shí)信號(hào)通路為多路，因此抗干擾問題較突出。在儀器設(shè)計(jì)和使用中采取了以下抗干擾措施：

①采用零共模電橋，配合測量放大電路的共模抑制電路可基本消除共模干擾；

②變壓器、電源電路、放大電路分開。強(qiáng)電與弱電分離是一般抗干擾措施，儀器中將電源和放大電路分為2塊印制版制作，有效避免了強(qiáng)電信號(hào)對(duì)弱電信號(hào)的干擾；

③放大電路加以屏蔽；

④布線設(shè)計(jì)中嚴(yán)格按照信號(hào)由弱到強(qiáng)的順序布局，以避免大信號(hào)對(duì)小信號(hào)的級(jí)間干擾，采用一點(diǎn)共地技術(shù)；

⑤測試系統(tǒng)與被測對(duì)象等電位技術(shù)。