澤天高性能軍用智能應變測量儀設計方案
一、需求分析
是近幾年隨著武器裝備信息化的要求發展起來的新品種。為了保證生產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、試驗階段擁有先進、精確、智能化的試驗儀器，通過對準確的試驗數據進行分析來持續改進武器裝備的性能。
作為二次儀表的應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、火箭發動機燃燒室壓力、飛機發動機結構和氣動現象的聲壓等的應變測量的智能測量儀，年平均增長率達到19.2%，2002年用于軍事裝備的應變測量約占測量儀器總額的10%，產值12.5億美元。據調查我國每年用于航天、兵器、船舶、核爆等軍事領域的智能應變測量儀估計在2萬臺左右。其中大多數用于新研武器以及高、尖、精使用場合采用的為進口產品，我國目前自行生產的應變測量儀主要應用于一些前期試驗場合和性能要求不高的場合，為了提高我國武器水平，必須要改變目前關鍵儀表受制于人的狀況，軍事領域對應變測量儀的高要求為智能應變儀提供了廣闊的市場空間。
在航天領域：壓力智能應變測量儀主要應用于發動機燃氣壓力應變測量、導彈進氣壓力的應變測量，發射裝置的推力應變測量當中。我國目前研制的各種戰略、戰術導彈，大多數是模仿前俄羅斯產品，其中特種應變測量儀都采用進口，預計每年用于該行業的高要求應變測量儀在5000臺左右。
在航空領域，應變測量儀主要應用于液壓系統、大氣參數、風洞試驗、飛機發動機結構和氣動等動、靜態應變測量。目前應變測量儀都為老式的國產應變測量儀，這種應變測量儀在可靠性、精度、響應頻率方面都不能滿足現代裝備的需要，因此即將面臨批量改裝問題。另外在一些新研戰機和地面風洞試驗中都要求用滿足使用要求的國產應變測量儀來替代目前使用的進口應變測量儀，因此，用于戰機批改、風洞試驗、新研、地面試驗等領域下的應變測量儀估計年需求量在5000臺左右。
在兵器領域，應變測量儀廣泛應用于各種戰車、坦克的液壓系統和發動機機油壓力、槍炮后座力、槍炮口沖擊波的應變測量中，目前在這些行業應用的應變測量儀大多采用老式應變測量儀，該應變測量儀可靠性、頻響方面的性能已經不能滿足當前工程型號需要。在該行業，預計年需求量為6000臺左右。
在核爆方面，應變測量儀主要應用在爆炸時對沖擊波的測量，這種試驗對應變測量儀的頻響以及產品壽命提出了很高要求，年需求該類傳感器為4000臺左右。
因此高性能的智能應變測量儀在軍事方面有著十分廣闊的應用前景。
二、國內外現狀與發展趨勢
應變儀是測量應變信號的儀器，用金屬電阻應變片感受物體表面應變，由于阻值變化引起電橋不平衡，產生差動信號，經放大處理后，顯示出應變值。應變儀的測量原理雖然簡單，卻經歷了50多年的發展歷程，由于電橋輸出信號是μV級的，國內外早期的應變儀處理這一微弱信號是很困難的，直流放大器零漂、噪聲嚴重，無法有效地放大μV級信號，在這種情況下，應變儀普遍采用交流電橋對差動信號進行調制，用交流放大器放大后，再解調、輸入指示裝置。由于不同頻率的交變負載對調制頻率要求不同，繼而后繼處理電路亦有較大差別，因此應變儀依據被測信號頻率，嚴格分為靜態、靜動態、動態應變儀。由于存在分布參數（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變信號的上限頻率（1．5kHz），并且測試過程中分布電容的微小變化即導致橋路不平衡。在測試應變信號超過1．5kHz的情況下，必須采用直流電橋，直流放大器，這就是超動態應變儀，由于直流放大器的零漂嚴重，該類儀器性能不高。
由于靜態應變儀的信號檢測電路較繁雜，成本較高，因此，在多路測試時，通過配備預調平衡箱以共用一臺應變儀，這又帶來了嚴重的技術問題。因為預調平衡箱的多路開關設在電橋上，接觸電阻的微小變化，都將造成很大的偏差。
微電子技術的發展直接促進了檢測儀器的發展。80-90年代，國外推出了采用第4代運放的應變儀，運放引入了斬波自穩零電路，大大降低了失調電壓，提高了輸入阻抗和開環差模電壓和共模抑止比，降低了零漂，同時由于采用了CMOS工藝，功耗低、溫漂及噪聲小；其單位頻寬為2MHz，可有效放大10kHz交流信號，已遠超過以往動態應變儀的上限頻率，因此，它的出現否定了以往的靜態、動態應變儀的技術路線。
目前國外動態應變儀已達到很高的水平，精度±0.5%，頻率響應可達到100kHz，測量范圍50000με。圖1是日本共和生產的TDS-300和TDS-102型數據采集儀，其中TDS-102型數據采集儀配合應變放大器可同時采集10路應變信號，頻響達到100kHz，具有自動調零功能。
圖1 日產數據采集儀
目前，應變儀的種類很多，如靜態應變儀、動態應變儀、動靜態應變儀、超動態應變儀等等。其轉換靈敏度都相當高，但功能卻較單一，價格昂貴、體積大、重量大，不便移動，又要與記錄器或計算機匹配，使用很不方便。另外，在許多場合需要對結構的應變情況作長期的監測（連續48小時或間斷檢測15天以上），應變片和應變儀的不穩定、不重復，使測量結果很不準確，是長期以來一直懸而未決的應變測量問題。研究提高應變儀的技術性能，應用微處理器使應變儀多功能化、小型化，是應變儀的發展趨勢。
三、主要功能與技術指標
本儀器適用于各種結構、材料變形應力分析，動力強度，爆炸沖擊波壓力測量等。具有自動平衡功能、多路超動態、動靜態測試功能、顯示、存儲等功能。具有通用、寬帶、頻率范圍寬，精度高，阻抗高，噪聲低，漂移小，穩定性好等特點。
本智能應變儀設計成高精度、高集成度的便攜式數字多功能儀器，采用一體化設計，應有結構堅固、輕型小巧和低耗電等特點，提供用戶在應力應變動態測量場合下的所有特性。當配合蓄電池供電工作時，可適合便攜移動、野外現場等多種測試場合應用。
應變儀輸入級可以直接激勵和配接應變電橋、澤天壓力傳感器、扭矩澤天傳感器或負載單元。每通道設計了獨立的放大器，設計獨立的AD電路，實現高精度的同步采樣，擁有很高的通道隔離度。24bits ADC提供高達144dB的寬動態范圍，可測試分辨很小的工程信號。
應變儀采用USB2.0接口，完成整機儀器與分析控制計算機之間的通訊，實現高速傳輸速率下的多通道連續記錄。
與傳統的應變放大器＋數據采集器的組合相比，本應變儀設計減少部分放大和信號電纜傳輸環節，確保輸出的信號具有更高的信噪比和更小的失真度，成為一款高端的應變信號測量儀器。
主要技術性能指標：
通道數：2、4、6、8
頻響(Hz)：DC-100k
信噪比(dB)：≥60
靈敏度(橋壓4V)：2V/100(微應變)
校準(微應變)：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
應變系數：K=2.0
平衡范圍：使用電橋電阻的±1%(±5000微應變)，微調范圍±100微應變
平衡方式：自動平衡
輸入阻抗：大于100兆歐姆
線性度誤差：小于±0.1%
零點漂移：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；
環境適應性：國軍標GJB3947-2000規定的四級要求；
四、初步總體方案
系統組成和基本工作原理
智能應變測量儀由應變電橋、放大器、信號調理電路、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生變化時，電橋將此電阻值變化轉化為電壓或電流的增量，并經過放大處理，數字化以后換算成應變數值或輸出與物理量變化成比例的電信號，也可以按預定的要求進行處理得到所需要的應力和應變數值。
圖2基本原理圖
2智能應變儀的基本設計思路是：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；用自動數據采集和顯示取代機械式的指示裝置；在測量多路應變信號時，直接使用多路放大，而棄用預調平衡箱；由于高性能運放有較高的頻響，因此應變儀不再有靜態、動態之分，而是靜、動態通用；應變儀集信號處理、數字指示和輸出于一體，以構成微機化自動測試系統。
設計方案框圖如圖3：
圖3 設計方案框圖
從三種方案的結構框圖我們很明顯的看出他們的區別。分析方案（1）：它的主要優點是多路信號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，尤其關鍵的一點是在這個系統中從電橋輸出的信號特別微弱，而模擬開關切換的信號很容易將該微弱信號淹沒。
方案（2）：與方案（1）基本相同，唯一的區別是干簧繼電器的使用進一步降低了開關切換對應變信號的影響，但缺點在于干簧繼電器的速度相當慢，不足以滿足多路實時采集的要求，同時，其電路設計和實現也較復雜。
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，這使得其電路設計和實現簡單，排除了在從橋到放大模塊間的電路干擾。
傳感器信號的處理是關系到本應變儀技術性能的核心，進一步細化的方案框圖如圖4所示。
圖4實施方案框圖
作為一款完整的多功能應力應變信號數字化通用儀器，集成從應變電橋的激勵、程控增益信號調理放大濾波、自動調零、增益自動校正、同步模數轉換技術的全部電路設計。
智能應變儀主要由單片機、EPROM、模數轉換器、運算放大器、液晶顯示器、鍵盤等元件構成，其結構圖如圖4所示。
該應變儀主要用于對應變片測量應變的數據采集和處理，同時具有顯示、存儲等多種功能，通過鍵盤操作實現人工智能控制。該系統對應變數據采集處理過程如下：
測量放大電路是澤天應變儀的核心部分，其任務是將微弱的差動信號放大到合適的電平，同時提高信噪比。放大電路設計為差動輸入，單端輸出，任一量程上下限對應輸出信號幅值達到±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部分組成。模塊1為差動放大部分，I1和I2為差動輸入信號，其差動放大倍數為（R1＋R2＋R3）／R2。模塊2為差動放大、共模抑止電路，調整可變電阻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。該型濾波器可實現較高的放大倍數，分擔整個測量放大電路的部分增益。采用濾波電路的必要性在于，一方面輸入信號中存在高頻的電磁感應噪聲，另外，ICL7650運放是斬波自穩零型運放，它在切換采樣、穩零電路時引入了脈沖信號，因此需在后級電路中加以平滑。模塊4量程選擇和靈敏度調整電路，可實現2，4，10等3種放大增益。運放器件均選用ICL7650芯片，工作電壓為±7V，由2片78L07芯片提供。整個測量放大電路增益分配合理，提高了電路工作的穩定性。
在進行應變測量時，應變片的電阻變化十分微小，所輸出的電壓為毫伏級，需要經過放大或轉換到毫伏以上的電壓信息才能進行變換處理，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運算放大器作為對信號進行放大處理的元件，該元件最顯著特點是較低的失調電壓（數十μV），較低的失調電壓溫度表數（0.5μV/℃以下），失調電壓的長期穩定性為0.2μV/月，使用此電路幾乎無需失調調零，也不需要頻率補償和器件保護方面的外接元件，可以精確放大微弱信號。
應變測量電路及信號放大電路如圖7所示，可以解決差動放大電路中存在的運算精度受電阻精度影響較大、調節整個放大器的增益較困難、輸入阻抗低等問題，只要改變RG既能達到平滑地改變增益，又不破壞電路的對稱度。
集成軟件包包含了如下模塊：
1）8路應變測量模塊，包括采樣頻率設定、調零、標定、實時測量顯示、磁盤存取、打印輸出等功能模塊；
2）單路信號實時采集和分析模塊，包括時域信號實時顯示、FFT變換、幅頻圖顯示等功能模塊；
3）平面應力分析模塊，對應變化結構的應力分析，包括主應力計算和平面應力圖繪制；
4）材料拉伸試驗功能模塊，包括過程數據采集、實時繪制拉伸曲線、數據存取、數據平滑濾波、計算材料性能參數等。
主程序的任務是對單片機的初始化，如設置堆棧，預置各定時器控制字，初始化顯示緩沖區，設置標志位，清內存等；然后顯示開機初始化狀態，掃描鍵盤，根據按下鍵的功能轉各自的功能操作。
主程序共分四部分：
1）重新啟運程序START，它能使程序進入初始化，并進一步引導到顯示程序和鍵盤掃描程序。
2）顯示程序DIR。它把設置在RAM中顯示緩沖器的內容在液晶顯示器上顯示出來，然后進入鍵盤掃描程序。
3）鍵盤掃描程序KEY1，先判斷有無鍵按下，一旦發現有鍵按下，就按照鍵的功能，轉到相應的鍵處理程序執行命令要求的操作。如果無鍵按下，再返回顯示程序。
4）功能鍵處理子程序，執行相應的鍵功能。有采集、顯示、存儲、清零、回放等子程序。
抗干擾設計
儀器的輸入信號為μV級，又有變壓器、電源電路等強電部分，同時信號通路為多路，因此抗干擾問題較突出。在儀器設計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，有效避免了強電信號對弱電信號的干擾；
③放大電路加以屏蔽；
④布線設計中嚴格按照信號由弱到強的順序布局，以避免大信號對小信號的級間干擾，采用一點共地技術；
⑤測試系統與被測對象等電位技術。