專利名稱：差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及巖土工程的健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是巖土工程的安全監(jiān)測儀器中的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置。
背景技術(shù)：
在巖土工程的健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域中，通常采用差動(dòng)電阻式傳感器(或稱差阻式儀器)等安全監(jiān)測儀器監(jiān)測巖土工程的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等物理量，用以分析判斷巖土工程的健康安全狀況。差動(dòng)電阻式傳感器是由兩根相同材質(zhì)(電阻率相同均為P)、相同截面積(均為s)的鋼絲配對組成，兩根鋼絲初始長度相等，設(shè)為L，在感知外界作用力F(可以是大壩和巖土工程的應(yīng)力應(yīng)變、溫度、接縫開度、滲漏和變形等測量信號)的時(shí)候，其中一組鋼絲會(huì)產(chǎn)生AL的拉伸變形，而另一組鋼絲則會(huì)產(chǎn)生AL的壓縮變形。在彈性范圍
內(nèi)，F(xiàn) =足x#，其中K為已知恒常數(shù)。而兩根鋼絲的電阻值分別為代=px^^， Ls
i 2=px^^。另設(shè)兩根鋼絲的初始電阻值為R，則=,gpR= (R1+R2)/2o因此
^ARR, — R, ^r R, / Rn — 1
2^R= lt7t= R /R +1。由此，外界作用力F是R1ZR2(稱作電阻比)的
單一函數(shù)，通過測量R1Z^R2就能實(shí)現(xiàn)對F的測量。若設(shè)AR = R1-R2，則F =足，F(xiàn)是
2xR
Δ R/R的單一函數(shù)，通過測量Δ R/R也同樣能實(shí)現(xiàn)對F的測量。目前普遍采用直接放大法或組橋法來實(shí)現(xiàn)差阻式儀器的測量功能，其中直接放大法采用了最直觀的測量原理，通過設(shè)計(jì)簡單明了的電阻測量電路，直接獲得電阻R1和電阻 R2的測值，然后通過數(shù)值計(jì)算獲得AR和R，最后獲得F的計(jì)算結(jié)果。其優(yōu)點(diǎn)是原理直觀、 電路簡單，但缺點(diǎn)是由于測量電路的處理對象不僅包含了 AR而且還包含了固有電阻分量值R，而AR在數(shù)值上遠(yuǎn)小于R，導(dǎo)致測量靈敏度和測量精度不理想，所以測量效果不好。采用組橋法，可以直接獲取數(shù)據(jù)并有效克服固定電阻分量值R對測量精度的影響，但是組橋法不能直接獲得R的測值，所以需要另外增加R測量電路，這樣就會(huì)增加測量電路的復(fù)雜性，此外，組橋法對配橋所需的電阻R也有較高的精度要求，故增加了電路設(shè)計(jì)難度。巖土工程的健康安全狀況監(jiān)測至關(guān)重要，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是首要任務(wù)。因此，很有必要針對差阻式儀器的工作原理，設(shè)計(jì)一種全新的測量方法，以期獲得非常理想的測量靈敏度和測量精度。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型針對現(xiàn)有的差動(dòng)電阻式傳感器不容易獲得高精度測量結(jié)果的問題，提供一種新型的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，該裝置可以獲得非常理想的測量靈敏度和測量精度。[0007]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，所述差動(dòng)電阻式傳感器包括兩個(gè)串聯(lián)的電阻 (札、ig，其特征在于，包括依次連接的鏡像電流發(fā)生器、線路選擇開關(guān)電路、放大整形電路、 AD轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)或微處理器，所述鏡像電流發(fā)生器產(chǎn)生一對鏡像電流(Ii、I2)并經(jīng)線路選擇開關(guān)電路分別連接到差動(dòng)電阻式傳感器的兩端，所述鏡像電流大小相等或近似相等，方向相反，所述線路選擇開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)鏡像電流與差動(dòng)電阻式傳感器兩端的正向連接與反向連接的切換，線路選擇開關(guān)將正向連接與反向連接輸出的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(仏、隊(duì))依次通過放大整形電路和AD轉(zhuǎn)換器后輸入至單片機(jī)或微處理器，所述單片機(jī)或微處理器獲得與正向連接與反向連接輸出的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(UpU2)成確定比例關(guān)系的數(shù)值(NpN2),再根據(jù)獲得的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(UpU2)與鏡像電流(I:、I2)之間的關(guān)系獲得差動(dòng)電阻式傳感器的被測物理量，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電阻式傳感器的測量。所述鏡像電流發(fā)生器包括兩電流源，所述兩電流源產(chǎn)生鏡像電流(Ip I2)并輸出至差動(dòng)電阻式傳感器的兩端，所述兩電流源的負(fù)極相連，且相連的兩負(fù)極之間的節(jié)點(diǎn)引出有導(dǎo)線，所述導(dǎo)線的另一端連接至差動(dòng)電阻式傳感器的兩電阻之間節(jié)點(diǎn)。所述線路選擇開關(guān)電路與單片機(jī)或微處理器相連，單片機(jī)或微處理器發(fā)出指令控制線路選擇開關(guān)電路選擇正向連接與反向連接。所述線路選擇開關(guān)電路包括電子開關(guān)或繼電器開關(guān)。所述AD轉(zhuǎn)換器為高精度AD轉(zhuǎn)換器。本實(shí)用新型的技術(shù)效果如下本實(shí)用新型涉及的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，包括依次連接的鏡像電流發(fā)生器、線路選擇開關(guān)電路、放大整形電路、AD轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)(或微處理器)，鏡像電流發(fā)生器產(chǎn)生一對鏡像電流(Ip I2)并經(jīng)線路選擇開關(guān)電路分別連接到差動(dòng)電阻式傳感器的兩端，通過線路選擇開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)鏡像電流與差動(dòng)電阻式傳感器兩端的正向連接與反向連接的切換，線路選擇開關(guān)將正向連接與反向連接輸出的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(UpU2) 依次通過放大整形電路和AD轉(zhuǎn)換器后輸入至單片機(jī)(或微處理器)，單片機(jī)(或微處理器) 獲得與正向連接與反向連接輸出的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(UpU2)成確定比例關(guān)系的數(shù)值(K、N2),從而實(shí)現(xiàn)正向測量和反向測量，并最終獲得差動(dòng)電阻式傳感器的被測物理量，如獲得R「R2 (即Δ R)和R1+R2 (即2R)以及電阻比R1/R2的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)外界作用力F的測量，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電阻式傳感器的測量。本實(shí)用新型的該裝置由于并非直接測量固有電阻分量值R和在數(shù)值上遠(yuǎn)小于R的△! ，故解決了現(xiàn)有的直接放大法存在的測量靈敏度低以及測量精度不理想的問題；同時(shí)無需組橋、增設(shè)R測量電路以及配備精度等級要求高的電阻R， 故降低了測量成本，簡化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)提高了測量精度以及提高了差動(dòng)電阻式傳感器的可靠性。通過引入鏡像電流，有效地分離出差動(dòng)電阻式傳感器的固有電阻分量值R與電阻差分變化量△! ，充分體現(xiàn)了差動(dòng)電阻式傳感器的工作原理，因此可以獲得非常理想的測量靈敏度和測量精度，提高了差動(dòng)電阻式傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠滿足巖土工程的安全監(jiān)測對安全監(jiān)測儀器的可靠性以及測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性的嚴(yán)格要求。

[0015]圖1為差動(dòng)電 阻式傳感器等效電路圖。圖2為本實(shí)用新型差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置的正向連接等效電路圖。圖3為本實(shí)用新型差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置的反向連接等效電路圖。圖4為本實(shí)用新型涉及的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行說明。本實(shí)用新型公開了一種對差動(dòng)電阻式傳感器進(jìn)行測量的裝置，本實(shí)施例的被測對象是一支差動(dòng)電阻式傳感器，該差動(dòng)電阻式傳感器由兩根相同材質(zhì)、相同截面積的鋼絲組成。差動(dòng)電阻式傳感器在電氣上可以等效成兩個(gè)串聯(lián)的電阻禮和&，如圖1所示的等效電路圖，在差動(dòng)電阻式傳感器的兩端及兩電阻之間共引出五個(gè)測量端在差動(dòng)電阻式傳感器的A端引出導(dǎo)線1和2，在電阻R1和R2之間的節(jié)點(diǎn)C引出導(dǎo)線3，在差動(dòng)電阻式傳感器的B 端引出導(dǎo)線4和5。本實(shí)用新型涉及的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，該測量裝置優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，包括依次連接的鏡像電流發(fā)生器、線路選擇開關(guān)電路、放大整形電路、高精度AD 轉(zhuǎn)換器以及微處理器(也可以選擇單片機(jī)或其它核心處理部件)。其中，鏡像電流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖2或圖3的除差動(dòng)電阻式傳感器外的部分，包括兩電流源，該兩電流源產(chǎn)生鏡像電流I1和I2并輸出至差動(dòng)電阻式傳感器的A、B兩端，兩電流源的負(fù)極相連，且相連的兩負(fù)極之間的節(jié)點(diǎn)引出有導(dǎo)線，所述導(dǎo)線的另一端用于連接至差動(dòng)電阻式傳感器的兩電阻之間節(jié)點(diǎn)C，也可以理解為從差動(dòng)電阻式傳感器的兩電阻之間節(jié)點(diǎn)C引出的導(dǎo)線3連接至兩電流源的負(fù)極之間的節(jié)點(diǎn)。鏡像電流發(fā)生器產(chǎn)生一對鏡像電流I1和I2并經(jīng)線路選擇開關(guān)電路流經(jīng)差動(dòng)電阻式傳感器的兩端，該鏡像電流大小相等或近似相等，方向相反，線路選擇開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)鏡像電流與差動(dòng)電阻式傳感器兩端的正向連接與反向連接的切換，分別通過正向連接、反向連接獲得差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓Uab，獲得U”U2，根據(jù)獲得的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓UpU2的和/差計(jì)算結(jié)果與鏡像電流I1和I2之間存在的確定關(guān)系分別計(jì)算獲得Δ R和 R，并最終解算出差動(dòng)電阻式傳感器的被測物理量，如電阻比R1/R2，從而實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電阻式傳感器的測量功能。正向連接的等效電路圖如圖2所示，兩電流源分別引入鏡像電流I1和I2至差動(dòng)電阻式傳感器AB兩端，即I1與導(dǎo)線1相連，I2與導(dǎo)線5相連，兩電流源負(fù)極相連，該相連負(fù)極之間的節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)線3相連，差動(dòng)電阻式傳感器AB兩端的正向測量輸出電壓為U1，具體表述如式⑴U1 = I^Rrla^Ra(1)反向連接的等效電路圖如圖3所示，兩電流源分別引入鏡像電流I1和I2至差動(dòng)電阻式傳感器AB兩端，即I1與導(dǎo)線5相連，I2與導(dǎo)線1相連，也可以理解為，反向連接相對正向連接而言鏡像電流I1和I2不變，將引入的差動(dòng)電阻式傳感器的A、B兩端置換。兩電流源負(fù)極相連，該相連負(fù)極之間的節(jié)點(diǎn)與導(dǎo)線C3相連，差動(dòng)電阻式傳感器AB兩端的反向測量輸出電壓為U2，具體表述如式(2):U2 = Ii^-I^R!(2)[0028]由式(1)-式⑵得式(3)U1-U2= (I^I2)*(R1-R2) = (I^I2)* Δ R(3)由式(3)得式AR= (U1-U2)Z(I^I2)(4)由式(1)+式⑵得式(5)U^U2= (I1-I2)* (R1+R2) = (I1-I2)^R(5)由式(5)得式(6)R= ( + )/2 (I1-I2)(6)由于IjPI2是已知的，所以在獲得UjPU2的測值之后，由式⑷就能獲得AR的數(shù)值，由式(6)可以獲得R的數(shù)值，最后通過計(jì)算獲得外界作用力F的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)差動(dòng)電阻式傳感器的特性，環(huán)境溫度不變的情況下，R是一個(gè)恒定值，這時(shí)候就無需由式(6)進(jìn)行計(jì)算，在這種情況下，可以選取I1 = 12。但在絕大多數(shù)情況下，環(huán)境溫度的變化不可避免，R的數(shù)值會(huì)隨溫度小幅變化，這時(shí)候就需要進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，通過式(6) 計(jì)算獲得，這時(shí)候不再適合選取I1 = 12，而應(yīng)選取近似相等，以確保式(6)有解。上述正向連接與反向連接通過線路選擇開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)，該線路選擇開關(guān)電路可以通過微處理器控制，線路選擇開關(guān)電路可包括電子開關(guān)或繼電器開關(guān)。由微處理器發(fā)出指令控制線路選擇開關(guān)電路選擇正向連接進(jìn)行測量與反向連接進(jìn)行測量，如微處理器發(fā)出指令控制線路選擇開關(guān)電路選擇正向連接，此時(shí)鏡像電流發(fā)生器與差動(dòng)電阻式傳感器按圖2 所示的等效電路圖進(jìn)行正向連接，圖2電路的輸出電壓信號U1,即電壓信號U1輸入至放大整形電路進(jìn)行放大整形，再經(jīng)過高精度AD轉(zhuǎn)換器后，微處理器獲得對應(yīng)的數(shù)值N1,完成正向測量過程；微處理器發(fā)出指令控制線路選擇開關(guān)電路選擇反向連接，此時(shí)鏡像電流發(fā)生器與差動(dòng)電阻式傳感器按圖3所示的等效電路圖進(jìn)行反向連接，圖3電路的輸出電壓信號 U2,即電壓信號U2輸入至放大整形電路進(jìn)行放大整形，再經(jīng)過高精度AD轉(zhuǎn)換器后，微處理器獲得對應(yīng)的數(shù)值隊(duì)，完成正向測量過程。一旦放大整形電路與AD轉(zhuǎn)換器確定后，N1與U1 之間以及N2與U2之間就存在確定的比例關(guān)系，微處理器能夠推算獲得U” U2,假設(shè)比例系數(shù)為 1^，則& = kXU1; N2 = kXU2。由式⑷，AR= (NfN2Vk(I^I2),由于 k，I1, I2 均是已知量，所以經(jīng)過微處理器的數(shù)值計(jì)算，即可獲得AR的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由公式(6)，R = (NJN2)Ak(I1-I2)，經(jīng)過微處理器的數(shù)值計(jì)算，即可獲得R的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，還能夠算出國標(biāo)規(guī)定的電阻比R1Z^2的數(shù)值，最終根據(jù)外界作用力F與AR/R之間存在的確定關(guān)系解算出 F的數(shù)值結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電阻式傳感器的測量。如本實(shí)施例中，如I1 = 6mA, I2 = 5mA, k = 106/v，通過正向連接進(jìn)行測量獲得N1 =45000，通過反向連接進(jìn)行測量獲得隊(duì)=40000,則Δ R = 0. 45 Ω，R = 42. 5 Ω。同時(shí)得 VR2 = 10106. 4Χ 10-4, + = 85. 00 Ω。計(jì)算得到的電阻比VR2符合國家規(guī)范的0. 8
AD
1. 2之間。在K已知的情況下，按照公式F = X X:r^，就能計(jì)算出F的數(shù)值。
2xR應(yīng)當(dāng)指出，以上所述具體實(shí)施方式
可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實(shí)施例對本發(fā)明創(chuàng)造已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進(jìn)行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護(hù)范圍當(dāng)中 。
權(quán)利要求1.一種差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，所述差動(dòng)電阻式傳感器包括兩個(gè)串聯(lián)的電阻 (禮、ig，其特征在于，包括依次連接的鏡像電流發(fā)生器、線路選擇開關(guān)電路、放大整形電路、 AD轉(zhuǎn)換器以及單片機(jī)或微處理器，所述鏡像電流發(fā)生器產(chǎn)生一對鏡像電流(Ip I2)并經(jīng)線路選擇開關(guān)電路分別連接到差動(dòng)電阻式傳感器的兩端，所述鏡像電流大小相等或近似相等，方向相反，所述線路選擇開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)鏡像電流與差動(dòng)電阻式傳感器兩端的正向連接與反向連接的切換，線路選擇開關(guān)將正向連接與反向連接輸出的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(仏、隊(duì))依次通過放大整形電路和AD轉(zhuǎn)換器后輸入至單片機(jī)或微處理器，所述單片機(jī)或微處理器獲得與正向連接與反向連接輸出的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(UpU2)成確定比例關(guān)系的數(shù)值(NpN2),再根據(jù)獲得的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(UpU2)與鏡像電流(I:、I2)之間的關(guān)系獲得差動(dòng)電阻式傳感器的被測物理量，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電阻式傳感器的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，其特征在于，所述鏡像電流發(fā)生器包括兩電流源，所述兩電流源產(chǎn)生鏡像電流(Ip I2)并輸出至差動(dòng)電阻式傳感器的兩端，所述兩電流源的負(fù)極相連，且相連的兩負(fù)極之間的節(jié)點(diǎn)引出有導(dǎo)線，所述導(dǎo)線的另一端連接至差動(dòng)電阻式傳感器的兩電阻之間節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，其特征在于，所述線路選擇開關(guān)電路與單片機(jī)或微處理器相連，單片機(jī)或微處理器發(fā)出指令控制線路選擇開關(guān)電路選擇正向連接與反向連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，其特征在于，所述線路選擇開關(guān)電路包括電子開關(guān)或繼電器開關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，其特征在于，所述AD轉(zhuǎn)換器為高精度AD轉(zhuǎn)換器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種差動(dòng)電阻式傳感器的測量裝置，該裝置包括依次連接的鏡像電流發(fā)生器、線路選擇開關(guān)電路、放大整形電路、AD轉(zhuǎn)換器以及微處理器，鏡像電流發(fā)生器產(chǎn)生一對鏡像電流(I1、I2)并經(jīng)線路選擇開關(guān)電路分別連接到差動(dòng)電阻式傳感器的兩端，線路選擇開關(guān)將正向連接與反向連接輸出的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(U1、U2)依次通過放大整形電路和AD轉(zhuǎn)換器后輸入至微處理器，微處理器根據(jù)獲得的差動(dòng)電阻式傳感器兩端的電壓(U1、U2)與鏡像電流(I1、I2)之間的關(guān)系獲得差動(dòng)電阻式傳感器的被測物理量，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)電阻式傳感器的測量。該裝置能夠獲得理想的測量靈敏度和測量精度，提高了差動(dòng)電阻式傳感器的可靠性。
文檔編號G01D18/00GK202119466SQ201120200999
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月15日
發(fā)明者毛良明, 江修, 沈省三 申請人:基康儀器(北京)有限公司