用于动应变测量的对称恒流激励技术

道格拉斯 R. 费尔兹(Douglas R. Firth)    阿伦R. 扎尔利(Alan R. Szary)

Precision Filters, Inc.  美国纽约州伊萨卡市   电话：+1(607) 277-3550   邮箱：sales

摘要

对称恒流激励技术采用一对匹配的恒流源来激励单个工作应变片。 这项技术增强了测量电路抗静电噪声干扰的能力， 它可以应用于只要求两线连接到传感器的动态应变测量。本文阐述了对称恒流激励技术的特点，并与传统的惠斯通电桥和单端恒流激励技术进行了比较。本文还提出一种监测传感器健康和电缆连接状态的方法。

1.引论

       根据所需的AC/DC测量精度，应变测量有多种布线和连接方案，从简单的两线连接，到十一线连接。在旋转机械和低质量、低惯量的测试环境下进行应变测量时，通常要求导线连接越少越好；在大型测试系统中，减少导线就意味着节约布线成本；另外，在有的试验中，线缆需要通过滑环连接到试验件上，导线数量也会受到限制。在这种情况下，有一种专门的应变测量方式就是使用单个工作片（只针对 AC耦合）完成动态应变测量。

1.1.      惠斯通电桥

惠斯通电桥是应变测量的方法。

图1示意了用于单应变片动应变测量的两线惠斯通电桥的连接方式。其零漂主要是由应变片延伸导线的电阻 R_EXT 引起，这可以通过AC耦合差分放大器消除，对动态应变测量不是干扰因素。 测量灵敏度定义为电路输出电压的变化与应变片电阻变化的比值。由延伸导线电阻R_EXT引起的测量灵敏度误差是两线惠斯通电桥连接方式的更为棘手的问题。常用的连接和焊接的延伸导线电阻的范围，从AGW18的0.006?/ft (0.01968?/m)，到高温测量（例如在喷气式涡轮发动机试验的严酷条件下）的高达 10?/ft(32.808?/m)不等。设定ΔR为应变片的电阻变化，ΔE为对应的每单位激励的电桥输出，这样测量的灵敏度定义为：

归一化测量灵敏度 = (??E/??R|R_EXT≠0)/(??E/??R|R_EXT=0)   (1)

图2显示的是 100?应变片与单臂惠斯通电桥连接方式下，电桥的归一化测量灵敏度相对于导线电阻 R_EXT 的变化曲线。测量灵敏度随着导线电阻的增加而减小。如果导线电阻已知，灵敏度的下降可以用增加放大倍数或后处理修正方法进行补偿。如果引线电阻未知或随着温度漂移变化，则会引起明显的测量失真。

在动态应变测量应用中，惠斯通电桥方法还有另一个明显的缺陷。如图1所示，信号调理的差分放大器的输入连接点一个是来自外部应变片，另一个是内部参考点。很明显，外部连接电缆的静电和电磁耦合噪声与内部参考点的耦合噪声不相当，因此不能通过差分放大器的共模抑制比(Common Mode Rejection,简称 CMR) 消除。这种拓扑结构本质上是不对称的，实际上表现为单端输入放大器，所有耦合的噪声转换成了差模干扰信号。在噪声很大的环境中，这种干扰是输入噪声的主要成分，严重降低输入信号的信噪比(Signal to Noise Ratio, 简称SNR)。

1.2.      单端恒流激励

针对使用单个应变片的动态应变测量，另一种更适宜的测试方法是单端恒流激励技术 (参见图3)。

这种方法使用了一个单端恒流源来激励应变片。因为通过应变片的电流是保持恒定的，应变片的电阻波动被直接转换成电压波动，不需要平衡或补偿电阻。应变片电压检测线（SENSE+/SENSE-） 尽管在精确的DC 测量时十分有效，动态应变测量并不需要考虑，因为延伸导线引起的电压下降不影响对应变片的激励，因此不影响AC应变测量的灵敏度。正如图2中虚线所示，恒流激励技术的测量灵敏度不受导线电阻的影响。与惠斯通电桥技术不同的是，即使在桥路应变片电阻变化很大的情况下，恒流激励也可以提供固有的线性响应。当只需要动态AC数据时，激励线以AC耦合方式连接到差分放大器，形成一个简单的测量灵敏度已知的两线应变片连接。

选择激励电平量级的主要标准通常是应变片的功耗。通过简单电路分析可以看出，在应变片功耗一定的情况下，与惠斯通电桥电路相比，恒流激励技术可以提供两倍的应变灵敏度。使用一个设计优良的信号调理器，就可以立即使整个电路的信噪比改善6dB。另外，由于惠斯通电桥相当于4个应变片，系统的功耗是恒流激励电路的4倍。

和两线惠斯通电桥拓扑结构一样，单端恒流激励电路也是非对称的。输入端的所有耦合噪声被直接转换成差模干扰信号，明显降低了测量信噪比(SNR)。

1.3.      对称恒流激励

对称恒流激励技术使用一对匹配的电流源激励应变片，并使用一个差分放大器测量应变片电压，如图4所示。

该技术除了具有单端恒流激励测量技术的线性特征和灵敏度优点外，其对称的拓扑结构具有其它的测量优点。从图4可以看出，两个差分放大器的连接端在物理空间和电气两方面相对作用于应变片和连接电缆的干扰噪声源都是对称的。如果适当注意电缆连接和布线，就可以使两个对称输入端耦合噪声几乎相等，这样耦合噪声可以被差分放大器的共模抑制(CMR)功能地削减。对称连接的其他优点还包括：提高应变片在故障条件下的容错度，以及以零为中心的变化范围，这就更好地利用了信号调理器通常使用的双极电源设计。

2.        对称恒流激励

       图5 展示的是 PFI(Precision Filters Inc.)公司设计的差分对称恒流技术电路图。它使用两个匹配的电流源形成“推-拉”的结构，一个往应变片“灌入” 电流，另一个从应变片“拉出”电流。这两个电流源匹配良好，浮地的应变片通过双绞屏蔽电缆连接到输入端，此电路在物理空间和电气两方面都是对称的，因此提供了出色的抗力。另外，对于双极电源的地，应变片的DC电压是对称的，与接地的单端电流源相比，对称的拓扑结构具有两倍的信号测量范围。在四线模式下，信号电缆将应变片直接连到差分放大器的高阻抗输入端。因为这些信号线中的电流很小，信号线阻抗导致的压降也很小，电流激励电缆中的压降对测量值的影响可以忽略不计。测量动应变时，SW1可以设置为两线方式，当输入是 AC 耦合时，只放大动应变信号。由于输入连接采用对称差分输入，用共模电压驱动（如图5所示）电缆屏蔽层将进一步提高差分放大器的共模抑制(CMR)能力。

     2.1 对称恒流激励的特性

与单端恒流激励相比，对称恒流激励方法具有如下三个主要优点：(1)显著地降低对静电和电磁噪声的敏感性；(2)对应变片的某些故障情况具有免疫力；(3)具有较宽的电流输出范围。

对于静电耦合噪声，由于输入端是对称的，有效降低了噪声敏感性。通过差分放大器的共模抑制比(CMR) 可以有效地抑制出现在共模信号上由延伸导线带来的耦合噪声。图4 中包含了一个简单的静电噪声耦合模型，放大器通过双绞屏蔽电缆连接工作片，非屏蔽电缆是噪声E_N的载体 ，双绞屏蔽电缆从非屏蔽电缆耦合噪声。双绞屏蔽电缆中的噪声主要从屏蔽层之外的导线耦合进来。设 R_G 为应变片电阻，R_IN为信号调理器的输入阻抗，假设静电噪声源E_N通过杂散耦合电容 C_NH 和 C_NL 耦合到一对输入导线。另外假设 R_IN>>R_G， R_G 远小于C_NH 或 C_NL的阻抗。

在对称恒流输入方式下，耦合噪声 V_NB 相对于频率 f (Hz)的关系为:

V_NB = πfR_G|C_NH–C_NL|E_N    (2)

对单端恒流激励方式，耦合噪声V_NS 为:

V_NS  = 2πfR_GC_NHE_N     (3)

     2.2 对称恒流激励的噪声耦合测试结果

       为了测试静电耦合模型，用一段长10 英尺（或3.05米）的双绞延伸电缆连接到远端一个1k? 的应变片上。双绞延伸电缆紧贴一根无屏蔽的双芯电缆（干扰电缆），从导管中穿过。干扰电缆中通入测试信号，用以描述噪声耦合和频率的关系。如图7所示，单端连接（惠斯通电桥或恒流）的噪声耦合每倍频程增加6dB。测试结果说明电缆的耦合电容约为5pF/ft(或16.4pF/m )。惠斯通电桥的噪声耦合有6dB的优势。这是因为惠斯通电桥的阻抗是 500? 而不是 1k?。在所有测试频率，对称恒流连接将噪声耦合削减了大约40dB，测试结果相当于电缆的耦合电容变为约1%。尽管这些测试结果的数据并不能直接应用于用户的测试设置或环境条件，但这些数据却验证了静电耦合模型，使我们能够对几种常见测试的耦合结果作出预测。表1列出了用于估计耦合电容的每单位长度电缆的电容近似值。

在第二项测试中，一根连接应变片的双绞屏蔽线布置在一台常规的电子机柜后方，紧邻一台19英寸SVGA电脑显示器。应变信号调理器的通道增益被设置成1000，用以放大一个1mV的应变信号。

图8清晰地显示了在单端和对称恒流电路中由电脑屏幕的水平扫描频率造成的噪声耦合情况。 我们能从图表中看出对称电路非常有效，它把噪声耦合减少了34dB。

动态应变测量的一种典型故障是由损坏或疲劳引起的应变片一端短路。如果发生这一故障，这个通道的数据通常会丢失，其他通道的数据也会由于新产生的地回路的影响而失真。差分对称恒流的拓扑确保从应变片返回的电流等于注入应变片的电流，消除了电流流向试件的可能性，即使应变片的一端与试件短路。应变片的一端与试件短路后，应变片的偏置点将偏移到单端连接的点，输入电路不再对称，但应变片仍然有适当的激励和测量灵敏度，可以继续工作。

对称恒流的另一个优点是双级性，应变中心电压为零，测量范围加倍。假设应变片的自发热和功耗问题被适当关注并处理，增加应变片激励是改善整个测量灵敏度的方法。增加激励意味着增加电流源输出范围。然而由于单端电流源的单级特性，变化范围通常受到限制(一般8V到10V)。双级电流激励允许信号在两路电源之间摆动，使变化范围翻倍。使用±15V电源，对称连接方法可以输送高达25mA的激励电流给浮空的1k?应变片。

3.        传感器健康和布线的验证

随着试件日趋昂贵，对试验结果的要求日趋严格，现今的试验方案通常包括大量的预试验设置和仪器状态确认步骤。有效的动应变预试验检查步骤应该包括：应变计电阻检查，激励电平检查，电缆和连接件完整性检查，测量系统增益和频率响应检查。通过有效设计信号调理器前端，可以全自动进行这些检查。如图5所示，一路AC测试电流可以被叠加到DC激励电流（SW2闭合）上，仪器不挪位置，就能完成电缆电阻、应变计电阻和连接件完整性的动态校验，即使在输入端为AC耦合的情况下也是如此。如果AC测试电流的幅值和频率是程控的，则可以对系统的增益和频率响应进行校验。另外，可以用任意波形发生器生成AC电流参考信号，模拟实际测试中遇到的复杂信号，以评估系统的响应。从测量系统的角度看，无法区分信号是由注入的AC测试电流还是被激励的传感器产生。通过激励电流源线路上的精确的低漂移感知电阻(RSENSE)，可以测量实际流过应变片的激励电流。激励电流在“推”、“拉”两条线路上被分别独立监测，可以发现由激励电流流向试件所产生的泄漏情况。应变片故障检测器持续监测开路或短路状态，并向用户报警。

4.        总结

对称恒流激励技术是一种只采用两线连接单工作片精确测量动应变的方法。与单端恒流激励或使用远端补偿电阻的四分之一电桥结构相比，静电耦合被有效抑制。即使在应变片和试验件直接短路这样特定的常见故障情况下，对称恒流激励电路也可以正常工作。与单端结构相比，对称恒流激励电路能够提供更宽的电流源输出范围。最后，本文描述了一种通过向电流回路注入AC测试电流来检测传感器、电缆和系统频率响应的技术。此AC激励信号模拟了所需的信号，以评估系统对复杂信号的响应。

图９和图10展示了利用对称恒流激励技术开发的信号调理系统。这些信号调理系统由PFI公司 (Precision Filters Inc.) 开发, 提供了激励、放大和抗混滤波等功能。其设计采用了这篇论文中介绍的所有对称恒流激励的特征和概念。

     鸣谢

在此作者希望对美国田纳西州 塔拉霍马市 阿诺德工程发展中心（AEDC）斯维德鲁普公司的Bob Mahrenholz先生表示感谢，Mahrenholz先生引入了对称恒流信号调理的概念。作者还要感谢 Don Chandler 先生和 Paul Constantini 先生对这里介绍的概念的贡献。最后，我们还要感谢PFI公司的Don Hall 先生对本文的校对和制作的帮助。

    参考文献

1.      Dally James W. and Riley William F., 1978, Experimental Stress Analysis, New York: McGraw-Hill

2.      Morrison Ralph, 1967, Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation, New York: John Wiley & Sons

3.      Ott Henry W., 1988, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, New York: John Wiley & Sons

4.      Rich Alan, “Shielding and Guarding”, Analog Devices Inc., Analog Dialogue 17-1, 1983

5.      Rich Alan, “Understanding Interference Type Noise”, Analog Devices Inc., Analog Dialogue 16-3, 1982

6.      Wright Charles, 1995, Applied Measurement Engineering, New Jersey: Prentice Hall

商标

1.      对称恒流和BCC是Precision Filters Inc.的商标

2.      National Instruments, NI和CompactRIO是国家仪器公司的商标