新型应变仪及其微机化测试系统
1 传统应变仪的设计思路及存在的问题
应变仪是测量应变信号的仪器，应变测量的基本原理是用金属应变片感受物体表面应变，由于阻值变化引起电桥不平衡，产生差动信号，经放大处理后，显示出应变值。
电桥输出信号是μV级的，以往将这一微弱信号进行有效处理是很困难的，直流放大器零漂、噪声严重，无法有效地放大μV级信号，在这种情况下，应变仪普遍采用交流电桥对此差动信号进行调制，用交流放大器放大后，再解调、输入指示装置。由于不同频率的交变负载对调制频率要求不同，继而后继处理电路亦有较大差别，因此应变仪依据被测信号频率，严格分为静态、静动态、动态应变仪。由于存在分布参数（主要是分布电容），交流电桥频率无法太高，这限制了交流电桥测量应变信号的上限频率（1．5kHz），并且测试过程中分布电容的微小变化即导致桥路不平衡。在测试应变信号超过1．5kHz的情况下，必须采用直流电桥，直流放大器，这就是超动态应变仪，由于直流放大器的零漂严重，该类仪器性能不高。
由于静态应变仪的信号检测电路较繁杂，成本较高，因此，在多路测试时，通过配备预调平衡箱以共用一台应变仪，这又带来了严重的技术问题。因为预调平衡箱的多路开关设在电桥上，接触电阻的微小变化，都将造成较大的偏差。
总之，在集成电路工艺不发达，高性能运放尚未出现的条件下，制作的应变仪性能都较差，影响了实验应力电测法的可靠性。
2 电子技术的发展及对检测仪器的影响
微电子技术的发展直接促进了检测仪器的发展。80年代，第4代运放引入了斩波自稳零电路，大大降低了失调电压，其典型产品有HA2900，ICL7650等，其中Intersil公司研制的ICL7650是CMOS器件，输入失调电流、失调电压、偏置电流极小，输入阻抗极大，开环差模电压和共模抑止比很大，有效抑制了零漂，同时由于采用了CMOS工艺，功耗低、温漂及噪声小，很适宜于放大μV级信号；其单位频宽为2MHz，可有效放大10kHz交流信号，已远超过以往动态应变仪的上限频率。因此，它的出现否定了以往的静态、动态应变仪的技术路线；同时仪表常用集成电路，如稳压器，A／D芯片，LED，LCD驱动电路也大量涌现，并且成本较低，为实现应变仪低成本高性能设计创造了有利条件。
3 新型应变仪的设计方案
3．1 新型应变仪的技术路线
基于电子技术的进展，应变仪的基本技术路线相应的变化应该是：用直流电桥代替交流电桥，用高性能放大器（ICL7650）取代交流放大器；用数字显示或自动数据采集取代机械式的指示装置；在测量多路应变信号时，直接使用多路放大，而弃用预调平衡箱；由于高性能运放有较高的频响，因此应变仪不再有静态、动态之分，而是静、动态通用；应变仪集数字指示和模拟输出于一体，模拟输出电平与通用A／D卡匹配，以构成微机化自动测试系统。
3．2 整机结构
图1为仪器的整机设计框图。仪器设置了8路测量放大电路，一个单刀八掷开关，一个三位半数字电压表。这样，仪器可用于多达8路的静态测试，不必接预调平衡箱，也可将信号输出到磁带机或A／D卡。
3．3 测量放大电路设计
测量放大电路是应变仪的核心部分，其任务是将微弱的差动信号放大到合适的电平，同时提高信噪比。放大电路设计为差动输入，单端输出，任一量程上下限对应输出信号幅值达到±5V，这样，仪器可直接与通用A／D卡或磁带机等记录装置相连。图2为简化的电路原理图。
测量放大电路主要由4部分组成。模块1为差动放大部分，I1和I2为差动输入信号，其差动放大倍数为（R1＋R2＋R3）／R2。模块2为差动放大、共模抑止电路，调整可变电阻R7可基本消除输入端共模电压。由于电桥输出端一般有较严重的共模电压干扰，将模块1和模块2组合，可获得理想的差动放大、共模抑止的效果。模块3为2阶低通滤波器，是一种无限增益多路反馈型滤波器。该型滤波器可实现较高的放大倍数，分担整个测量放大电路的部分增益。采用滤波电路的必要性在于，一方面输入信号中存在高频的电磁感应噪声，另外，ICL7650运放是斩波自稳零型运放，它在切换采样、稳零电路时引入了脉冲信号，因此需在后级电路中加以平滑。模块4量程选择和灵敏度调整电路，可实现2，4，10等3种放大增益，图2中B0，B1为增益控制端。
运放器件均选用ICL7650芯片，工作电压为±7V，由2片78L07芯片提供。
整个测量放大电路增益分配合理，提高了电路工作的稳定性。
3．4 抗干扰设计
仪器的输入信号为μV级，又有变压器、电源电路等强电部分，同时信号通路为多路，因此抗干扰问题较突出。在仪器设计和使用中采取了以下抗干扰措施：
①采用零共模电桥，配合测量放大电路的共模抑制电路可基本消除共模干扰；
②变压器、电源电路、放大电路分开。强电与弱电分离是一般抗干扰措施，仪器中将电源和放大电路分为2块印制版制作，有效避免了强电信号对弱电信号的干扰；
③放大电路加以屏蔽；
④布线设计中严格按照信号由弱到强的顺序布局，以避免大信号对小信号的级间干扰，采用一点共地技术；
⑤测试系统与被测对象等电位技术。
4 整机性能测试
我们对所研制的应变仪进行了全面的性能测试，包括静态测试精度、静态稳定性、静态线性度和一定频响范围内幅频和相频特性。实验表明，应变仪静态测试精度达到0．5μV，实验室条件下其静态稳定性良好，2h内仪器显示值不跳动，在全量程范围内，线性度误差小于0．2％；在5kHz之内，应变仪的增益衰减小于5％，相移基本为线性，因此在0～5kHz频段，应变仪可实现无失真传输。
5 用应变仪构成自动测试系统
5．1 应变仪构成的自动测试系统的基本结构
该应变仪可做为静态应变仪使用，也可以做为电桥适配器，适用于电阻型传感器，仪器提供了多路输入、输出功能，配合PC的数据处理和控制能力可以构成较复杂的自动测试系统。其系统配置一般含：电阻型传感器，可用于温度、位移、应变、压力等测量，ΔR／R＜0．01为宜；电桥盒，四端子即可，用于直流电桥；应变仪，做为电桥适配器；多路开关及A／D。
5．2 应变测试系统软件设计
根据测试过程的基本要求，集成软件包包含了如下模块：
①8路静态应变测量模块，包括采样频率设定、调零、标定、实时测量显示、磁盘存取、打印输出等功能模块；
②单路信号实时采集和分析模块，包括时域信号实时显示、FFT变换、幅频图显示等功能模块；
③平面应力分析模块，对应变化结构的应力分析，包括主应力计算和平面应力图绘制；
④材料拉伸试验功能模块，包括过程数据采集、实时绘制拉伸曲线、数据存取、数据平滑滤波、计算材料性能参数等。
6 结束语
本文提出了应变仪设计的新的技术路线，即用直流电桥取代交流电桥，静动态合一，多路放大电路取代预调平衡箱，数字指示和计算机采样兼顾。根据这一技术路线，设计制做了一台8通道静动态测试通用的应变仪。仪器设置了400με，1000με，2000με3个量程，放大倍数分别为10000，4000，2000。实验表明该仪器使用方便、精度高、稳定性好、动态范围宽且成本较低。
应用该应变仪配合PC、A／D卡和相应软件设计了一套自动测试系统。该系统已用于实验室教学演示和科研工作。
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