測試原理

本機原理電路見圖1。其主要測量電路由橋源、放大電路、模數轉換電路和液晶顯示器等幾部分組成。

1.1橋源電路

橋源主要用來給由應變計傳感器組成的惠斯頓電橋提供直流穩壓電源。橋源在應變儀中具有十分重要的作用，橋源的穩定性，直接關系到測試結果的準確性。本機采用由精密電壓基準和運算放大器組成的輸出電壓為2V的直流恒壓源。

在圖1中，U1(MAX873)為輸出電壓+2.5V的低功耗、低漂移、精密電壓基準，其電源電壓范圍為+4.5～+18V；U2A(TL062)為低失調JFET輸入運算放大器，U2A、R3、Q1、C1組成電壓跟隨器。U1輸出的+2.5V經R1、R2分壓后，在R1上可調出1.67～2.50V的電壓，能夠滿足產生2V橋壓的要求。當橋壓輸出升高(或降低)，反饋至U2A的反向輸入端，使U2A運算放大器的輸出端電壓降低(或升高)，Q1的基極電流則減少(或加大)，Q1的射極電流(流經負載的電流)減少(或加大)。由虎克定律可知：負載電壓(橋壓)將降低(或升高)，從而達到穩定橋壓的目的。

V+與地之間為由模數轉換器提供(詳見模數轉換電路部分)的+5V穩定電壓，大于MAX873正常工作所需的+4.5V，保證了MAX873和TL062、Q1能夠不受儀器電源電壓降低影響，使橋源電路能夠提供穩定的橋壓。

1.2 放大電路

本機采用應變值的測量法，即不對電橋進行平衡，直接測量荷載作用下應變電橋輸出值，通過計算即可得出增量或相對值。此方法可消除平衡電路引起的誤差，特別是克服了長期監測中平衡值難以保存的問題。

本機的放大電路主要由U3(LTC7652)運算放大器構成。LTC7652為利用CMOS工藝研制的超低漂移、斬波自穩零式精密運算放大器，具有超低失調電壓和漂移、高共模抑制比和電源抑制比，為比較理想的應變儀用放大器。由應變測試原理知，等臂電橋的輸出電壓為：

式中：USC——電橋輸出電壓；U0——橋源電壓，在此為2V；K——應變片靈敏系數，為了簡化電路，在本儀器中固定為2.0；ε——應變值。

將U0、K、ε代入式(1)可得：USC=ε，即為了達到模數轉換器10μV分辨率的要求，需將電橋的輸出電壓放大10倍。在圖1中，R5、R6、R7、R8為電橋的四個應變計外接橋臂。為了提高放大器的輸入阻抗，電路采用同相放大方式。放大電路的電壓增益為：

應變儀的設計量程為20000με，放大器滿量程輸入UBD=±20mV，輸出UHL=±200mV。當電源電壓V+-V-=7～9V，V+-UC=+5V時，V+-UB=+4V，V--UB=-3～-5V，可見，B點作為放大器輸出參考點，基本處于電源電壓中間，放大器的輸出電位則遠遠小于電源電位，保證了放大器線性度和不會發生溢出。

1.3 模數轉換電路

本機所用的模數轉換器U1(ICL7129)是采用COMS大規模集成電路技術、高性價比的4（1/2）位液晶顯示單片模數轉換器，具有高精度、低漂移、外圍電路簡單等優點。

為了提高儀器的準確度和抗工頻干擾能力，由Y1、C4、C5組成的頻率為100kHz晶振電路為模數轉換器ICL7129提供穩定的時鐘脈沖。由1.2V、10×10-6/℃的精密電壓基準D1(ICL8069)為ICL7129提供1V的參考電壓。由于放大電路的輸出參考電位低于V+約4V，且不固定，ICL7129的COM端則低于V+約3.2V，兩者電位不相等，采用共模電壓約為0.6~1.0V差分輸入方式(見圖1)。

由于使用電池供電，必須考慮電池電壓隨著工作時間的增加而降低的問題。本機利用ICL7129的DGND端與V+保持穩定的5.3V電壓差這一特點，由U2B、Q2、R15、C10構成電壓跟隨器，產生橋源電路所需要的地電平，使橋源電壓不受電源電壓變化的影響。

2 工作性能試驗分析

2.1 非線性度測試

利用等強度懸臂梁對便攜式靜態應變儀進行非線性測試，并與7V14靜態應變儀(日)的測試結果進行對比，測試數據見表1。表中實際應變值為根據每級荷載等強度懸臂梁所產生的撓度計算得來。從表1數據可看出，手持式應變儀具有良好的線性，三者數據符合很好。

2.2 正、負對稱性測試

根據應變電測原理，將電橋的A、C(或B、D)反接，可改變輸出信號的極性。表2為在等強度懸臂梁上進行的正、負對稱性測試結果，表明正值比負值的值小7～10με，說明改變橋路接線方式將引起電橋輸出變化，但對增量無影響。

2.3 電源電壓影響

圖2的電源電壓與示值關系曲線表明：(1)在7.5～12.5V范圍內測試結果準確，電源電壓對測試結果無影響；(2)6.7～7.5V區間基本準確，對測試結果有影響，但很小。在7.3V時，ICL7129低電壓指示符顯示，提示更換電池；(3)6.5V以下已不能工作。

2.4 穩定性測試

通過測試4h內零點變化值來檢測儀器的漂移穩定性。應變計R5～R8用120Ω(2W0.01％)的標準電阻代替，將B、D點短路，使應變儀輸入為零。預熱15min后，第1小時以15min間隔，第2至4小時以30min為間隔，讀取應變儀示值的變化。測試結果顯示4h內沒有產生漂移。