一种新型便携式静态应变仪的研制
本机原理电路见图1。其主要测量电路由桥源、放大电路、模数转换电路和液晶显示器等几部分组成。
1.1桥源电路
桥源主要用来给由应变计传感器组成的惠斯顿电桥提供直流稳压电源。桥源在应变仪中具有十分重要的作用,桥源的稳定性,直接关系到测试结果的准确性。本机采用由精密电压基准和运算放大器组成的输出电压为2V的直流恒压源。
在图1中,U1(MAX873)为输出电压+2.5V的低功耗、低漂移、精密电压基准,其电源电压范围为+4.5～+18V;U2A(TL062)为低失调JFET输入运算放大器,U2A、R3、Q1、C1组成电压跟随器。U1输出的+2.5V经R1、R2分压后,在R1上可调出1.67～2.50V的电压,能够满足产生2V桥压的要求。当桥压输出升高(或降低),反馈至U2A的反向输入端,使U2A运算放大器的输出端电压降低(或升高),Q1的基极电流则减少(或加大),Q1的射极电流(流经负载的电流)减少(或加大)。由虎克定律可知：负载电压(桥压)将降低(或升高),从而达到稳定桥压的目的。
V+与地之间为由模数转换器提供(详见模数转换电路部分)的+5V稳定电压,大于MAX873正常工作所需的+4.5V,保证了MAX873和TL062、Q1能够不受仪器电源电压降低影响,使桥源电路能够提供稳定的桥压。
1.2放大电路
本机采用应变值的绝对测量法,即不对电桥进行平衡,直接测量荷载作用下应变电桥输出值,通过计算即可得出增量或相对值。此方法可消除平衡电路引起的误差,特别是克服了长期监测中平衡值难以保存的问题。
本机的放大电路主要由U3(LTC7652)运算放大器构成。LTC7652为利用CMOS工艺研制的超低漂移、斩波自稳零式精密运算放大器,具有超低失调电压和漂移、高共模抑制比和电源抑制比,为比较理想的应变仪用放大器。由应变测试原理知,等臂电桥的输出电压为：
式中：USC——电桥输出电压;U0——桥源电压,在此为2V;K——应变片灵敏系数,为了简化电路,在本仪器中固定为2.0;ε——应变值。
将U0、K、ε代入式(1)可得：USC=ε,即为了达到模数转换器10μV分辨率的要求,需将电桥的输出电压放大10倍。在图1中,R5、R6、R7、R8为电桥的四个应变计外接桥臂。为了提高放大器的输入阻抗,电路采用同相放大方式。放大电路的电压增益为：
应变仪的设计量程为20000με,放大器满量程输入UBD=±20mV,输出UHL=±200mV。当电源电压V+-V-=7～9V,V+-UC=+5V时,V+-UB=+4V,V--UB=-3～-5V,可见,B点作为放大器输出参考点,基本处于电源电压中间,放大器的输出电位则远远小于电源电位,保证了放大器线性度和不会发生溢出。
1.3模数转换电路
本机所用的模数转换器U1(ICL7129)是采用COMS大规模集成电路技术、高性价比的4（1/2）位液晶显示单片模数转换器,具有高精度、低漂移、外围电路简单等优点。
