王 冰，林建輝，張 兵

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引 言

由于礦產(chǎn)開采、水利水電業(yè)以及鐵路行業(yè)的飛速發(fā)展[1-3]，這些行業(yè)中幾乎必備的一項測試內(nèi)容就是關(guān)鍵部件或者關(guān)鍵位置的應(yīng)力應(yīng)變，而且當前用于應(yīng)力應(yīng)變測試的應(yīng)變片還能測試彈性部件的其他參數(shù)，如加速度、力、力矩、位移等參數(shù)；因此，應(yīng)力應(yīng)變測量儀器的開發(fā)與應(yīng)用一直是一個熱門的話題。在應(yīng)變測試系統(tǒng)中，由于原始信號比較小，只有μV～mV級別的電壓輸出，甚至即使采用相同廠商同一型號的應(yīng)力應(yīng)變傳感器來采集信號，也會因為測試現(xiàn)場的信號傳輸線路損耗或者溫度漂移，使信號超出可調(diào)理范圍?；谝陨显?，應(yīng)變信號在采集之前必須對測量電橋進行調(diào)零，并對放大倍數(shù)也要進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的調(diào)零方式是在恒壓供電的應(yīng)變橋上增加一個大阻值的可變電位器，通過人工調(diào)零使得應(yīng)變片的輸出達到初始零電位[4]。這樣調(diào)零有兩個缺陷：（1）手工調(diào)節(jié)太麻煩，而且安裝位置很有可能不允許進行手工調(diào)零；（2）手工調(diào)節(jié)的精度偏低，對后續(xù)數(shù)據(jù)的采集也會造成不可挽回的影響。隨著科技的發(fā)展，芯片的集成度大幅度提高，通過微處理器來進行的自動控制越來越多地應(yīng)用到了各個領(lǐng)域，而在本文中，以STM32微處理器為基礎(chǔ)[5-9]，結(jié)合多個電子元件，實現(xiàn)了同時采集8路信號，初始化時自動調(diào)零，并能夠靈活調(diào)節(jié)增益衰減和濾波的調(diào)理電路。

1 調(diào)理器的硬件結(jié)構(gòu)

硬件架構(gòu)如圖1所示，整個電路主要由調(diào)理電路和采集電路組成。本文主要介紹調(diào)理電路，該電路主要由應(yīng)力應(yīng)變傳感器、高精度電橋、可編程儀表增益組成的二級放大電路、自動調(diào)零電路、可編程低通濾波器以及輸出匹配電路等組成。

圖1 硬件架構(gòu)

1.1 精密電橋信號

在本項目中，采用的高精度橋壓電路如圖2所示，REF2925是一個精密的2V基準電壓，以這個基準電壓供給橋路，然后通過將橋路產(chǎn)生電壓和2 V的基準電壓分別接到精密運放OPA2347的正負輸入，通過運放輸出到場效應(yīng)管的G極，以此產(chǎn)生2V的穩(wěn)定精確電壓。

圖2 精密電橋應(yīng)變電

1.2 二級放大和調(diào)零電路

前端放大電路由于輸入信號采用差分形式，差分放大器的采用是不可避免的。差分放大器有如下優(yōu)勢：（1）相對于單端輸入的信號來說，差分放大器的抗噪聲能力有顯著地提高；（2）使用差分放大器，可以增加差分輸出的信號擺幅；（3）差分放大器有偶數(shù)階的信號失真。所以，使用差分放大器作為ADC的前驅(qū)方案，可以有效地解決共模電壓的干擾和降低噪聲對原始信號的影響，同時還能優(yōu)化輸出阻抗，使得原始信號能夠完整而準確地被放大。

本文采用Analog Device的AD8253作為前驅(qū)放大，這是一款可編程的增益放大器，具有GΩ輸入阻抗，10MHz帶寬，-110dB的低總諧波失真（THD）以及780 ns的快速建立時間和0.000 1%的精度，并且可靈活選擇1，10，100，1 000四種增益倍率。

采用凌特（LT）公司的LTC-6910-1可編程反相放大器作為第二級反向放大器，該放大器支持軌到軌輸入輸出，有11MHz的增益帶寬乘積，輸入噪聲低，系統(tǒng)動態(tài)范圍至 120 dB，有 0，1，2，5，10，20，50和100V/V共8種增益。

調(diào)零電路由STM32和DAC7513共同組成，其中微控制器選用的是STM32F103ZET6作為主控制器，該芯片是基于32位ARM CortexTM-M3核心，最高工作頻率為72 MHz，自帶512KB閃存的微控制器，并有高達64KB的SRAM。同時，片上集成了多達11個定時器，13個通信接口，112個快速I/O端口，支持12通道DMA控制器。放大調(diào)零電路見圖3。

圖3 放大調(diào)零電路

DAC7513是德州儀器（TI）公司的一款低功耗、12位帶緩沖的電壓輸出數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器。片上內(nèi)置的精確輸出放大器可以實現(xiàn)軌到軌輸出電壓擺幅。而且該芯片使用了多樣化的3線制串行接口，最大支持時鐘頻率高達30 MHz，兼容SPI、QSPI、Microwire和DSP接口。

在調(diào)零電路中，初始化信號發(fā)出以后，STM32核心接收到電壓信號，并通過DAC7513發(fā)送到AD8253，通過改變基準電壓將AD8253的輸出調(diào)零。調(diào)零電路公式為

式中：V+，V-——差分輸入的正負端；

G1——AD8253的放大倍數(shù)；

Vzeromodulation——調(diào)零電路輸出電壓。

1.3 濾波電路

濾波器采用的是LTC1062，這是一個5階全極低通濾波器，這個濾波器最大的優(yōu)點就在于它非同尋常的結(jié)構(gòu)，使得濾波器是置于直流電路之外，這樣就徹底消除了直流偏移和低頻率噪聲的干擾。這就使得LTC1062非常適用于直流精度要求較高電路的低通濾波器。LTC1062工作原理圖如圖4所示，將V+以及截止頻率設(shè)定管腳（DIVIDER RATIO）都接在+5 V電源上，當輸入端電阻為選定為50 kΩ，電容為100nF時，根據(jù)單片機輸出到Cosc管腳的時鐘信號，可以實現(xiàn)：

式中：fc——濾波器的低通截止頻率；

fclk——LTC1062的Cosc管腳接收到的時鐘信號。

圖4 LTC1062工作原理圖

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件主要由應(yīng)變數(shù)據(jù)調(diào)理和采集2部分組成。在應(yīng)力應(yīng)變的測試過程中，板子上電以后，由于精確橋路的不平衡，所以輸出的電壓不等于零。這時通過二級放大和濾波后再通過A/D轉(zhuǎn)換輸出到單片機上，由單片機進行比對分析，再通過將信號傳送到DAC上，對前段放大的調(diào)零偏置電壓進行更改，將輸出的電位重新調(diào)整至零位；與此同時，單片機會不斷收到經(jīng)過濾波放大的應(yīng)變信號，如果不為零，則對AD8253的參考電位再次進行調(diào)整，一直進行到輸出的電壓進入零電位的范圍，這時，單片機將會更改標志位并指示調(diào)零結(jié)束。本系統(tǒng)有2個LED燈，專門用于顯示電路的工作狀態(tài)，如果紅燈閃爍，即是正在調(diào)零，綠燈常亮，即為調(diào)零結(jié)束，可以開始采集，程序流程如圖5所示。

3 實踐與現(xiàn)場試驗

該調(diào)理采集系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于大秦重載鐵路線試驗中，眾所周知，大秦鐵路乃是我國西煤東運的主干道。本文主要測量的車型為C80型煤礦專用敞車，該車型是我國專門為大秦線而設(shè)計制造的專用敞車，其主要職能是運載煤礦，設(shè)計載重高達80t。基于大秦線上的貨運列車的服役環(huán)境的惡劣和負載的強度，輪對的運行狀況是整列車的運行安全的核心因素，為保證萬噸級貨車安全運營，通過在鐵軌上布設(shè)的應(yīng)變傳感器，對路過鐵軌的C80貨車輪對的實時應(yīng)力進行測量。

圖5 程序流程圖

圖6、圖7分別顯示為空車正常輪對和擦傷輪對經(jīng)過軌道上所布的測點時所測得的應(yīng)力數(shù)據(jù)。在圖6中，正常輪對的輪軌垂向力在18~35kN內(nèi)呈近似正弦變化；而圖7中，由于輪面的不平順，輪軌的垂向力就會隨著不平順處與軌面接觸時產(chǎn)生瞬時超過50kN甚至60kN的應(yīng)力，這對列車的長時間高負荷安全運行是一個隱患，所以對檢測出有擦傷的輪對應(yīng)予以盡快修復(fù)。最后得出了的結(jié)果符合預(yù)期，成功地對正常的輪對和有擦傷的輪對進行了區(qū)分，測試獲得了較好的效果。

圖6 空車正常車輪應(yīng)力

圖7 空車擦傷車輪應(yīng)力

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于STM32單片機的8路自動調(diào)零應(yīng)變信號調(diào)理電路，依靠日新月異的嵌入式技術(shù)，通過微處理器的控制，在根本上剝離了對人工調(diào)理的依賴，很大程度上提升了應(yīng)變測試時信號調(diào)理的便捷性和實時性。而且利用單片機的程序可復(fù)用性，可以非常方便地調(diào)節(jié)采集不同應(yīng)變信號時需要的放大倍數(shù)和濾波器的截止頻率，能夠?qū)崿F(xiàn)大量程、高適應(yīng)性的信號調(diào)理和采集任務(wù)，是一種比較高效新穎的解決方案。目前，該采集板已經(jīng)在大秦線重載列車的輪軌力的測試項目中進行應(yīng)用，獲得了較為良好的效果。同時，在實踐中也發(fā)現(xiàn)了一些局限，由于測試條件比較惡劣，布線等花費了太多精力且存在一些隱患，所以下一步就需要開發(fā)出一種高可靠性的無線傳輸裝置以消除有效傳輸在測試中存在的隱患。

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