基于应变片的应变分布测量电路的制作方法

本实用新型涉及应变分布测量技术领域，特别涉及一种基于应变片的应变分布测量电路。

背景技术：

目前，在结构应力分布分析中，常用的测量方式为在结构表面贴上多个应变片进行分布式测量，然而，该测量方式需要大规模的多通道采集设备对应变片的信号进行分别采集，其主要缺点为：

1、采集设备的通道数量要求较多，系统复杂，体积庞大，功耗高；

2、每个应变片都需要一组线缆进行连接，线缆多，布线复杂，可靠性低。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。

为此，本实用新型的一个目的在于提出一种基于应变片的应变分布测量电路，通过设置应变片阵列并配套相应的采集电路，既降低了复杂度及功耗，又减少了布线线缆。

为达到上述目的，本实用新型第一方面实施例提出了一种基于应变片的应变分布测量电路，包括：应变片阵列，所述应变片阵列包括n行m列矩阵式排布的n*m个应变片；n个第一电阻、第二电阻、m个第三电阻和多路开关，第一所述应变片通过所述多路开关与至少一个所述第一电阻、所述第二电阻和至少一个所述第三电阻形成电桥电路。

根据本实用新型实施例的基于应变片的应变分布测量电路，应变片阵列包括n行m列矩阵式排布的n*m个应变片，其中，每一应变片通过多路开关与至少一个第一电阻、第二电阻和至少一个第三电阻形成电桥电路。由此，该基于应变片的应变分布测量电路，通过设置应变片阵列并配套相应的采集电路，既降低了复杂度及功耗，又减少了布线线缆。

另外，根据本实用新型上述实施例提出的基于应变片的应变分布测量电路还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，上述基于应变片的应变分布测量电路还包括：n个放大电路；所述n个第一电阻与n行所述应变片对应，所述应变片的一端通过所在行对应的所述第一电阻与供电电源的正极连接；所述n个放大电路与n行所述应变片对应，所述应变片的一端还与所在行对应的所述放大电路的输入负端连接，所述放大电路用于对输入的测量电压信号进行放大处理，得到放大测量电压信号；所述放大电路的输入正端通过所述第二电阻与所述供电电源的正极连接；所述m个第三电阻与m列所述应变片对应，所述第三电阻的第一端通过所述第二电阻与所述供电电源的正极连接；所述多路开关包括一个动触点和m个静触点，所述m个静触点与m列所述应变片对应，所述应变片的另一端与所在列对应的所述静触点连接，所述第三电阻的第二端与所在列对应的所述静触点连接，所述动触点与所述供电电源的负极连接。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一电阻的阻值和所述第二电阻的阻值相等。

在本实用新型的一个实施例中，所述第三电阻的阻值和所述应变片处于非应变状态下的阻值相等。

在本实用新型的一个实施例中，所述第三电阻为固定电阻或与所述应变片同规格的不发生应变的应变片。

在本实用新型的一个实施例中，所述放大电路包括：放大器，所述放大器的输入正端作为所述放大电路的输入正端，所述放大器的输入负端作为所述放大电路的输入负端，所述放大器的输出端作为所述放大电路的输出端，所述放大器用于对输入的所述测量电压信号进行放大处理，得到所述放大测量电压信号；第四电阻，所述放大器的输入负端通过所述第四电阻与所述放大器的输出端连接。

在本实用新型的一个实施例中，所述供电电源的负极的电压等于0。

在本实用新型的一个实施例中，所述多路开关为机械开关或半导体模拟开关。

在本实用新型的一个实施例中，上述基于应变片的应变分布测量电路还包括：n个处理器，所述n个处理器与n行所述应变片对应，所述处理器的输入端与所在行对应的所述放大电路的输出端连接，所述处理器用于接收所述放大测量电压信号，并根据所述放大测量电压信号确定所在行待测量的所述应变片的应变量。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的基于应变片的应变分布测量电路的示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的基于应变片的应变分布测量电路的单通道测量等效电路的示意图；

图3是根据本实用新型另一个实施例的基于应变片的应变分布测量电路的示意图；以及

图4是根据本实用新型另一个实施例的基于应变片的应变分布测量电路的单通道测量等效电路的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面结合附图来描述本实用新型实施例的基于应变片的应变分布测量电路。

图1是根据本实用新型一个实施例的基于应变片的应变分布测量电路的示意图，如图1所示，本实用新型实施例的基于应变片的应变分布测量电路，可包括：应变片阵列100、n个第一电阻r1、第二电阻r2、m个第三电阻r3和多路开关sw，其中，n和m可为正整数。

其中，应变片阵列100包括n行m列矩阵式排布的n*m个应变片strain，且每一应变片strain可通过多路开关sw与至少一个第一电阻r1、第二电阻r2和至少一个第三电阻r3形成电桥电路。

在本发明的一个实施例中，参见图1，上述的基于应变片的应变分布测量电路还可包括n个放大电路200，其中，n个第一电阻r1与n行应变片strain对应，n个放大电路200与n行应变片strain对应，且应变片strain的一端通过所在行对应的第一电阻r1与供电电源v的正极连接，应变片strain的一端还与所在行对应的放大电路200的输入负端连接，放大电路200用于对输入的测量电压信号进行放大处理，得到放大测量电压信号。放大电路200的输入正端通过第二电阻r2与供电电源v的正极连接。m个第三电阻r3与m列应变片strain对应，第三电阻r3的第一端通过第二电阻r2与供电电源v的正极连接。多路开关sw包括一个动触点和m个静触点，m个静触点与m列应变片strain对应，应变片strain的另一端与所在列对应的静触点连接，第三电阻r3的第二端与所在列对应的静触点连接，动触点与供电电源v的负极连接。

需要说明的是，上述实施例中的n*m个应变片strain的横列(n行)和纵列(m列)都可以根据实际需求进行扩展。

可选地，第一电阻r1的阻值和第二电阻r2的阻值可相等，第三电阻r3的阻值和应变片strain处于非应变状态下的阻值可相等，第三电阻r3可为固定电阻或与应变片strain同规格的不发生应变的应变片，供电电源v的负极的电压可等于0，多路开关sw可为机械开关或半导体模拟开关。

具体地，参见图1和图2，放大电路200可包括放大器amp和第四电阻r4，放大器的输入正端作为放大电路200的输入正端，放大器amp的输入负端作为放大电路200的输入负端，放大器amp的输出端作为放大电路200的输出端，放大器amp用于对输入的测量电压信号进行放大处理，得到放大测量电压信号，放大器amp的输入负端通过第四电阻r4与放大器amp的输出端连接。

进一步地，参见图3，上述基于应变片的应变分布测量电路还可包括n个处理器300，其中，n个处理器300与n行应变片strain对应，处理器300的输入端与所在行对应的放大电路200的输出端连接，处理器300用于接收放大测量电压信号，并根据放大测量电压信号确定所在行待测量的应变片strain的应变量。其中，处理器300可包括比较器、adc(analogtodigitalconverter，模数转换器)等。

下面详细描述本实用新型的实施例基于应变片的应变分布测量电路是如何进行应变分布测量的(即，测量原理)：

在本实用新型的实施例中，如图3和4所示，应变片strain待测应变片，应变片strainx与第五电阻r5为矩阵中其他应变片和匹配电阻构成的旁路电阻，第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3和应变片strain构成桥式电路，r1＝r2，r3与应变片strain标称阻值匹配，第四电阻r4为放大倍数设置。应变片信号放大后可以供给后端(即，处理器300)进行处理，例如比较器、adc等。

举例而言，参见图4，假设流过第一电阻r1的电流为i1，流过应变片strain的电流为is，流过第二电阻r2的电流为i2，应变片strain的阻值为rs，应变引起的电阻变化为δr，电桥供电电压(v+)-(v-)＝u，放大电路200的输入正端的输入电压为u1，输入负端的输入电压为u2，多路开关sw的内阻为rsw，电压为u3。

其中，根据本实用新型实施例的基于应变片的应变分布测量电路，由运放原理(即，放大电路200的运算原理)可得，u1＝u2，所以应变片strainx与第五电阻r5不会有电流流过，即旁路应变片及电阻对测量结果不会造成影响。

假设供电电源v的负极v-的电压等于0(即电位为0)，可得如下方程式：

i1*r1+is*(rs+δr)+(is+i2)*rsw＝u；

u-u1＝i1*r1；

u2＝i2*r3+(is+i2)*rsw；

i1-is＝(u2-out)/r4；

u1＝u2；

联立求解可得out＝u2-(is*δr/r3)*r4，其中，由于应变片strain的δr相对于标称值是一个极小量，所以u2、is可近似视为常量，另r3＝rs。

然后，由应变片特性公式dr/r＝ks*ε，可得到电路输出与应变的近似传导公式：out＝u2-(is*ks*ε)*r4。

最后，由该传导公式可知电路输出与应变为一次线性关系，在实际应用中，可由其他标准设备进行直接标定或校准。

由此，本实用新型实施例的基于应变片的应变分布测量电路，能够大幅度减少线束规模，并且由于使用较少的信号处理通道，硬件系统较为简单，较易实现小型化，可以实现信号处理单元就近设置，减少长线等。

综上，根据本实用新型实施例的基于应变片的应变分布测量电路，应变片阵列包括n行m列矩阵式排布的n*m个应变片，其中，每一应变片通过多路开关与至少一个第一电阻、第二电阻和至少一个第三电阻形成电桥电路。由此，该基于应变片的应变分布测量电路，通过设置应变片阵列并配套相应的采集电路，既降低了复杂度及功耗，又减少了布线线缆。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。