專利名稱：錳銅壓阻應力儀的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于流體壓力測量儀領域(G01L)本實用新型是50Ω錳銅壓阻傳感器的配套儀器。它將壓力(或壓應力)作用下錳銅壓阻傳感器的電阻變化信號轉變成電壓形式的壓力模擬信號，供后續儀器采集與存儲，故本實用新型又可稱為“錳銅壓阻變送器”。
有關壓力變送器的產品及資料很多(見1990年電子工業出版社出版的《傳感器及敏感元器件大全》)，如半導體壓力變送器(北京航空航天大學)，擴散硅應變式壓差和壓力變送器(日本Honeywell公司)，應變式壓力變送器(杭州自動化儀器廠、航空航天部701所等)，電感式壓力變送器和電容式壓力變送器(上海自動化儀表四廠與西安儀表廠等)。盡管這類壓力變送器所用的傳感器工作原理不同，有的利用應變一電阻效應，有的利用半導體壓阻效應，但它們都是由電橋測量電路(包含外接傳感器)和運算放大電路等組成，僅為了適應不同的傳感器性能和測量量程，在結構上略有差異。一般這類壓力變送器頻帶較窄，不考慮與傳輸線之間的阻抗匹配(它們的橋臂電阻為120Ω或240Ω)，因此不宜用于高速壓力脈沖信號的測量。
本實用新型的主要目的就是要采用50Ω錳銅壓阻傳感器及其配套儀器測量從1MPa到1GPa之間的高速壓力(或壓應力)脈沖信號。
為實現上述目的，本實用新型的技術實施方案如下如附圖1所示，本實用新型主要由橋臂電阻值為50Ω的直流電橋測量電路(其中包括一個外接的錳銅壓阻傳感器1及另外三個橋臂組成的測量電路2)，和運算放大器電路3等組成。此外還有電池組供電與充電電路7～14、平衡調節電路4、自檢電路5和增益調整電路6和平衡指示電路15。
50Ω錳銅壓阻傳感器1具有壓阻效應，能夠將被測壓力轉變為該傳感器1的電阻變化。此電阻變化通過電橋測量電路(1與2組成)轉變成電壓形式壓力模擬信號，電橋測量電路中四個橋臂都采用50Ω(其中一個為外接的傳感器，另外三個橋臂在此儀器中)，因此保證了傳感器與50Ω同軸電纜之間的良好匹配，使高速脈沖壓力模擬信號的傳輸不發生嚴重畸變。該壓力模擬信號經運算放大電路3放大后，又可以傳送到后續儀器采集、存儲與處理。50Ω錳銅壓阻傳感器1可以外接不同結構形式的50Ω錳銅壓阻計，如埋入被測介質中并測其中壓應力的片狀錳銅壓阻計(一次性使用)，也可以連接測量壁面附近流體壓力的柱塞式錳銅壓阻傳感器(可多次重復使用)，后者是本實用新型同時申請的另一項實用新型。本實用新型設置了兩個電池組供電電路7～10和充電電路11～14，其中7～10是第一電池組供電和充電電路，11～14為第二電池組供電和充電電路。電池組8經開關7向電橋測量電路供電，充電電路10可以經開關9向電池組8充電；電池組12經開關11向運算放大電路供電，充電電路14可以經開關13向電池組12充電。在充電電路中采用耐高壓電容器限流，滿足充電電池正常充電要求；充電指示電路是串接在充電回路中。本實用新型采用由串聯的穩壓二極管和發光二極管組成的電平指示電路，接在充電電池組兩端，指示充電電池組的電壓是否偏高或偏低。
平衡調節電路可調節橋臂電阻值50Ω的電橋測量電路(1與2)中的一個橋臂電阻值，使得傳感器1在不承受壓力作用時，電橋(1與2)的輸出電壓接近零。
為排除傳感器阻值變化對系統靈敏度的影響，也為了適應不同壓力范圍的測量，本實用新型設置了“系統靈敏度”的自檢電路。
自檢電路用來模擬有壓力作用于傳感器1時傳感器產生的電阻值變化，這一方面是為了檢查本儀器是否工作正常，另一方面是為了正確測量系統靈敏度。此功能是通過在傳感器PRG兩端并接一個較大阻值的已知電阻來實現的。當PRG再并接一已知電阻后，其電阻值的變化量ΔR也是已知的，則電橋測量電路2的輸出經放大電路3放大后的電壓增量ΔV也應是可測的。如果自檢時測到的ΔV等于或接近預告值，則證明本儀器工作正常。根據實測的ΔV與ΔR可算出ΔV／ΔR，此比值即為本儀器的系統靈敏度。
增益調整電路是用來改變本儀器運算放大電路3的增益，以適應不同壓力量程的測量。在這一電路中可以通過調整運算放大電路3的輸入電阻值或反饋電阻值來實現增益調整。
平衡指示電路15用來指示電橋(1和2)是否平衡，用一只電橋平衡表串接一個電阻來實現，當電橋平衡時，該表指針指向平衡位置。
本實用新型的
如下圖1錳銅壓阻應力儀原理框圖圖2錳銅壓阻應力儀電路原理圖圖3雙通道錳銅壓阻應力儀外觀示意圖圖4前面板襯板上元件布置示意圖圖5錳銅壓阻應力儀印刷電路板上元器件布置示意圖
圖6錳銅壓阻應力儀典型輸出波形下面結合實施例和附圖對本實用新型的技術實施方案作詳細說明。
實施例1本實施例采用附圖2所示的電路。其Ⅰ區和Ⅳ區為充電電路，Ⅱ區為電池供電與電橋測量電路，Ⅲ區為電池供電與運算放大電路。
C1與C6為限流電容，以保證充電電池組充電時充電電流小于額定值。R1與R19分別為C1與C6的旁路電阻，以減小限流電容C1與C6的工作電壓。D1與D4為整流橋，電路中接入穩壓二極管D3與D13是為了防止充電電路空載時電壓過高，燒壞充電指示電路。充電指示電路由R2、R3與D2以及R18、R17與D12組成。E1、E2與E3充電時，在R2及R18可獲足夠高的電壓，使發光二極管D2及D12發光，R3及R17分別為D2及D12的限流電阻。當E1、E2與E3充電電壓值達到要求時，則穩壓管D4、D8分別充分導通，發光二極管D5與D9發光，表示電池已充滿電。開關K2與K7分別控制電池E1、E2與E3接入工作電路還是接入充電電路。集成穩壓電路塊G與電解電容C2、C3組成5V穩壓電路，C2與C3起濾波作用。穩壓二極管D6與發光二極管D7以及穩壓二極管D8與發光二極管D9分別為電橋測量電路和運算放大電路的電源指示電路，當E1，E2與E3電源電壓足夠時，此電源指示電路的發光二極管D7、D9發光。電阻R6、R8、R10與外接的錳銅壓阻傳感器PRG為電橋的四個橋臂電阻，它們的阻值約為50Ω。橋臂電阻R6要稍大些，是為了與電阻R5與電位器R4串接后并接在R6上，調節R4的阻值使電橋平衡。開關K3與K4為自檢開關。當K3或K4接通或斷開時，傳感器PRG兩端將并聯一個較大阻值的電阻(2KΩ或20KΩ)，或脫開一個并接電阻，從而使PRG獲得一個微小的電阻增量ΔR；相應地運算放大器Amp的輸出端OUT獲得一個電壓增量ΔV。如ΔV等于預告值，則證明此儀器工作正常。電阻R13是運算放大器Amp的輸入電阻，放大器輸入R13不并接電阻時，可得到基本的增益。開關K5與K6用來控制放大器Amp的增益，電阻R11與R12是控制放大器Amp增益的電阻，它可通過開關K5或K6并聯到輸入電阻R13上，使放大器Amp輸入阻抗發生變化，從而實現對放大器Amp增益的控制。電解電容C4與C5是放大器Amp的退耦電容。電位器R14用來調整放大器Amp輸出OUT的零點。電阻值R15是控制放大器Amp增益的反饋電阻。電阻R16是放大器Amp的負載電阻。
本實施例的工作過程如下1.用50Ω同軸電纜把柱塞式50Ω錳銅壓阻傳感器與錳銅壓阻應力儀的輸入端連接起來；
2.將運算放大器電源開關K7置工作位置，若工作正常，則電橋平衡指示表表針應停留在初始位置；3.閉合電橋電源開關K2至工作位置，然后調節多圈電位器R4，使電橋平衡指示表表針復位(回到初始平衡位置)；4.選擇增益當上下撥動開關K5與K6都處于OFF位置，則放大器增益為10；當左邊開關K5(如圖3所示)處在ON位置時，則放大器增益接近100；當兩個開關K5、K6都處在ON位置時，則放大器增益接近1000。放大器增益是根據被測信號大小來選擇的，測量較高壓力時選小增益，測量較低壓力時選大增益；5.自檢開關的選擇高增益時使左邊撥動開關K3閉合或斷開；當選擇低增益時使右邊撥動開關K4閉合或斷開；6.自檢試驗只要撥動自檢開關K3與K4工作一次，則接在本實施例后的后續儀器(數字存儲示波器)上獲得一個電壓增量ΔV0；自檢開關的作用是在傳感器上并聯一個精確的已知電阻R9或R10，而傳感器電阻加傳輸線電阻也可精確測出，因此也就獲得一個精確的已知的電阻增量ΔR0，以模擬由于壓阻效應使傳感器產生的電阻增量。若ΔV0／ΔR0接近預告值，則本實施例工作正常。ΔV0／ΔR0值就是本儀器的系統靈敏度。
本實用新型測量壓力(或壓應力)的量程寬，可達10MPa－1GPa，響應時間可小于1μs。因而可廣泛地應用于石油、化工、汽車、礦業、兵器與航空航天等領域測量1MPa－1GPa間的動態壓力(或壓應力)。由于本實用新型采用電池組供電，使工頻干擾降至最小；還因本實用新型的電路較簡，元件較少，提高了儀器的可靠性、降低了成本，也便于野外使用。
權利要求1.錳銅壓阻應力儀是50Ω錳銅壓阻傳感器配套儀器，其特征在于它包含有橋臂電阻為50Ω的電橋測量電路、運算放大電路、直流供電電路與充電電路，其中外接的50Ω錳銅壓阻傳感器作為此電橋測量電路的一個橋臂，電橋測量電路的輸出端連至運算放大電路的輸入端，兩個獨立的充電電池組分別向電橋測量電路和運算放大電路等電路供電，充電電路則能分別向欲充電電池組供電。
2.根據權利要求1所述的錳銅壓阻應力儀，其特征在于其橋臂電阻為50Ω的電橋測量電路的一個橋臂上并聯了一個平衡調節電路，在50Ω錳銅壓阻傳感器的輸出端并聯了自檢電路，在運算放大電路的輸入電阻或反饋電阻上并聯增益調整電路，在運算放大電路的輸出端有電橋平衡指示表。
專利摘要本實用新型是50Ω錳銅壓阻傳感器的配套儀器，它包含有橋臂電阻為50Ω的電橋測量電路，運算放大電路，電橋平衡調節電路，增益調整電路和自檢電路等。本實用新型中采用了高速運算放大器芯片，其響應時間可小于1μS；本實用新型的增益可調整，從10至1000，測量壓力(或壓應力)的量程寬，從10MPa至1GPa。本實用新型可廣泛應用于石油、化工、汽車、礦業、兵器與航空航天等領域測量1MPa～1GPa間的動態壓力(或壓應力)。由于本實用新型采用充電電池組供電，因而使工頻干擾降至最小；還因本實用新型的電路較簡，元件較少；提高了儀器的可靠性、降低了成本，也便于在野外使用。
文檔編號G01L1/18GK2113479SQ9220295
公開日1992年8月19日 申請日期1992年2月25日 優先權日1992年2月25日
發明者黃正平, 劉長林, 趙文軍, 張漢萍 申請人:北京理工大學