[0001] 本发明涉及信息采集技术，特别涉及一种应变采集电路系统及应变采集方法。

[0002] 土木工程建筑如桥梁、大坝、高层建筑、大型场馆等，都是国家重大基础设施，长期处于风、雨、雪等复杂的环境中，其安全性能关系国计民生，因此，对这些设施进行长期监测以发现潜在的隐患就尤其重要。

[0003] 目前，监测一般采用应变采集电路系统，即在设施的固体材料上安置应变采集设备，例如电阻应变片、应变传感器等，测量获取固体材料的应力应变参数，并通过无线传感器网络将采集的应力应变参数输出。工程上在测量各种固体材料的应力应变参数时，大多通过应变片法来实现，即利用电阻应变片、应变传感器等监测产生的应变力学量，通过电桥转换成应变电压信号，然后通过专门的采集电路转换成数字量，并进行数据传输以获取应力应变参数。

[0004] 现有的无线应变采集设备，大多采用电池供电来维持应变采集电路系统工作，因而，需要加大电池容量以满足无线传感器网络系统的长期监测需要，从而使得无线应变采集设备体积大幅度增加，进而限制了一些结构上的架设，增加了无线节点架设的难度。

[0005] 进一步地，由于应变测量的需求种类繁多，因此应变传感器的类型(电阻不同、桥路不同等)也随之增加，因此，如何适应不用的测试要求，灵活的适应于不同传感器的需要也是亟待解决的问题；而且，由于传感器生产厂家工艺的良莠不齐，可能会出现批次不同，出厂指标相差较大等问题，使得不同批次架设的应变传感器在同一监测点监测得到的应力应变参数差异较大，采集精度较低，制约了应变采集设备长期监测的发展。

[0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

[0043] 图1为本发明实施例应变采集电路系统结构示意图。参见图1，该应变采集电路系统包括：恒流源电路101、桥路配置电路102、硬件调平电路103、放大调理电路104以及A/D采集芯片105，其中，

[0044] 恒流源电路101，用于为桥路配置电路102提供恒流源电流；

[0045] 本发明实施例中，恒流源电路101是使用运算放大器通过第二电阻R2和参考电压V_REF的配比计算产生恒定电流，用于为桥路配置电路102提供工作所需要的恒流源激励，从而使得桥路配置电路102的桥路电流不再和桥臂电阻的大小产生直接联系，进而降低了桥路配置电路102整体工作的功耗，特别适合于使用电池供电的无线传感器网络的长期监测应用。

[0046] 恒流源电路101包括第一电阻R1、第二电阻R2、运算放大器、第三电阻R3以及第四电阻R4，运算放大器的第一极通过第一电阻接入参考电压，第二极通过第二电阻接地(AGND)，并通过第四电阻作为恒流输入桥路配置电路102的一极，运算放大器的第三极接地，第四极接模拟电压AVCC，第五极通过第三电阻作为恒流输入桥路配置电路102的另一极，第一电阻、第三电阻以及第四电阻依据经验值而定，其阻值与第二电阻相近。

[0047] 实际应用中，可以根据模拟电压的供电电压情况，依据经验确定参考电压的大小，进而与第二电阻R2匹配，完成桥路电流大小设置，使得桥路电流I＝V_REF/R2。

[0048] 桥路配置电路102，用于根据监测所需的外接应变传感器的连接桥路类型，通过切换多路开关芯片，将外接应变传感器替换电阻桥路的电阻，构成测试桥路；

[0049] 本发明实施例中，连接桥路类型包括：全桥、半桥、1/4桥。

[0050] 桥路配置电路102包括多路开关芯片以及电阻桥路，其中，

[0051] 电阻桥路，用于将外接应变传感器替换电阻桥路的电阻，构成测试桥路；

[0052] 多路开关芯片，用于根据监测所需的外接应变传感器的连接桥路类型，控制测试桥路的构成。

[0053] 多路开关芯片，包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3以及第四开关S4；

[0054] 电阻桥路，包括第五桥臂电阻R5、第六桥臂电阻R6、第七桥臂电阻R7以及第八桥臂电阻R8；

[0055] 第五桥臂电阻与第六桥臂电阻的一端分别与恒流输入桥路配置电路102的一极相连，第五桥臂电阻的另一端与第二开关的第三极相连，第六桥臂电阻的另一端与第三开关的第二极相连；

[0056] 第二开关的第二极与第一开关的第三极相连，第一开关的第二极与第八桥臂电阻的一端相连，第八桥臂电阻的另一端与恒流输入桥路配置电路102的另一极相连，并与第七桥臂电阻的一端相连，第七桥臂电阻的另一端与第四开关的第三极相连，第四开关的第二极与第三开关的第三极相连，第一开关、第二开关、第三开关以及第四开关的第一极并联，接入模拟电压；

[0057] 第四开关的第二极与第三开关的第三极的相连处作为输入放大调理电路104的一极，第二开关的第二极与第一开关的第三极的相连处作为输入放大调理电路104的另一极；

[0058] 恒流输入桥路配置电路102的一极作为输入硬件调平电路103的一极，恒流输入桥路配置电路102的另一极作为输入硬件调平电路103的另一极。即桥路配置电路与硬件调平电路共输入极。

[0059] 本发明实施例中，通过控制多路开关芯片的通断来切换电阻桥路内部的桥臂电阻，从而接入外部的应变传感器，可以灵活地适应不同应变传感器连接类型的桥路连接要求，例如，全桥、半桥、1/4桥等，大大增加了应变采集电路架设的灵活性，特别适合于有分批次架设、外接应变传感器规格较多等特点的无线传感器网络的长期监测应用。

[0060] 硬件调平电路103，用于在桥路配置电路102的测试桥路构建后，在测试桥路的应变传感器未处于工作状态时，对A/D采集芯片105采集的应变电压信号进行灵偏校正；

[0061] 本发明实施例中，进行灵偏校正是通过控制硬件调平电路103中的可调电位计的阻值大小完成的。

[0062] 硬件调平电路103包括：桥路调平第九辅助电阻R9、可调电位计以及桥路调平第十辅助电阻R10，其中，

[0063] 桥路调平第九辅助电阻的一端接入恒流输入硬件调平电路的一极，另一端与可调电位计的第二极相连，可调电位计的第一极接入第二开关的第二极与第一开关的第三极的相连处，第三极与桥路调平第十辅助电阻的一端相连，桥路调平第十辅助电阻的另一端接入恒流输入硬件调平电路103的另一极，可调电位计的第四极接入模拟电压，第五极接地。

[0064] 本发明实施例中，通过控制或调整可调电位计的阻值大小，可以完成硬件调平电路103的灵偏校正，使得因环境变化、应变片电阻不一致性等不可避免因素带来的桥路灵偏得以校正，在灵偏校正已完成的情况下，将应变传感器处于不发生形变的常态下，即可进行A/D的数据采集，使得监测结果更加准确，提高了应变采集电路的采集精度，扩展了测试范围。

[0065] 放大调理电路104，用于对桥路配置电路102输出的因桥路微小应变产生的应变电压信号进行放大、调理以及滤波处理；

[0066] 本发明实施例中，恒流源电路101的恒流输出分别作为桥路配置电路102以及硬件调平电路103的输入，桥路配置电路102的输出作为放大调理电路104的输入。

[0067] 通过设置放大调理电路104合理的放大倍数和滤波频率，能够最大程度的还原应变传感器监测固体材料变形产生的应变电压信号，从而实时反应测试桥路的变化情况，并使应变电压信号在进入A/D采集芯片前调理成一个较为稳定的电压信号。

[0068] 在测试桥路确定之后，根据应变传感器的灵敏度、测试的实际量程、测试桥路分辨率以及采样频率等因素，基于经验进行综合分析计算，配置仪表放大器的放大倍数和滤波的截止频率。

[0069] 放大调理电路104包括：第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容以及仪表放大器，第十一电阻的一端接入第四开关的第二极与第三开关的第三极的相连处，另一端与仪表放大器的第一极相连，第一电容的一端与仪表放大器的第一极相连，另一端接地，第十二电阻的一端接入第二开关的第二极与第一开关的第三极的相连处，另一端与仪表放大器的第二极相连，第二电容的一端与仪表放大器的第二极相连，另一端接地，第十三电阻分别与仪表放大器的第三极和第四极相连，仪表放大器的第五极接地，第六极与第七极相连并接入模拟电压，第八极接入参考电压，第九极分别与第十四电阻以及第三电容的一端相连，第十四电阻以及第三电容的另一端与仪表放大器的第十极相连，同时，第十极与第十五电阻的一端相连，第十五电阻的另一端与第四电容的一端相连并作为输入A/D采集芯片105的一极，第四电容的另一端与第八极相连并作为输入A/D采集芯片105的另一极。

[0070] 通过调整第十一电阻～第十五电阻以及第一电容～第四电容，可以调整仪表放大器的放大倍数和滤波的截止频率，具体调整的流程可参见相关技术文献，在此不再赘述。

[0071] A/D采集芯片105，用于将放大调理电路104输出的应变电压信号进行A/D转换，并输出以进行信号分析。

[0072] 本发明实施例中，在灵偏校正调整完成后，应变传感器所产生的应变电压信号，经过放大调理电路104的放大、滤波处理，可以通过A/D采集芯片105转换成数字信号，并通过其他数字接口，例如，串行外围设备接口(SPI，Serial Peripheral Interface)、串口等接口传输给主控芯片，进行后续处理、分析等工作。

[0073] 图2为本发明实施例的应变采集方法流程示意图。参见图2，该流程包括：

[0074] 步骤201，预先为桥路配置电路设置恒流源电流；

[0075] 本步骤中，为桥路配置电路中的测试桥路设置恒流源电流，使桥路电流与测试桥路中的桥臂电阻的大小无直接联系，从而降低桥路配置电路整体工作的功耗。

[0076] 步骤202，根据待测试的应变传感器，切换桥路配置电路中的多路开关芯片，组成测试桥路；

[0077] 本步骤中，如果待测试的应变传感器的桥路连接要求为1/4桥，则将该应变传感器替换电阻桥路中的任一电阻，从而组成测试桥路；如果待测试的应变传感器的桥路连接要求为半桥，则将该应变传感器替换电阻桥路中的任意两个电阻，组成测试桥路；如果待测试的应变传感器的桥路连接要求为全桥，则将该应变传感器替换电阻桥路中的所有电阻，组成测试桥路。

[0078] 步骤203，根据待测试的应变传感器性能参数配置放大调理电路参数；

[0079] 本步骤中，根据待测试的应变传感器的灵敏度、测试的实际量程、测试桥路分辨率以及采样频率等应变传感器性能参数，基于经验进行综合分析计算，配置放大调理电路参数，例如，仪表放大器的放大倍数和滤波的截止频率。

[0080] 步骤204，调节硬件调平电路，使处于静态工作的测试桥路平衡；

[0081] 本步骤中，静态工作是指在未启动应变传感器进行数据采集的情况下，使恒流源电路、桥路配置电路、硬件调平电路、放大调理电路以及A/D采集芯片进入工作状态，根据A/D采集芯片的输出，调节硬件调平电路，使得调整后的A/D采集芯片的输出为零，这样，可以确定处于静态工作的测试桥路平衡。

[0082] 步骤205，启动测试桥路进行监测，并通过A/D采集芯片采集监测的应变信息。

[0083] 本步骤中，在确定处于静态工作的测试桥路平衡后，将应变传感器置于工作状态，开始监测并采集应变信息，经放大调理电路的放大及滤波处理，最后由A/D采集芯片采集经处理的应变信息。

[0084] 由上述可见，本发明实施例的应变采集电路系统及应变采集方法，恒流源电路为桥路配置电路以及硬件调平电路提供恒流源电流，从而使得测试桥路的桥路电流与桥臂电阻的大小无关，硬件调平电路工作电流与可调电阻大小无关，从而降低了桥路配置电路以及硬件调平电路整体工作的功耗，能够满足无线传感器网络系统的长期监测需要；同时，无线应变采集设备体积较小，降低了无线节点架设的难度，适应性强；进一步地，通过硬件调平电路，对桥路配置电路进行灵偏校正，可以避免环境变化、应变传感器出厂指标相差较大、应变片电阻的不一致性等不可避免因素对监测结果的影响，提高了应变采集电路系统的采集精度以及采集稳定性；而且，通过多路开关芯片的切换控制，可以满足不同的应变传感器测试要求，可以灵活地适应于不同传感器的需要，增加了应变采集电路架设的灵活性，特别适合于有分批次架设、外接应变传感器规格较多等特点的无线传感器网络的长期监测应用。

[0085] 以下基于图1和图2，举两个具体实施例，对本发明作进一步地详细描述。

[0086] 实施例一

[0087] 图3为本发明实施例一的应变采集电路系统逻辑结构示意图。参见图3，结构与图1相类似，包括：恒流源电路、桥路配置电路、硬件调平电路、放大调理电路以及A/D采集芯片，其中，外接的应变传感器的应变电阻为120Ω，模拟电压为3V，采用半桥方式接入桥路配置电路，闭合桥路配置电路的多路开关芯片中的第二开关以及第三开关，恒流源电路向测试桥路提供1.25mA的激励电流，设置放大调理电路的放大倍数为400倍。

[0088] 图4为本发明实施例一的应变采集电路系统物理结构示意图。参见图4，为图3基于图1的等效示意图，通过将图1桥路配置电路中的第七桥臂电阻和第八桥臂电阻分别采用应变传感器进行替换，从而得到图4的物理结构。

[0089] 首先，由于该应变采集电路供电部分为3V，因此恒流源电路部分选用参考电压V REF的电压为1.25V，第二电阻R2的阻值选择为1kΩ，因而，设置的恒流源激励电流为1.25mA。

[0090] 其次，由于外接应变传感器为半桥，需要闭合多路开关芯片中的第二开关和第三开关，从而使内部桥臂电阻(第五桥臂电阻以及第六桥臂电阻)和外部应变传感器的应变电阻组成完整的测试桥路。

[0091] 接着，通过对桥路激励电流、应变电阻值和灵敏度等进行综合分析，将仪表放大器的放大倍数设置为400倍。

[0092] 最后，将应变传感器置于没有形变的常态下，进行A/D信号采集，动态调整可调电位计的阻值，从而使得测试桥路完成灵偏校正。待校准完成后，就可进行实际应变的A/D采集，将应变量转换成数字量进行传输、处理、分析。

[0093] 实施例二

[0094] 图5为本发明实施例二的应变采集电路系统逻辑结构示意图。参见图5，结构与图3相类似，不同的是，外接的应变传感器采用1/4桥方式接入桥路配置电路。

[0095] 图6为本发明实施例二的应变采集电路系统物理结构示意图。参见图6，为图5基于图1的等效示意图，通过将图1桥路配置电路中的第八桥臂电阻采用应变传感器进行替换，从而得到图6的物理结构。

[0096] 由于外接应变传感器为1/4桥，需要闭合多路开关芯片中的第二开关、第三开关和第四开关，从而使内部桥臂电阻(第五桥臂电阻、第六桥臂电阻以及第七桥臂电阻)和外部应变传感器的应变电阻组成完整的测试桥路。

[0097] 设置仪表放大器的放大倍数、进行灵偏校正以及实际应变的A/D采集，与图4相同，在此不再赘述。

[0098] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。