引言

力学环境试验包括温度、湿度、振动三方面，在试验过程中往往需要对被测试件进行准确的应力测量。然而，在试验过程中温度发生急剧变化，传感器自身的温度漂移、放大环节的温度漂移和噪声、A/D转换环节的数字噪声、传感器信号线损耗以及外部干扰等因素均会影响测量结果的准确性，从而影响了力学环境试验的真实性。

力学环境试验系统包括以下几个部分：环境温度试验箱、测试传感器、传感器数据采集单元、工控计算机、力学环境试验信号分析软件等，如图1所示。

图1 力学环境试验系统构成图

目前，业界通用的力学环境温度试验方法是将被测试件、力学传感器放入环境温度试验箱中，将传感器信号通过电缆线接至数据采集单元中，由数据采集单元经过信号放大和A/D转换后以RS232或RS485通信方式送入PC进行数据分析和处理，并得出试验结果。

由图1可以看出，测试传感器与数据采集单元距离较远，根据现场实际考察，该距离约0.5~1.5 m，传感器输出的信号比较微弱（均为mV级信号），经过传输线后会有一定程度的损耗，在精密测量场合信号传输线带来的影响会更加明显。此外，在整个测试系统中传感器温度漂移、放大器温度漂移和模拟噪声、温度改变引起的A/D误码率和A/D转换本身的数字噪声等均会对测量结果产生较大影响。放大器的误差分为模拟噪声和温度漂移，二者均杂乱无章、无法预测和消除。放大器噪声分布见图2，A/D转换环节温度对A/D误码率的影响见图3。

图2 放大器噪声分布

图3温度对A/D转换产生的误差

综上所述，在力学环境试验中温度和各种噪声对测量结果有较大影响，针对这些误差影响环节有必要进行相应地改进。

1 改进方法分析

① 应变式力学传感器在出厂前都进行过温度补偿和相应测试，在选择应变式传感器时应选择业内比较知名的品牌。国外品牌有德国霍丁格包尔文电子测量（HBM）技术有限公司和美国梅特勒-托利多公司,国内有中航电测、宁波柯力等。

② 将力学传感器放置在温度试验箱中，对数据采集单元进行技术改造。根据测试要求选择对应的6线制应变传感器，数据采集单元增加长线补偿功能。

长线补偿的原理如下：将力学传感器正电压反馈信号线和负电压的反馈信号线与数据采集单元的A/D转换器输入端相连作为A/D转换器的参考电压输入信号，实现比率电压测量和长线补偿，使测力系统的准确度不受电缆电阻变化、供电电源稳定性等因素的影响。一般采用电压跟随器对传感器的反馈信号进行隔离，由于反馈取样电流微小，故不会影响力学传感器输入端的电压。当环境温度发生变化时，力学传感器输入端电压也随之变化，此变化经反馈线路送至转换器的基准电源，以抵消导线因温度变化引起的传感器输入电压的变化，使测量用的力学传感器得到一个比较稳定的输入电压。如果力学测试传感器采用6线制的接线方法，可以将传感器和数据采集单元的距离扩大到20 m以内使用。

③ 数据采集单元优化，根据应变式传感器惠世通电桥测量原理在数据采集单元内部采用超精密电阻来模拟传感器的零点输出和满量程输出，在同一个采样周期内分别采集应变传感器输出信号、传感器模拟的零点信号、传感器模拟的满度信号，单片机通过电子开关对3个信号的输入进行选择，3个输入信号通过信号放大和A/D转换后送至单片机内部，由单片机根据对应算法作温度和噪声的补偿，原理框图如图4所示。

图4 改进后的信号采集板信号输入流程图

由于温度漂移、放大器噪声、A/D转换噪声等叠加到一起，无法通过单纯的滤波方法将这些误差去除掉，本文中采用了图4所描述的流程图，具体原理分析如下：

① 由于放大器噪声和系统温度漂移无任何规律，随机性很强。假设在足够短的时间内放大器噪声和系统温度漂移都恒定,具体的假定时间和系统的采样频率有关，原则上采样频率越高,假设的条件就越接近真实情况。关于采样频率的选择需要根据系统硬件平台的性能和实际测试效果的需要来进行选择。例如,将系统的采样频率设置为5 kHz，那么假定放大器在200 μs的时间内随机噪声和温度漂移都恒定。

② 将单周期内采样到的传感器输入信号A/D转换值记为LC_ADcode，同周期内采样的传感器模拟信号零点A/D转换值记为ZERO_ADcode，传感器模拟满度信号A/D转换值记为FS_ADcode。

③ 根据①中的假设，单个周期内对3个信号采样瞬间噪声恒定，那么此时用LC_ADcode减去ZERO_ADcode,记为LC_ADcode_Noiseoff。

LC_ADcode_Noiseoff=LC_ADcode-ZERO_ADcode（1）

我们认为模拟信号源的ZERO信号为理想信号，那么该周期内整个系统的噪声则被减掉，LC_ADcode_Noiseoff即为除去噪声后的传感器有效信号值。

④ 根据①中的假设，单个周期内对3个信号采样期间放大器的温度漂移恒定，那么此时用FS_ADcode减去ZERO_ADcode,记为FS_ADcode_Noiseoff。

FS_ADcode_Noiseoff=FS_ADcode-ZERO_ADcode （2）

我们认为模拟信号源的FS和ZERO信号为理想信号，那么该周期内整个系统的噪声则被减掉，FS_ADcode_Noiseoff即为除去噪声后的传感器满量程时的有效信号值。

⑤ 综合式（1）和（2），不难看出LC_ADcode_Noiseoff为去除噪声后的有效信号值，FS_ADcode_Noiseoff为除去噪声后的传感器满量程时的有效信号值。LC_ADcode_Calibrarion为标定后的传感器A/D值，Calibration_Value为传感器标定的目标值。

LC_ADcode_Calibrarion= (LC_ADcode_Noiseoff×Calibration_Value)/FS_ADcode_Noiseoff （3）

从式（3）不难看出，在整个采样环节中，系统的漂移已经被去除。

根据式（1）～（3）,从信号放大到A/D转换整个采样环节，系统的噪声和温度漂移已经被去除，经过算法处理后的数据结果更能反映测量值的真实性，进而提高力学环境试验系统的测量精度。

2 实际应用简介

2.1 数据采集单元信号采样部分软件流程

如图5所示，数据采集单元对传感器输入、传感器模拟信号零点ZERO、传感器模拟信号满量程FS进行轮流采样，每完成对某个通道的A/D采样后自动将输入信号切换到下一个输入通道，单个周期内完成对3个通道的采样后进行数字滤波和数据算法处理，依照此流程进行循环采样。

图5 信号采样部分软件流程图

本设计中采用NXP公司基于CortexM4核架构的LPC43xx单片机作为处理器，由单片机输出控制信号对输入通道进行轮流采样并进行相关运算。LPC43xx 数字信号控制器（DSC），其速度高达 204 MHz。另外，LPC43xx 也是带有 CortexM0 协处理器的双核非对称架构 DSC。LPC43xx 不同于以往的CortexM4 微处理器，它的高性能DSP功能和浮点运算完全满足本设计的要求，真正实现了单芯片处理方案。

2.2 模拟传感器零点信号和满量程信号的方法

模拟传感器的零点信号和满量程信号是根据电阻分压原理来模拟力学环境试验传感器的输出信号，它为力学环境数据采集单元提供了标准的零点和满度信号源。其工作原理如图6所示。

图6 模拟传感器工作原理

如图6所示，三个电阻形成串联电路，从中间的电阻R2两端引出输出端子OUT+ 和OUT-。当给串联电路的两个输入端子IN+和IN-提供激励电压Vin后，OUT+和OUT-两个输出端子间就会有电压输出。当模拟开关switch拨到上端时Vout+=(R2+R3)×Vin/(R1+R2+R3),Vout-=R3×Vin/(R1+R2+R3),故传感器输出信号Vout=(Vout+ -Vout-)=R2×Vin/(R1+R2+R3)，此时输出为传感器满量程电压信号。当switch拨至下端时Vout+=Vout-,故Vout=0，此时输出为传感器的模拟零点信号。以常用灵敏度为2.0 mV/V的力学传感器为例，其电阻的设计阻值选为R1=R3=24.95 kΩ, R2=100 Ω，则输出电压与激励电压的比值（即分压比例系数）为2 mV/V，当激励电压为5 V时模拟传感器输出的最大信号为10 mV。

为了保证整个系统的测量精度，在整个系统供电上要求直流电源纹波≤5 mV, 在模拟传感器的零点和满度信号时，需要采用超精密阻值和超精密温度漂移电阻。本文采用深圳EBG公司精度为0.01%、温度系数为±1 ppm/℃的UPR超精密电阻。经过环境温度试验箱实测，在-10～+40 ℃范围内本设计将温度和噪声对测量精度的影响减少到5 ppm以内，有效提高了系统测量的精度。 21

结语

综合以上讨论和分析，由于数据采集单元在单个周期内要进行3个信号的采样，在一定程度上会牺牲采样的速度。3个输入信号之间在不停地进行切换，信号切换完成后需要一定的时间等待信号稳定，故切换的频率不能太高。该系统适合于对采样精度要求较高、采样速度不是很快的测量场合，有效输出速率≤200 Hz。