一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器及校准测量方法.pdf

本发明公开了一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，所述风洞应变天平信号基于设置在风洞中的应变天平产生，包括：放大电路板，其具有8个信号放大通道，且每个通道均设置有对所述测量信号进行放大的调理电路；直通电路板，其具有8个信号直通通道；其中，所述放大电路板、直通电路板上还分别设置有用于连接至应变天平的输入连接器P1、用于连接至数据采集终端的输出连接器P2。本发明提供一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其使得具有测量精度高、抗干扰能力强、安全系数更高的优点。本发明还提供一种前置放大器的校准方法，提高后期数据采集终端的测量精度。

1.  一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，所述风洞应变天平信号基于设置在风洞中的应变天平产生，其特征在于，包括：
放大电路板，其具有8个信号放大通道，且每个通道均设置有对所述测量信号进行放大的调理电路；
直通电路板，其具有8个信号直通通道；
其中，所述放大电路板、直通电路板上还分别设置有用于连接至应变天平的输入连接器P1、用于连接至数据采集终端的输出连接器P2。

2.  如权利要求1所述的用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其特征在于，所述调理电路包括：
输入放大电路，其与所述应变天平的信号输出端连接，用以对接收的应变天平电压信号进行高频滤波放大后输出单端电压信号；
低通有源滤波电路，其与所述输入放大电路连接，用以对接收到的单端电压信号中的测量噪声进行降低后输出；
差分输出电路，其与所述低通有源滤波电路连接，用以将接收到的经降噪处理后单端电压信号进行两倍放大并转换成差分信号输出。

3.  如权利要求2所述的用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其特征在于，所述输入放大电路包括仪表放大器以及电连接至其输入端的阻容滤波电路，所述阻容滤波电路的输入端与应变天平的信号输出端连接，所述仪表放大器由单片集成芯片U1和增益电阻Rg组成增益为100的放大电路。

4.  如权利要求3所述的用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其特征在于，所述低通有源滤波电路的输入端与所述仪表放大器的输出端连接，且所述低通有源滤波电路为10Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，所述四阶巴特沃斯低通器由两个串联的二阶巴特沃斯低通滤波电路组成。

5.  如权利要求4所述的用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其特征在于，所述差分输出电路由两个并联至所述低通滤波电路输出端的同向运算放大器U3A和反向运算放大器U3B组成，以实现单端到差分的转换以及两倍的放大。

6.  如权利要求1所述的用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其特征在于，所述应变天平为六分量的应变天平构成的全桥电路，所述全桥电路的信号输出端、供电端分别通过输入连接器P1与放大电路板、直通电路板通信连接，所述信号输出端包括向各通道输出差分电压信号的正端Vin+和负端VIN-，所述供电端包括全桥电路的正端VCC和负端AGND。

7.  如权利要求6所述的用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其特征在于，所述输入连接器P1、输出连接器P2连接端的内壁具有间隔距离不同的两个凹槽，其中
所述输入连接器P1为应变天平信号测量提供输入接口，其包括与放大电路板连接的第一输入连接器Xs1和直通电路板连接的第二输入连接器Xs2，其内分别设置被测天平信号各通道输入引脚，被测天平桥压输入、反馈引脚以及接地引脚，所述第二输入连接器Xs2内还设置有放大供电输入引脚；
所述输出连接器P2为数据采集终端提供信号输出接口，其包括放大端输出连接器XS3和直通端输入连接器Xs4，其内分别设置有各通道信号输出引脚，被测天平桥压输入、反馈引脚槽以及接地引脚。

8.  如权利要求1所述的用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其特征在于，还包括设置在所述放大电路板、直通电路板外侧以实现其与其它机构电气隔离的绝缘隔离板。

9.  一种对权利要求1～8中任一项所述前置放大器中各信号放大通道进行校准的方法，其特征在于，包括：
步骤一、在所述放大电路板的输入连接器端向所述8个信号放大通道中的每个通道输入i个模拟应变天平信号Ei，然后在输出连接器端输出经每个信号放大通道放大后的i个电压值X_i，其中所述模拟应变天平信号Ei为电压值在-50～50毫伏的直流信号；
步骤二、所述数据采集终端接收各信号放大通道输出的i个电压值X_i，并基于各信号放大通道输入的i个模拟应变天平信号Ei计算出各信号放大通道的校准参数，所述校准参数通过以下公式获得：
k=Σi=111xiΣi=111Ei-11×Σi=111xiEi(Σi=111Ei)2-11Σi=111Ei2]]>
b=Σi=111xiEiΣi=111Ei-Σi=111xiΣi=111Ei2(Σi=111Ei)2-11Σi=111Ei2]]>

10.  一种采用权利要求9所述的校准方法测量风洞应变天平信号的方法，其特征在于，包括：
步骤一、通过风洞应变天平向放大电路板的8个信号放大通道同时输入应变天平信号；
步骤二、所述放大电路板的各通道基于接收到的应变天平信号，通过所述调理电路进行滤波放大后，输出放大后的电压信号Vout_j；
步骤三、所述数据采集终端通过所述输出连接器接收放大电路板各信号放大通道输出的电压信号Vout_j；并基于各信号放大通道校准参数k和b，采用如下公式计算出应变天平输出的电压信号Vin_j，
Vin_j＝(Vout_j-b_j)/k_j
其中，j为0-7的8个信号放大通道，b_j和k_j分别为各放大信号通道拟合直线的斜率以及截距。

一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器及校准测量方法
技术领域
本发明涉及一种对风洞应变天平信号测量使用的放大器。更具体地说，本发明涉及一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器。
背景技术
目前的现有技术书中，风洞试验天平信号测量采用的方法和设备主要有两种，其中一种是采用前置放大器结合后端数据采集终端进行测量，另外一种是直接通过后端数据采集终端来实现信号的放大、滤波、采集测量。
但是现有的测量设置测量精度不高、抗干扰能力不强。随着国家风洞试验高、精、尖技术的不断发展，对风洞试验测试功能和性能要求越来越高，对测试设备的要求也越来越高，以往的测试手段已远远不能满足高性能风洞试验的要求，已跟不上科技快速的发展步伐。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供提供一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，其使得具有测量精度高、抗干扰能力强、安全系数更高的优点。
本发明还有一个目的是提供一种前置放大器的校准方法，提高后期数据采集终端的测量精度。
本发明还有一个目的是通过前置放大器测量风洞应变天平信号的测量方法，其基于对前置放大器各放大信号通道的校准，以实现最终测量结果更加精确的目的。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器，所述风洞应变天平信号基于设置在风洞中的应 变天平产生，包括：
放大电路板，其具有8个信号放大通道，且每个通道均设置有对所述测量信号进行放大的调理电路；
直通电路板，其具有8个信号直通通道；
其中，所述放大电路板、直通电路板上还分别设置有用于连接至应变天平的输入连接器P1、用于连接至数据采集终端的输出连接器P2。
优选的是，其中，所述调理电路包括：
输入放大电路，其与所述应变天平的信号输出端连接，用以对接收的应变天平电压信号进行高频滤波放大后输出单端电压信号；
低通有源滤波电路，其与所述输入放大电路连接，用以对接收到的单端电压信号中的测量噪声进行降低后输出；
差分输出电路，其与所述低通有源滤波电路连接，用以将接收到的经降噪处理后单端电压信号进行两倍放大并转换成差分信号输出。
优选的是，其中，所述输入放大电路包括仪表放大器以及电连接至其输入端的阻容滤波电路，所述阻容滤波电路的输入端与应变天平的信号输出端连接，所述仪表放大器由单片集成芯片U1和增益电阻Rg组成增益为100的放大电路。
优选的是，其中，所述低通有源滤波电路的输入端与所述仪表放大器的输出端连接，且所述低通有源滤波电路为10Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，所述四阶巴特沃斯低通器由两个串联的二阶巴特沃斯低通滤波电路组成。
优选的是，其中，所述差分输出电路由两个并联至所述低通滤波电路输出端的同向运算放大器U3A和反向运算放大器U3B组成，以实现单端到差分的转换以及两倍的放大。
优选的是，其中，所述应变天平为六分量的应变天平构成的全桥电路，所述全桥电路的信号输出端、供电端分别通过输入连接器P1与放大电路板、直通电路板通信连接，所述信号输出端包括向各通道输出差分电压信号的正端Vin+和负端VIN-，所述供电端包括全桥电路的正端VCC和负端AGND。
优选的是，其中，所述输入连接器P1、输出连接器P2连接端的内壁具有间隔距离不同的两个凹槽，其中
所述输入连接器P1为应变天平信号测量提供输入接口，其包括与放大电路板连接的第一输入连接器Xs1和直通电路板连接的第二输入连接器Xs2，其内分别设置被测天平信号各通道输入引脚，被测天平桥压输入、反馈引脚以及接地引脚，所述第二输入连接器Xs2内还设置有放大供电输入引脚；
所述输出连接器P2为数据采集终端提供信号输出接口，其包括放大端输出连接器XS3和直通端输入连接器Xs4，其内分别设置有各通道信号输出引脚，被测天平桥压输入、反馈引脚以及接地引脚。
优选的是，其中，还包括设置在所述放大电路板、直通电路板外侧以实现其与其它机构电气隔离的绝缘隔离板。
一种前置放大器各信号放大通道的校准方法，包括：
步骤一、在所述放大电路板的输入连接器端向所述8个信号放大通道中的每个通道输入i个模拟应变天平信号Ei，然后在输出连接器端输出经每个信号放大通道放大后的i个电压值X_i，其中所述模拟应变天平信号Ei为电压值在-50～50毫伏的直流信号；
步骤二、所述数据采集终端接收各信号放大通道输出的i个电压值X_i，并基于各信号放大通道输入的i个模拟应变天平信号Ei计算出各信号放大通道的校准参数，所述校准参数通过以下公式获得：
k=Σi=111xiΣi=111Ei-11×Σi=111xiEi(Σi=111Ei)2-11Σi=111Ei2]]>
b=Σi=111xiEiΣi=111Ei-Σi=111xiΣi=111Ei2(Σi=111Ei)2-11Σi=111Ei2]]>
本发明的目的还可以进一步通过校准后的前置放大器来测量风洞应变天平信号的方法来实现，包括：
步骤一、通过风洞应变天平向放大电路板的8个信号放大通道同时输入应变天平信号；
步骤二、所述放大电路板的各通道基于接收到的应变天平信号，通过所述调理电路进行滤波放大后，输出放大后的电压信号Vout_j；
步骤三、所述数据采集终端通过所述输出连接器接收放大电路板各信号放大通道输出的电压信号Vout_j；并基于各信号放大通道校准参数k和b，采用如下公式计算出应变天平输出的电压信号Vin_j，
Vin_j＝(Vout_j-b_j)/k_j
其中，j为0-7的8个信号放大通道，b_j和k_j分别为各放大信号通道拟合直线的斜率以及截距。本发明至少包括以下有益效果：其一，本发明中的前置放大器，由于其集成了放大电路板和直通电路板在一个装置上，由于采用了8通道直通电路连接，使该装置既具有后端兼容老采集系统的特点，同时信号定义与放大通道定义相同，这样有利于在天平端和采集端与放大电路板共用电缆；因其实现一个装置同时具有放大和直通的功能，具有兼容性好的有益效果。
其二，本发明在应用该前置放大器进行风洞试验测量时，由于其调理电路采用了高精度放大电路、滤波电路以及差分输出电路，采用固定放大倍数，减少了电路的复杂性，使测量具有非常高的测量精度、测量可行性和稳定性、测量抗干扰性以及传输抗干扰性。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中前置放大器的结构示意图；
图2为本发明的一个实施例中调理电路的结构示意图；
图3为本发明的另一个实施例中应变天平的结构示意图；
图4为本发明的另一个实施例中输入连接器的结构示意图；
图5为本发明的另一个实施例中输出连接器的结构示意图；
图6为本发明的另一个实施例中输入、输出连接器引脚槽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了根据本发明的一种用于风洞应变天平信号测量的前置放大器的实现方式，所述风洞应变天平信号基于设置在风洞中的应变天平产生，包括：
放大电路板1，其具有8个信号放大通道，且每个通道均设置有对所述测量信号进行放大的调理电路110，其每个放大信号通道中调理电路的电路原理和结构都一样，均由200倍固定放大倍数电路、4阶巴特沃斯低通滤波器、差分输出电路、电源电路组成。其200倍固定放大倍数电路采用最新技术的超高精度、越低漂移的仪表放大器实现100倍放大，通过设置增益电阻设置放大倍数，电阻也采用0.02％的精度、20ppm温度漂移的高精度电阻；其4阶巴特沃斯低通滤波器电路采用高精度电阻和高精度双运算放大器实现，滤波截止频率10H(-3dB)；其差分输出电路也采用高精度双运算放大器构成，一路实现跟随，一路实现反相，这样就构成差分输出，同时实现2倍放大，整个电路就实现200倍放大；其电源电路是取外部供电，通过滤波后给天平应变电桥的供电电路以及用于采集补偿的桥压反馈电路。所述放大电路板用于为应变天平提供桥压，并反馈应变天平桥压到数据采集终端，最后将应变天平信号放大、滤波后送给数据采集终端进行A/D转换，同时在进行风洞试验测量时，由于采用了高精度放大电路、滤波电路以及差分输出电路，采用固定放大倍数，减少了电路的复杂性，使测量具有非常高的测量精度、测量可行性和稳定性、测量抗干扰性以及传输抗干扰性；
直通电路板2，其具有8个信号直通通道，所述直通电路板用于为应变天平提供桥压，反馈应变天平桥压到数据采集终端进行A/D转换，其中的8通道天平信号通过输入连接器直接从电路板走线连接到输出连接器，最后通过电缆连接到后端数据采集终端，同时也为天平应变电桥电源供电，以及用于采集补偿的桥压反馈电路，同时兼容无前置放大器测量的老数据采集终端系统，这使得其保留了后端兼容原数据采集终端系统特点的同时，其信号定 义与放大通道定义相同，使得其有利于在天平端和采集端共用电缆；
其中，所述放大电路板、直通电路板上还分别设置有用于连接至应变天平的输入连接器P1 3、用于连接至数据采集终端的输出连接器P2 4，为了进一步的提高测量精度，所述输出连接器与数据采集终端的连接电缆采用高品质双绞屏蔽电缆，以增加抗干扰的能力；同时所述输入连接器P1、输出连接器P2使得前端放大器放大与直通切换时，只需要将电缆连接到相应的放大或直通功能的连接器插头即可，简单易行；其中P1为应变天平测量输入提供接口，用于连接应变天平输出的差分电压信号，连接给应变天平供电的电源，连接天平端反馈的天平电源端；其中P2为信号调理装置的信号输出端，用于连接调理后的差分输出信号，连接该前置放大器的供电电源，连接应变天平供电电源，连接应变天平端反馈的天平电源端。采用这种方案中使得该前置放大器具有良好的兼容性，测量精度高，测量和传输的抗干扰能力强的有利之处并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
在另一种实例中，所述调理电路110包括：
输入放大电路120，其与所述应变天平的信号输出端连接，用以对接收的应变天平电压信号进行高频滤波放大后输出单端电压信号；
低通有源滤波电路130，其与所述输入放大电路连接，用以对接收到的单端电压信号中的测量噪声进行降低后输出；
差分输出电路140，其与所述低通有源滤波电路连接，用以将接收到的经降噪处理后单端电压信号进行两倍放大并转换成差分信号输出。还包括保护电路，供电电路采用这种方案的放大电路板因采用固定放大倍数，减少了电路的复杂性，使测量具有非常高的测量精度、测量可行性和稳定性强、测量以及传输抗干扰性强、安全系数高的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
如图2所示另一种实例中，所述输入放大电路包括仪表放大器121以及电连接至其输入端的阻容滤波电路122，所述阻容滤波电路的输入端与应变天平的信号输出端连接，所述仪表放大器由单片集成芯片U1 123和增益电阻Rg 124组成增益为100的放大电路。其中U1和Rg构成100倍放大电路，U1的输入端电阻电容构成阻容滤波电路，滤掉天平信号中的高频分量，此部分 实现差分输入并输出放大后的单端电压信号。采用这种方案具有放大倍数固定，电路简单的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
在另一种实例中，所述低通有源滤波电路130的输入端与所述仪表放大器的输出端连接，且所述低通有源滤波电路为10Hz的四阶巴特沃斯低通滤波器，所述四阶巴特沃斯低通器由两个串联的二阶巴特沃斯低通滤波电路131组成。采用这种方案在单端输入单端输出的同时，降低测量噪声，以使其后期的测量精度得到提高的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
在另一种实例中，所述差分输出电路140由两个并联至所述低通滤波电路输出端的同向运算放大器U3A 141和反向运算放大器U3B 142组成，以实现单端到差分的转换以及两倍的放大。其中U3A和U3B及其外围电路进行单端到差分的转换电路，分别进行正跟随和反相跟随，实现了2倍放大，输出差分电压信号的功能。采用这种方案实现单端输入、差分输出，实现增益为2的放大功能，具有电路结构简单，对于后期的数据采集端计算精度提高有着显著的帮助。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
如图3所示，在另一种实例中，所述应变天平为六分量的应变天平构成的全桥电路5，所述全桥电路的信号输出端、供电端分别通过输入连接器P1与放大电路板、直通电路板通信连接，所述信号输出端包括向各通道输出差分电压信号的正端Vin+和51负端VIN-52，所述供电端包括全桥电路的正端VCC 53和负端AGND 54。其中，Vin+和Vin-是一个差分电压信号通道输出的正端和负端，AGND是差分电压信号输出的公共端与天平通道供电电源的地等电位，测量时连接到信号调理装置的信号输入端；VCC和AGND是天平应变全桥的供电端，VCC是正端，AGND是地端，8个通道采用同一个电源供电。工作时，系统通过该前置放大器为天平通道供电，当天平发生形变时，该通道输出不同形变产生的电压，8个通道同时工作，可以实现8通道6分量天平对力和力矩的测量。采用这种方案具有针对性强、测量效果好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
如图4、5所示、在另一种实例中，所述输入连接器P1、输出连接器P2 连接端的内壁具有间隔距离不同的两个凹槽31、41，其使得在更换或故障排除时，可以避免输入输出电缆连接器接反，其中
所述输入连接器P1为应变天平信号测量提供输入接口，其包括与放大电路板连接的第一输入连接器Xs1 32和直通电路板连接的第二输入连接器Xs233，其内分别设置被测天平信号各通道输入引脚34，被测天平桥压输入、反馈引脚35以及接地引脚36，所述第二输入连接器Xs2内还设置有放大供电输入引脚；
如图6所示，所述输出连接器P2为数据采集终端提供信号输出接口，其包括放大端输出连接器XS3 42和直通端输入连接器Xs4 43，其内分别设置有各通道信号输出引脚44，被测天平桥压输入、反馈引脚45以及接地引脚46。采用这种方案具有直通功能与放大功能切换简单，且其连接器防插错的设计，使得产品的安全系数得到提高的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
在另一种实例中，还包括设置在所述放大电路板、直通电路板外侧以实现其与其它机构电气隔离的绝缘隔离板(未示出)，通过绝缘隔离板设计实现试验机构与风洞壁的隔离，达到防撞的安全保护的目的。当前置放大器安装在天平附近的机构中时，将前置放大器的地与机构进行电气隔离，而与前置放大器共地的数据采集终端最终于大地相连，且大地与风洞壁相连，这样机构与风洞壁就相隔离了。在应用该前置放大器进行风洞试验测量时，由于采用了绝缘隔离板设计，而该调理装置外壳既可以与测量系统屏蔽相连减小干扰又使机构和风洞壁之间可以设计硬件防碰撞装置，当风洞壁和机构发生碰撞时，反馈到整个测控系统，系统通过软硬件实现安全保护。采用这种方案具有稳定性好，安全系数高的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
上述方案中的前置放大器各信号放大通道的校准方法，包括：
步骤一、在所述放大电路板的输入连接器端向所述8个信号放大通道中的每个通道输入i个模拟应变天平信号Ei，然后在输出连接器端输出经每个信号放大通道放大后的i个电压值X_i，其中所述模拟应变天平信号Ei为电压值在-50～50毫伏的直流信号；
步骤二、所述数据采集终端接收各信号放大通道输出的i个电压值X_i，并基于各信号放大通道输入的i个模拟应变天平信号Ei计算出各信号放大通道的校准参数，所述校准参数通过以下公式获得：
k=Σi=111xiΣi=111Ei-11×Σi=111xiEi(Σi=111Ei)2-11Σi=111Ei2]]>
b=Σi=111xiEiΣi=111Ei-Σi=111xiΣi=111Ei2(Σi=111Ei)2-11Σi=111Ei2]]>
采用这种方案由于通过对放大电路板的各放大信号通道通过线线拟合的方式进行了计量校准，使得各通道的线性拟合参数更加准确，采用校准后的前置放大器对应变天平的输出信号进行检测时，因其校准后的线性拟合参数参与整个测量计算，这样整个风洞试验系统的测量精度将得到进一步的提高，其中，其线性拟合采用最小二乘法进行线性拟合，使得前置放大器具有参数精准，测量稳定性好的有利之处。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
上述方案中通过校准后的前置放大器来测量风洞应变天平信号的方法，包括：
步骤一、通过风洞应变天平向放大电路板的8个信号放大通道同时输入应变天平信号；
步骤二、所述放大电路板的各通道基于接收到的应变天平信号，通过所述调理电路进行滤波放大后，输出放大后的电压信号Vout_j；
步骤三、所述数据采集终端通过所述输出连接器接收放大电路板各信号放大通道输出的电压信号Vout_j；并基于各信号放大通道校准参数k和b，采用如下公式计算出应变天平输出的电压信号Vin_j，
Vin_j＝(Vout_j-b_j)/k_j
其中，j为0-7的8个信号放大通道，b_j和k_j分别为各放大信号通道拟 合直线的斜率以及截距。
下表为一个通道的校准方法和计算结果，其中X为Vin，Y为Vout，L为非线性误差。