Page 39 - 电力与能源2023年第四期

王昱皓，等：输电导线动态微应变在线检测装置研究 345

保证设备的续航能力。由于应变量较大而桥路输 当应变片在力的作用下发生形变时，其电阻
出的电压信号很微弱以至于会影响到测量精度， 值会产生相应的改变，而此时的电桥将不再处于
［8］
为此设计可变量程的信号调理电路。同时为了抑 平衡状态 。假设四个桥臂电阻 R 1，R 2，R 3，R 4 各
制噪声对采集精度的影响，加入软件有限脉冲响 自对应的电阻变化量分别为 ΔR 1， ΔR 2， ΔR 3， ΔR 4，
应（FIR）数字滤波器的设计。最后，对该装置进 且 R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = R。 若 采 用 单 臂 电 桥 方

行应变采集试验，验证其工作稳定性和测量精度。 式，忽略过程中的无穷小变量，可得到电桥电压变
化量和应变之间的关系为
1 应变测量原理
1
U out = EKε （3）
应变的测量一般是使用电阻应变片进行的， 4
半桥的电压灵敏度是单臂电桥的 2 倍，则半
电阻应变效应是其主要的工作原理：外界力施加
桥方式的输出电压为
到导体或半导体材料上产生机械变形时，其电阻
1
值相应地会发生改变 ，而电阻值的变化可以转 U out = EKε （4）
［5］
2
［6］
变为应力的变化，由此实现对应变的测量 。 全桥的电压灵敏度是单臂电桥的 4 倍，则全
本文采用惠斯通电桥来进行应变测量，其优 桥方式的输出电压为
点是测量精度高。惠斯通电桥的电路原理如图 1 U out = EKε （5）
所示。 由式（3）~式（5）可知，通过测量电桥电压的
变化量就可以计算得到应变大小。

2 硬件设计

实际工业测量中对小型设备的尺寸有一定要

求，本文设计的动态微应变在线检测装置的硬件
电路应尽可能地小巧。此外，由于输电导线所处
的特殊环境意味着巡检人员不可能频繁地对导线
进行巡检，因此，硬件设计的首要出发点就是设备
功耗低，通过选用低功耗芯片以及相应的硬件设
计来保证设备的高续航稳定运行。硬件总体设计
图 1 惠斯通电桥电路原理 方案如图 2 所示。

在此假设惠斯通电桥的 4 个桥臂电阻分别记
为 R 1，R 2，R 3，R 4，将直流激励源接到电桥的 A，C
两端，即 A，C 为电压输入端，输入电压记为 E，则
电桥输出端为 B，D 两端，输出电压记为 U out。根
据欧姆定律可计算得出电桥输入电压与输出电压
之间的关系式：

R 1 R 3 - R 2 R 4
U out = E （1）
( R 1 + R 2 )( R 3 + R 4 )
对于应变片而言，被测物表面贴片处沿应力
图 2 硬件总体设计方案
［7］
方向的应变 ε 与电阻变化率呈线性关系 ，即：
ΔR = Kε 应变采集部分主要由微控制单元（MCU）控
R （2） 制模块、SD 卡模块、电源电路、电桥电路和信号调
式中 K——应变片的灵敏度系数。 理电路等部分构成。系统各部分的功能以及工作