Page 40 - 电力与能源2023年第四期
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346                     王昱皓，等：输电导线动态微应变在线检测装置研究

                流程如下：当应变片粘贴在待测物表面以后，由                            应用场景。由于使用模拟开关来自动控制桥路切
                MCU 进行应变零点修正。外力作用使得应变片                           换存在影响桥路精度的问题，本文采用拨码开关
                拉伸或压缩，此时电桥进入不平衡状态。惠斯通                            来 调 整 桥 路 的 切 换 方 式 ，电 路 切 换 原 理 如 图 3
                电桥将应变信号转变为微弱电压信号，再由信号                            所示。
                调理电路对微弱电压信号进行放大、滤波，然后由

                模数转换器（ADC）进行数据采集。MCU 对采集
                数据进行处理计算，将应变采集结果显示在液晶
                显示器（LCD）上，同时将应变数据存入 SD 卡，以
                便后续巡检人员查看。
                2.1 MCU 控制模块
                    MCU 控制模块主要由主控芯片以及最小系
                统外围电路构成。当电压信号经过信号调理电路

                送入 I/O 端口后，由 MCU 控制 ADC 将电压模拟
                信号转变为数字信号，并对采集到的数据进行处                                           图 3 电桥切换原理
                理计算。最后由 MCU 通过 SPI 驱动 LCD 显示信                        P11 为应变片接线端子。当采用单臂电桥模
                息，同时将数据直接通过内存访问（DMA）方式快                          式时，将两个开关打开，应变片直接接入电路即
                速存入 SD 卡中。                                       可；当采用半桥模式时，将两个应变片分别接入
                    虽然本文设计的动态微应变在线检测装置具                          P11 的 1，3 和 2，3 引脚，同时断开 J11 开关，打开

                有低功耗的要求，但是在保证低功耗的情况下，系                           J12 开关即可；当采用全桥模式时，将 4 个应变片
                统性能也必须得到保证。基于此，主控芯片选择                            直接接入电路并断开开关即可。
                ST 公司研制的 STM32L431 芯片。STM32L4 系                  2.3 电源模块
                列芯片是基于高性能 Cortex-M4 内核的超低功耗                      2.3.1 电池管理电路
                微控制器，主要为低功耗应用研发。与上一代相                                由于输电导线特殊的运行环境，应变采集装

                比，性能提高了 20%，拥有 80 MHz 的主频，集成                     置无法应用外部电源进行供电，因此设计一套电
                了高达 256 kB 的片内 Flash。该芯片同时支持浮                    池管理模块也是十分有必要的。电池管理电路主
                点运算单元（FPU）与数字信号处理器（DSP）指                         要用于实现设备内置锂电池的充放电管理、电量
                令，具有高性能的处理运算能力。此外，芯片内部                           指示、锂电池保护等功能。
                集成了一个 12 位模数转换器，包括 16 个通道，因                          本设计采用 ETA9741 芯片构成一个锂电池
                此可满足本设计的模数转换精度要求及双通道采                            充放电管理电路，此芯片提供 5 V/2 A 的同步升

                集应变的要求。                                          压输出操作，转换效率可以达到 96%。预充电、
                    时钟电路、晶振电路、复位电路和电源电路等                         恒流充电、恒压充电这 3 个阶段都能最大程度地
                组成了最小系统外围电路 ，其作用主要是保障                            保护锂电池，由此可延长设备电池的使用寿命。
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                主控芯片的正常工作以及平稳运行。                                 电 路 原 理 如 图 4 所 示 。 电 池 保 护 电 路 采 用
                2.2 电桥                                           XB4908 芯片完成，此系列芯片具有电池应用中所
                    为了减少电阻对电桥输出的影响，本文的电                          需要的所有保护功能，包括过充电、过电流、过放

                桥 桥 臂 电 阻 使 用 高 精 度（0.1%）的 标 准 120 Ω 电           电和负载短路保护等。
                阻。为了实际应用方便，动态微应变在线检测系                            2.3.2 电源电路
                统采用一种新的桥路连接方式，可实现电臂电桥、                               对于动态应变测量而言，电桥的电压激励源
                半桥和全桥的自由切换，以此来适应不同的工程                            需要具备低噪声、高可靠性、足够的负载调整率、
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