基于TDC時間數字測量技術的應變測量系統

岑志波 洪 輝 萬 當

（1.寧波市特種設備檢驗研究院 浙江寧波 2.寧波港北侖第二集裝箱碼頭 浙江寧波 3.福建省特種設備檢驗研究院 福州）

一、概述

應變測量是獲得結構強度信息的主要測試手段，許多應用領域，包括大型機械金屬機構、土木結構以及橋梁等，均對其結構的強度和測試方法有明確的要求。以大型金屬結構（如大型起重機械）為例，傳統的應變測試系統需要鋪設大量導線，進行現場區域的靜動態強度測試，勞動強度大、工作效率低。文獻設計了一些無線靜態或動態應變測試傳感器節點，擺脫了導線的羈絆，但由于引入了和測量值本身無關的A/D轉換環節，這個環節可能會給整個測試增加誤差，降低系統穩定性。

為了解決這些問題，有必要采用高精度數字轉換技術進行測量。高精度時間數字轉換TDC（Time to Digita1Converter）是從實驗核物理中發展起來的一門技術，采用邏輯門延遲陣列，具有刷新率靈活、精度高、電流消耗低、處理增益偏移和零點偏移方便、抗電磁干擾的優點。因此TDC測量技術運用于大型起重機械應變測量很有實際意義。

基于TDC時間數字測量原理，采用德國ACAM公司的PSΦ21芯片和意法半導體公司的STM32ARM單片機設計了一種應變測量裝置，該裝置除了擁有TDC測量技術的優點外，還具有結構簡單、測試精度高、傳輸距離不受限制及易于擴展等特點。

二、TDC時間數字測量的原理

TDC測量原理不同于傳統測量的方法。應變電阻的變化不是像惠斯通電橋通過電壓變化來求得，而是通過時間間隔的測量來求出。TDC核心測量單元的內部是利用信號通過邏輯門的絕對時間延遲來精確量化時間間隔的，即它計算了在一定時間間隔內有多少個反向器被通過。以德國ACAM公司生產的一種高精度時間測量芯片PSΦ21來說明TDC的工作原理，這種芯片有兩種測量方式：2路通道、250/s分辨率的小量程模式和1路通道、125/s分辨率大量程模式。

圖1 TDC小量程模式

工作在小量程模式時如圖1所示，TDC的兩個通道都是由Start脈沖的邊沿觸發的，每個獨立的通道可以檢測到4個采樣值，這些采樣值與Start脈沖的時間被存儲到各個通道的采樣寄存器中。在Start信號和第一個Stop信號之間，不能少于3 ns的時間間隔，如果小于這個值，開始的Stop信號是要被忽略的，所以Start信號和第一個Stop信號之間的間隔必須＞3 ns；在同一個通道的Stop信號之間，也必須有15 ns的時間間隔，太靠近的Stop信號也會被忽略；而在兩個不同通道的Stop信號之間則沒有最小時間的限制；所有的Stop信號在Stop信號之后都不能超過7.6 μs的最大值。

工作在大量程模式時如圖2所示，在這個模式中Stop信號和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設定為FC1，出現第一個正跳沿后計時器被觸發，TDC記錄下經過的時鐘周期數CC，直到第一個Stop信號被檢測到，第一個Stop脈沖和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間設定為FC2，接著開始新一輪的計數。由時間計算公式Time=period×（CC+（FC1-FC2）/（Ca12-Cal1））可算出測量時間值，式中，FC1為信號通過反向器停止時刻和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間；FC2為第一個Stop脈沖和接下來的第一個參考時鐘信號的正跳沿之間的時間；CC為預先測量的時間周期數；Cal2-Cal1為校準時鐘周期；Time為測量時間值。在這種模式下可以處理超過60 ms的時間間隔。Stop信號之間、兩個不同通道的Stop信號之間至少要大于2個時鐘周期，所有Stop信號之間不應超過216倍的時鐘周期。所以最大的測量范圍不超過240 ms。其后的Stop信號也同樣處理。

圖2 TDC大量程模式

三、TDC時間數字測量裝置硬件設計

TDC時間數字測量的硬件部分主要由TDC測量模塊，TDC控制模塊，TDC存儲模塊組成。它構成了測試系統的采集端。測試系統的接收端是由USB轉串口模塊和PC機組成。整個測試系統硬件部分由采集端和接收端組成。

1.TDC測量模塊（圖3）

電容Cload首先通過芯片的Load管腳充電到電源電壓，然后Cload通過RSG1到RSG2分別對GND（芯片內部）進行放電。放電電容Cload被放電到一個固定的坎值電壓后，放電時間將會通過一個時間數字轉換器進行測量，測量精度可以達到皮秒級別（15ps）。因而，RSGl和 RSG2則是直接被測量的，而RSG3和RSG4是和Rspan1一起被測量出來。

2.TDC控制模塊和存儲模塊

TDC測量芯片需要主控芯片的CPU具有高速的SPI時鐘和串口通信功能，而意法半導體公司的STM32ARM單片機很好的滿足TDC測量芯片的需求。從低功耗的角度來選擇，STM32也是比較好的選擇。一般應變的測量是長時間的采集，所以對于采集的原始數據，需要大容量的存儲器存儲。TDC數據采集系統采用4G金士頓SD卡存儲。存儲格式采用文件系統的方式，這樣便于數據的存儲與擦除。TDC控制模塊，主要是先初始化MCU外圍電路，然后通過配置MCU與PSΦ21之間的SPI通信，來配置數字采集芯片PSΦ21外圍設備，并為數據采集做好準備；然后把采集到的特征數據作為監控值發給上位機；最后配置存儲模塊，來存儲實時采集的數據。

圖3 TDC測量模塊

3.TDC測試系統的增益補償和零點補償

TDC測試系統采用一種完全不同于傳統方式的補償方法，利用TDC處理器強大的計算功能，采取軟件方式進行增益補償和零點漂移補償，其全橋測試模式下的補償原理如圖4所示。

圖4 TDC補償方法

串聯一個未被補償或補償精度很差的補償電阻 Rspan1，通過獨立的溫度測量電路獲得因溫度引起的電阻K系數（記為TKGain），測量方法為在第一個循環時電容通過連接腳PT1的電阻進行放電，在第2次循環時電容通過連接腳PT2的溫度靈敏電阻放電。兩次放電時間的比值為TKGain。然后通過TDC軟件程序相應的“修正”Rspan1，使得整個橋臂的阻值不發生變化。

圖5 PSΦ21測量流程

圖6 精度測試結果

四、TDC時間數字測量裝置軟件設計

應變傳感器在工作前要對PSΦ21芯片各寄存器進行設置，以滿足采集數據精度的要求。在應變測試的情況下，需要考慮增益誤差補償、溫度補償測量、Offset補償、熱身測量等，其它寄存器均為默認值。PSΦ21測量流程如圖5所示，增益誤差補償分為：標準補償和分別進行補償。標準補償是附加一次額外循環測量；為提高測量精度時采用分別進行補償，其用到2個額外的電阻，2個電阻分別接到放電電容輸入端，寄存器SepGain=“1”啟動分別補償，一次分別補償往往需要在正常測量后3次額外的測量。寄存器TempRate=“1”啟動溫度測量，在一次應變電阻測量后進行一次，需要2個周期。Offset補償需要測量在沒有負載情況下的橋的Offset，設置寄存器1的=“0”，在高平均率的情況下做一次測量，電橋的Offset以ppm形式給出，將該值寫入Offset寄存器。寄存器Mfake=“1”啟動熱身測量，在一次應變電阻測量后進行一次通過以上寄存器的設置后，應變系統將不再受溫度影響，通過軟件設置可以精確地消除系統的溫度漂移和零點溫度漂移，輸出高精度的采集數據。

五、系統性能測試

為了測試系統的性能，在等強度梁上貼上電阻應變片，分別在刷新頻率為100 Hz，50 Hz，20 Hz及10 Hz工況下對系統進行了靜態試驗。加載過程：空載調零，依次加上1 kg，2 kg，3 kg砝碼，穩定后測試再依次取下，待靜止回零，測試結果如圖6所示，負載、應變均值/精度和頻率的關系如表1所示。

表1 不同負載、頻率下的應變均值/精度

從測試結果來看，測試精度隨刷新頻率的變化有所改變，50 Hz刷新頻率下測試精度能達到98%，應變測試系統回零誤差最大為4 uε，滿足線性關系，適用于大型起重機械金屬結構應變測試。

六、結論

基于TDC時間數字測量系統的工作原理、硬件設計、增益補償和零點補償方式、軟件設計。通過實驗測試，該系統具有很好的精度和線性關系，比傳統的模擬測量更加方便與準確，適用于大型起重機械金屬結構應變測試。