應(yīng)變式電子測力系統(tǒng)設(shè)計

范 偉， 蔣少茵， 余 卿

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021)

應(yīng)變式電子測力系統(tǒng)設(shè)計

范 偉， 蔣少茵， 余 卿

(華僑大學(xué) 機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 廈門 361021)

為改善傳統(tǒng)機(jī)械指針式測力計讀數(shù)不便、靈敏度低且穩(wěn)定性差的不足，采用電阻應(yīng)變片及等強(qiáng)度梁設(shè)計了一種電子應(yīng)變式測力計，選擇靈敏度高且具有溫度自補(bǔ)償功能的全橋電路作為測量電路，測量信號經(jīng)濾波、放大處理后接入ADC0804進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后通過單片機(jī)AT89C52將轉(zhuǎn)化后的測力值顯示在LCD1602液晶顯示器上。所設(shè)計測力計測量范圍為0～100 N，輸出相關(guān)系數(shù)為99.8%，分度值可達(dá)0.1 N。該基于單片機(jī)的測力系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單便于攜帶、操作方便、顯示直觀及精度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中微小力的檢測。

測力計;應(yīng)變片;單片機(jī);檢測

0 引言

測力儀，又叫測力計，分為數(shù)字式測力儀和機(jī)械式測力儀(指針式)兩種。測力儀廣泛應(yīng)用于電氣、包裝、汽車加工和醫(yī)療等行業(yè)。傳統(tǒng)的測力儀是根據(jù)材料的力學(xué)性質(zhì)設(shè)計的，如彈簧測力計［1-4］。

電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變計為轉(zhuǎn)換元件的電阻式傳感器。其由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測量要求設(shè)計成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測量的力產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計一起變形［5］。電阻應(yīng)變計再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而測量拉力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，力的測量作為檢測技術(shù)的重要內(nèi)容，在國內(nèi)外有著良好的發(fā)展前景和空間。因微計算機(jī)的普及，現(xiàn)代測力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到數(shù)顯式測力儀［6-7］。文中主要針對目前繼電器中彈性壓簧參數(shù)測量所使用的指針式測力計存在靈敏度差的現(xiàn)狀，進(jìn)行了應(yīng)變式測力計設(shè)計研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先被測力通過等強(qiáng)度梁轉(zhuǎn)化為梁的應(yīng)變，采用電阻應(yīng)變式傳感器測量應(yīng)力的大小。應(yīng)變片阻值的變化通過電橋電路轉(zhuǎn)化為電壓值的變化，再經(jīng)過濾波電路和放大電路輸入ADC0804，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。最后通過單片機(jī)AT89C52將測力的大小顯示在LCD1602顯示器上。當(dāng)力大小超過設(shè)定值時，系統(tǒng)可采用蜂鳴器報警。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 等強(qiáng)度梁

測力計要求有較高的靈敏度，因此等強(qiáng)度梁選擇彈簧鋼作為材料。彈簧鋼具有優(yōu)良的冶金質(zhì)量、良好的表面質(zhì)量、精確的外形和尺寸。最重要的是，彈簧鋼有良好的彈性，可以在動載荷環(huán)境條件下工作;具有高的屈服強(qiáng)度;在承受重載荷時不引起塑性變形;有高的疲勞強(qiáng)度，在載荷反復(fù)作用下具有長的使用壽命。在各種彈性鋼中，50CrVA鋼碳含量較小，塑性、韌性較其他彈簧鋼好。少量釩可以提高彈性、強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和彈減抗力，細(xì)化晶粒，減小脫碳傾向。設(shè)計中等強(qiáng)度梁材料即選為50CrVA鋼，其室溫下的彈性模量為206 GPa，抗拉強(qiáng)度σb≥1 274 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥1 127 MPa，伸長率δ5≥10%，斷面收縮率ψ≥40%。

等強(qiáng)度梁為懸臂梁式(圖2)。當(dāng)懸臂梁上加一個載荷p時，距加載點(diǎn)x的斷面上彎矩為

圖2 等強(qiáng)度梁貼片及尺寸Fig.2 Equal strength beam patch and size

相應(yīng)斷面上的最大應(yīng)力為

式中:W——抗彎斷面模量，斷面為矩形;

bx——寬度;

h——厚度。

所謂等強(qiáng)度，即指各個斷面在力的作用下應(yīng)力相等，即σ值不變。顯然，當(dāng)梁的厚度h不變時，梁的寬度必須隨著x的變化而變化，即x與bx比值為定值，因此彈性梁可以設(shè)計為等腰三角形。取該等腰三角形的頂角?為5.72°，則

從而得b/l=0.1，取h=2 mm，l=100 mm，則b= 10 mm。

所設(shè)計的小量程測力計的量程為100 N，當(dāng)p= 100 N，由h、l、b和式(1)得σ=1.5 MPa，顯然滿足在材料彈性極限的2/3以內(nèi)的條件。

2.2 應(yīng)變片及電橋電路

電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是精度高，測量范圍廣，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，頻響特性好，能在惡劣條件下工作，易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等。設(shè)計中采用BH350-3AA型康銅金屬箔電阻應(yīng)變片，其典型電阻值為350 Ω;靈敏系數(shù)為2.00～2.20;應(yīng)變極限為2.0%，可滿足設(shè)計需要。

直流全橋測量電路的靈敏度較高，且具有溫度誤差自補(bǔ)償?shù)墓δ?，所以設(shè)計中采用直流全橋電路來進(jìn)行測量。圖3為等臂電橋全橋電路圖。

圖3 等臂電橋全橋電路Fig.3 Equal arm full-bridge circuit

其中，R1、R4應(yīng)變片受拉，R2、R3應(yīng)變片受壓，輸出電壓為

由式(2)知，當(dāng)R1R4=R2R3時，電橋輸出電壓為零，稱此時電橋處于平衡狀態(tài)。

設(shè)處于平衡狀態(tài)的電橋各橋臂的電阻增量為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則電橋的輸出電壓為

令初始時R1=R2=R3=R4，又由于ΔR1=ΔR2= ΔR3=ΔR4=ΔR，式(3)可化為

根據(jù)胡克定律有

由式(1)、(4)和(5)得:

代入k=2，x/b=10，E=206 GPa，h=2 mm，可得

當(dāng)p=100 N，供電電壓選為5 V，則最大輸出電壓為0.073 V。

2.3 信號放大電路

電橋輸出電壓為毫伏級，需在A/D轉(zhuǎn)換前加入一個前置差動放大電路以實(shí)現(xiàn)電壓的放大。由于單運(yùn)放在應(yīng)用中要求外圍電路匹配精度高、增益調(diào)整不便、差動輸入阻抗低，故采用三運(yùn)放結(jié)構(gòu)。

三運(yùn)放結(jié)構(gòu)具有差動輸入阻抗高、共膜抑制比高、偏置電流低等優(yōu)點(diǎn)，且有良好的溫度穩(wěn)定性，低噪單端輸出且增益調(diào)整方便，適于在傳感器電路中應(yīng)用。如圖4所示，放大器的第I級主要用來提高整個放大電路的輸入阻抗，第II級采用差動電路用以提高共模抑制比。

圖4 三運(yùn)放差動放大電路Fig.4 Three OPA difference amplifier circuit

電路中輸入級由A3、A4兩個同相輸入運(yùn)算放大器電路并聯(lián)，再與A5差分輸入串聯(lián)的三運(yùn)放差動放大電路構(gòu)成，其中A1、A2是增加電路的輸入阻抗。電路對共模輸入信號沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。當(dāng)R3=R4，R5=R6時，兩級的總增益為兩個差模增益的乘積，即

運(yùn)放器采用OP07E型運(yùn)放器。取電阻值R1=R2=Rp=200 Ω，R3=R4=200 Ω，R5=R6=400 Ω，則運(yùn)放器的放大倍數(shù)Aavd=60，此時輸出電壓在0～4.38 V，滿足后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器的要求。

2.4 報警電路

報警電路如圖5所示，主要由光電耦合器、繼電器和紅綠LED燈組成。當(dāng)所測力超過設(shè)定值(該系統(tǒng)設(shè)定為95 N)時，與報警電路相連的P3.0口發(fā)出低電平，通過光電耦合器驅(qū)動繼電器開關(guān)，使紅燈亮，反之，當(dāng)小于設(shè)定值時，綠燈亮。也可接蜂鳴器進(jìn)行報警，該報警閾值可針對不同的檢測產(chǎn)品，自行設(shè)定。

圖5 報警提示電路Fig.5 Alarm prompt circuit

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)程序框圖作為程序設(shè)計的主要依據(jù)，能直觀展示程序設(shè)計的主要內(nèi)容流程，包括主程序、A/D轉(zhuǎn)換部分及LCD顯示部分(圖6)。主程序都有系統(tǒng)的調(diào)用流程和對中斷系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。

圖6 系統(tǒng)程序Fig.6 System program

整個系統(tǒng)電路如圖7所示。被測力通過等強(qiáng)度梁轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片的應(yīng)變，經(jīng)過應(yīng)變片電橋電路和信號放大電路，輸入ADC0804進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)AT89C52主要對測量信號進(jìn)行分析計算，將最后測量力的值輸入LCD1602顯示。

圖7 系統(tǒng)電路Fig.7 System circuit

4 實(shí)驗(yàn)測試分析

對所設(shè)計測力系統(tǒng)進(jìn)行測試，采用砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行標(biāo)定，依次遞增，測試結(jié)果見表1、圖8。

表1 測力與輸出對應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relation of force and output

圖8 測力與輸出電壓關(guān)系Fig.8 Relation of force and output voltage

由圖8可以看到，所設(shè)計的測力系統(tǒng)輸出電壓與被測量力具有較高的線性度，其輸出相關(guān)系數(shù)可達(dá)99.8%，符合設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計基于電阻應(yīng)變式傳感器的測力系統(tǒng)，以單片機(jī)AT89C52作為核心處理元件，選擇誤差小的全橋電路作為測量電路，通過信號放大電路、濾波電路和報警電路等實(shí)現(xiàn)對被測力的智能檢測。該基于單片機(jī)的測力系統(tǒng)解決了機(jī)械指針式測力計存在的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單便于攜帶、操作方便、顯示直觀及精度高的特點(diǎn)，可設(shè)定測試力的閾值報警，大大提高了生產(chǎn)線的測量效率，在同類產(chǎn)品中有較大優(yōu)勢。所設(shè)計測力計測量范圍為0～100 N，輸出相關(guān)系數(shù)為99.8%，分度值可達(dá)0.1 N，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)，可用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中微小力的檢測。

［1］顏?zhàn)杂?，廖文良，王輝堂，等.基于ADS1100高精度智能測力計［J］.國外電子測量技術(shù)，2006，25(6):55-57.

［2］孫 華，劉 波，周海濱，等.一種基于等強(qiáng)度梁的光纖光柵高頻振動傳感器［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2009，22(9): 1270-1275.

［3］劉玲霞.電阻應(yīng)變片式測力傳感器設(shè)計的應(yīng)力集中原則［J］.中國科技信息，2006(17):106，108.

［4］王 偉，徐鳳毅，盧曉敏.一種測雙向力彈性梁的設(shè)計與分析［J］.傳感器技術(shù)，2002，21(9):24-26.

［5］毛謙敏，吳洪潭.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2008:11-30.

［6］江世明.基于Proteus的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:181-195.

［7］YALDIZ S，üNSA?A F.A dynamometer design for measurement the cutting forces on turning［J］.Measurement，2006，39(1): 80-89.

Design electronic strain force measurement system

FAN Wei， JIANG Shaoyin， YU Qing
(College of Mechanical Engineering＆Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China)

This paper is an attempt to eliminate inconvenient readings，low accuracy and poor stability revealed by the traditional mechanical pointer dynamometers.The effort consists of the design of a kind of electronic dynamometer with resistance strain gauge and beam of constant strength，the use of fullbridge circuit with a higher sensitivity and temperature self-compensation function as measurement circuit，the access of the measuring signal into ADC0804 through the filter and amplification circuit，for A/ D conversion，and displaying of the converted measurement force in the LCD1602 LCD monitor by AT89C52 single-chip microcomputer.The paper offers the measurement range of designed dynamometer of 0-100 N，and division value of 0.1 N.The force measurement system based on SCM boasts a more simple structure，easier operation，more intuitional display，and higher precision，lending itself more to the detection of small force in modern industrial production.

dynamometer;strain gauge;single-chip microcomputer;detection

TH715.1

A

1671-0118(2011)05-0400-04

2011-09-02

國家自然科學(xué)基金項目(51075160);福建省泉州市科技計劃項目(2011G3)

范 偉(1980-)，男，甘肅省玉門人，講師，博士，研究方向:精密測試技術(shù)及儀器，E-mail:fanwei@hqu.edu.cn。

(編輯王 冬)