基于應(yīng)變?nèi)珮虻蔫F質(zhì)懸臂梁傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張玉葉

（咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，陜西咸陽712000）

近年來，小型懸臂梁傳感器由于靈敏度高，體積小、易于陣列化等優(yōu)點(diǎn)引起廣泛關(guān)注。懸臂梁稱重傳感器，通常梁的一端為不產(chǎn)生軸向、垂直位移和轉(zhuǎn)動(dòng)的固定支座，另一端為自由端。水平固定傳感器安裝端，然后懸臂梁末端施力，橋阻發(fā)生變化，通過輸出信號算出傳感器的稱重值。常見的密封結(jié)構(gòu)，受力后自動(dòng)調(diào)節(jié)，安裝容易，使用方便，互換性好[1]。量程大，可用于制作各種超薄型電子汽車衡、單軌吊秤、電子秤等。

1 傳感器的設(shè)計(jì)及制作

電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理為：懸臂梁在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的阻值將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號，從而完成了將外力變換為電信號的過程。由此可見，電阻應(yīng)變片、懸臂梁和檢測電路是電阻應(yīng)變式稱重傳感器中不可缺少的幾個(gè)主要部分。

1.1 電阻應(yīng)變片

電阻應(yīng)變片[2]是把一根電阻絲機(jī)械地分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片，外形如圖1所示。電阻應(yīng)變式稱重傳感器作為物體質(zhì)量信號與電信號的轉(zhuǎn)換器，將4個(gè)應(yīng)變片粘貼在鐵質(zhì)懸臂梁的上下兩側(cè)，組成差動(dòng)全橋稱重傳感器[3]，工作原理如圖2所示。

圖1 電阻應(yīng)變片

圖2 電阻應(yīng)變式全橋傳感器原理圖

圖2中，惠斯通電橋的輸出電壓為：

式（1）中，Uin為電橋電源電壓，當(dāng)稱重傳感器不承受載荷時(shí)，鐵質(zhì)懸臂梁不產(chǎn)生形變，粘貼在其上的電阻應(yīng)變片不產(chǎn)生形變，R1=R2=R3=R4，電橋輸出電壓為零。相反，當(dāng)傳感器承受載荷時(shí)，粘貼在鐵質(zhì)懸臂梁上端的應(yīng)變片被拉伸，阻值增大，粘貼在鐵質(zhì)懸臂梁下端的應(yīng)變片被壓縮，阻值減少，經(jīng)過相應(yīng)的測量電路將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電信號，完成將外力變換為電信號的過程，各橋臂的電阻值變化分別為 ΔR1、ΔR2、ΔR3和 ΔR4時(shí)，近似求出電橋的輸出電壓的值為：

橋路輸出變化量反映了壓力的變化。

1.2 鐵質(zhì)懸臂梁

鐵質(zhì)懸臂梁的作用有兩個(gè)，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場，使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片完成應(yīng)變電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。常見的懸臂梁傳感多為硬鋁合金四方塊結(jié)構(gòu)，其外觀上有兩個(gè)孔洞。因?yàn)殇X的硬度不夠，通常都做了四角修正，并且在測量表面應(yīng)力時(shí)，懸臂梁的應(yīng)力分布不僅沿著梁的長度方向分布，同時(shí)也包括橫向應(yīng)力，因此把這種常見的懸臂梁傳感器視為二維結(jié)構(gòu)，因此構(gòu)件的形狀和應(yīng)變片的粘貼位置對傳感器的靈敏度影響很大[4-5]。此外，它的缺點(diǎn)是對于大應(yīng)變有較大的非線性、輸出信號較弱。鑒于此，在實(shí)驗(yàn)室自制一款鐵質(zhì)懸臂梁電阻應(yīng)變式稱重傳感器，平衡梁式的傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與鋁質(zhì)平衡梁相似，厚度比鋁質(zhì)的傳感器小很多，從結(jié)構(gòu)上被視為一維結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布均勻，如圖4所示。

1.3 檢測電路

檢測電路采用全橋式等臂電橋把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。在鐵質(zhì)懸臂梁上下各粘貼兩個(gè)電阻應(yīng)變片，基于惠斯通電橋原理進(jìn)行電路連接形成差分式稱重傳感器，連接方式如圖3所示。

圖3 全橋式稱重傳感器連接

實(shí)驗(yàn)室選用的鐵質(zhì)懸臂梁作為彈性體，在粘貼應(yīng)變片[6]形成傳感器的過程中按照以下步驟進(jìn)行：

1）首先進(jìn)行表面磨平，并用細(xì)砂布磨光以增強(qiáng)粘結(jié)力，打磨完畢后，用潔凈棉紗擦洗干凈，用劃針劃出貼片的準(zhǔn)確方位；

2）在貼片位置滴502膠，將膠水涂勻，然后用鑷子撥動(dòng)應(yīng)變計(jì)，調(diào)整位置和角度。用手指輕輕擠壓出多余的膠水和氣泡固化后即可松開；

3）粘結(jié)劑初步固化后可進(jìn)行焊線。應(yīng)變計(jì)和導(dǎo)線間的連接最好通過接線端子，焊點(diǎn)確保無虛焊。制作的鐵質(zhì)懸臂梁稱重傳感器實(shí)物成品如圖4所示。

圖4 自制鐵質(zhì)懸臂梁稱重傳感器

導(dǎo)線最好與試件綁扎固定，導(dǎo)線兩端根據(jù)測點(diǎn)編號作標(biāo)記，方便后續(xù)信號處理。

2 精密電子秤實(shí)驗(yàn)裝置的制作

實(shí)驗(yàn)室制作鐵質(zhì)懸臂梁稱重傳感器后，外圍搭建輔助電路可制作一款簡易而精密的電子秤系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)[7]為核心，將傳感器輸出模擬信號經(jīng)過24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片HX711，對被測信號進(jìn)行放大且轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

圖5 基于鐵質(zhì)懸臂梁的電子秤系統(tǒng)框圖

再利用LCD12864液晶顯示物體重量，用矩陣鍵盤對單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)設(shè)定，使電子稱實(shí)現(xiàn)稱重計(jì)價(jià)的功能，結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

2.1 HX711AD轉(zhuǎn)換模塊

稱重傳感器的輸出為mV級的微弱信號，傳統(tǒng)的測量方法是在AD轉(zhuǎn)換之前加一級高精度的放大器，電路復(fù)雜。本系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換部分采用美國Analog Devices公司推出的高精度24位轉(zhuǎn)換芯片HX711[8-9]。該器件具有完整的模擬前端，可以直接測量傳感器輸出的微弱信號，轉(zhuǎn)換精度達(dá)到24位無誤碼。通過軟件編程可以對增益、信號極性、輸入通道作出設(shè)置。該芯片內(nèi)部輸入通道和增益選擇如表1所示。

表1 HX711輸入通道和增益選擇

2.2 控制模塊及軟件處理

單片機(jī)作為控制核心，主要功能是接收AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，反算實(shí)際被測物的質(zhì)量。首先懸臂梁一側(cè)逐漸添加稱重砝碼，一邊記錄稱重砝碼的質(zhì)量，一邊記錄AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果，試圖求出AD轉(zhuǎn)換結(jié)果和被測物體重量之間的關(guān)系，編寫該電子秤的輸出函數(shù)，當(dāng)實(shí)測50 g范圍內(nèi)砝碼值和AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 砝碼質(zhì)量與AD轉(zhuǎn)換關(guān)系曲線

用MATLAB軟件對該組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[10-12]，從而求出被測砝碼重量（單位：克）與HX711輸出AD數(shù)據(jù)函數(shù)關(guān)系為：

（3）式中，y為被測物體的實(shí)際重量（單位：克），x為LCD12864實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。為確保稱重精度，在用MATLAB處理數(shù)據(jù)[13]時(shí)采取分段處理，在稱重0～50 g、50～200 g、200～500 g的范圍內(nèi)分別求取擬合系數(shù)，這樣反算出的實(shí)際重量精確度高。程序采用C語言編寫，編譯環(huán)境使用keil UV3軟件，總體流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總流程圖

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)稱重功能，累加功能和去皮功能也得到了實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)測試與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)測試

整個(gè)系統(tǒng)由電阻應(yīng)變式稱重傳感器模塊、放大及AD轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤顯示模塊組成，將各部分電路連接起來，進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。將被測物體（測試過程中用砝碼）放入秤盤測量，一方面記錄所加砝碼重量值，另一方面記錄系統(tǒng)運(yùn)行的稱重結(jié)果，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)整體硬件圖

在程序初始化以后，啟動(dòng)稱重程序，在秤盤里加砝碼，當(dāng)所加砝碼在0～50 g范圍內(nèi)，程序運(yùn)算的結(jié)果在LCD屏顯示的數(shù)據(jù)如表2所示，從表2可以看出，誤差在0.5 g范圍以內(nèi)。

表2 0～50 g范圍的測量（單位：克）

在測量過程中，秤盤所加砝碼在50～500 g范圍內(nèi)，程序運(yùn)算結(jié)果在LCD屏顯示結(jié)果如表3所示，誤差在1 g范圍內(nèi)，系統(tǒng)鍵盤與顯示實(shí)時(shí)觀測如圖9所示。

表3 50～500 g范圍的測量（單位：克）

3.2 溫漂現(xiàn)象與處理

圖9 鍵盤與顯示

在電子稱實(shí)驗(yàn)裝置的制作過程中，不可避免的出現(xiàn)溫漂漂移現(xiàn)象。溫度漂移出現(xiàn)的原因[14-15]經(jīng)過分析來源于以下方面：

1）在鐵質(zhì)懸臂梁上貼應(yīng)變片的時(shí)候，搭建的電橋沒有完全對稱，初始化會有差分信號，電橋本身存在一定的缺陷；

2）傳感器輸出微弱的模擬電壓信號，在HX711運(yùn)放應(yīng)用中，不可避免回到運(yùn)放輸入失調(diào)電壓Vos問題，因失調(diào)電壓Vos的存在，它會隨著溫度的變化而變化，放大電路輸出端總會疊加我們不期望的誤差。

經(jīng)過分析，處理溫度漂移的常用方法是測試分析硬件電路，一方面從IC本身參數(shù)著手，由于運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓來源于運(yùn)放差分輸入級兩個(gè)管子的不匹配，所以，從工藝上來講，選用精度高的、對稱性好的運(yùn)放，這個(gè)是要考慮成本的。另外就是搭建儀表放大電路[16]，讓電路盡量對稱，電路的失調(diào)相互抵消從而抵制溫漂，其缺點(diǎn)也是要對元器件的選擇非常慎重?？紤]到應(yīng)變式傳感器與重量之間的非線性關(guān)系，要達(dá)到標(biāo)稱精度就有難度了。

然而，本設(shè)計(jì)采用分段式記錄系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與所加砝碼的質(zhì)量，用MATLAB軟件在不用的稱重范圍，做擬合曲線，找出二者關(guān)系，用不用的擬合系數(shù)表達(dá)實(shí)際砝碼與AD轉(zhuǎn)換的關(guān)系。在單片機(jī)的程序編寫中只需要修改關(guān)系式的系數(shù)就可有效補(bǔ)償溫度漂移。這樣，當(dāng)發(fā)生溫漂的時(shí)候，測量部分?jǐn)?shù)據(jù)，修改擬合系數(shù)即可。這樣減少了系統(tǒng)硬件投入。效果測試的比較好。缺點(diǎn)是當(dāng)發(fā)生溫度漂移時(shí)，需要重新測量數(shù)據(jù)，重新擬合數(shù)據(jù)，找出擬合系數(shù)，重新下載程序。

4 結(jié)論

小型懸臂梁傳感器的應(yīng)用面越來越廣，經(jīng)過理論分析，在實(shí)驗(yàn)室自制一款電阻應(yīng)變式鐵質(zhì)懸臂梁稱重傳感器，并通過搭建輔助的硬件外圍電路自制了簡易電子秤。充分利用了STC12C5A60S2單片機(jī)對信號的控制能力和對數(shù)據(jù)的分析處理能力。MATLAB對數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整擬合系數(shù)，克服溫度漂移帶來的誤差，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、硬件開銷小、成本低，并且系統(tǒng)有進(jìn)一步改善優(yōu)化空間。