范 偉， 蔣少茵， 余 卿

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

應(yīng)變式電子測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范 偉， 蔣少茵， 余 卿

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

為改善傳統(tǒng)機(jī)械指針式測(cè)力計(jì)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(jì)了一種電子應(yīng)變式測(cè)力計(jì)，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(cè)量電路，測(cè)量信號(hào)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(cè)力值顯示在LCD1602液晶顯示器上。所設(shè)計(jì)測(cè)力計(jì)測(cè)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(cè)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(cè)。

測(cè)力計(jì);應(yīng)變片;單片機(jī);檢測(cè)

0 引言

測(cè)力儀，又叫測(cè)力計(jì)，分為數(shù)字式測(cè)力儀和機(jī)械式測(cè)力儀(指針式)兩種。測(cè)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(cè)力儀是根據(jù)材料的力學(xué)性質(zhì)設(shè)計(jì)的，如彈簧測(cè)力計(jì)［1-4］。

電阻應(yīng)變式傳感器是以電阻應(yīng)變計(jì)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(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，可根據(jù)具體測(cè)量要求設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)形式。彈性敏感元件受到所測(cè)量的力產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形［5］。電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而測(cè)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(cè)量作為檢測(cè)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(jì)算機(jī)的普及，現(xiàn)代測(cè)力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到數(shù)顯式測(cè)力儀［6-7］。文中主要針對(duì)目前繼電器中彈性壓簧參數(shù)測(cè)量所使用的指針式測(cè)力計(jì)存在靈敏度差的現(xiàn)狀，進(jìn)行了應(yīng)變式測(cè)力計(jì)設(shè)計(jì)研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先被測(cè)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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。最后通過單片機(jī)AT89C52將測(cè)力的大小顯示在LCD1602顯示器上。當(dāng)力大小超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)可采用蜂鳴器報(bào)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(jì)

2.1 等強(qiáng)度梁

測(cè)力計(jì)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(dòng)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(shí)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(jì)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(gè)載荷p時(shí)，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(gè)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(shí)，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(jì)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(jì)的小量程測(cè)力計(jì)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(cè)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(jì)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(jì)需要。

直流全橋測(cè)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(jì)中采用直流全橋電路來進(jìn)行測(cè)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(shí)，電橋輸出電壓為零，稱此時(shí)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(shí)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(hào)放大電路

電橋輸出電壓為毫伏級(jí)，需在A/D轉(zhuǎn)換前加入一個(gè)前置差動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(jí)主要用來提高整個(gè)放大電路的輸入阻抗，第II級(jí)采用差動(dòng)電路用以提高共模抑制比。

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

電路中輸入級(jí)由A3、A4兩個(gè)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(dòng)放大電路構(gòu)成，其中A1、A2是增加電路的輸入阻抗。電路對(duì)共模輸入信號(hào)沒有放大作用，共模電壓增益接近于零。當(dāng)R3=R4，R5=R6時(shí)，兩級(jí)的總增益為兩個(gè)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(shí)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(bào)警電路

報(bào)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(cè)力超過設(shè)定值(該系統(tǒng)設(shè)定為95 N)時(shí)，與報(bào)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(dòng)繼電器開關(guān)，使紅燈亮，反之，當(dāng)小于設(shè)定值時(shí)，綠燈亮。也可接蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，該報(bào)警閾值可針對(duì)不同的檢測(cè)產(chǎn)品，自行設(shè)定。

圖5 報(bào)警提示電路Fig.5 Alarm prompt circuit

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序框圖作為程序設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，能直觀展示程序設(shè)計(jì)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(duì)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(gè)系統(tǒng)電路如圖7所示。被測(cè)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(hào)放大電路，輸入ADC0804進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)AT89C52主要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，將最后測(cè)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(cè)試分析

對(duì)所設(shè)計(jì)測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，采用砝碼作為標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行標(biāo)定，依次遞增，測(cè)試結(jié)果見表1、圖8。

表1 測(cè)力與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Corresponding relation of force and output

圖8 測(cè)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(jì)的測(cè)力系統(tǒng)輸出電壓與被測(cè)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(jì)要求。

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)基于電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)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(cè)量電路，通過信號(hào)放大電路、濾波電路和報(bào)警電路等實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)力的智能檢測(cè)。該基于單片機(jī)的測(cè)力系統(tǒng)解決了機(jī)械指針式測(cè)力計(jì)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(cè)試力的閾值報(bào)警，大大提高了生產(chǎn)線的測(cè)量效率，在同類產(chǎn)品中有較大優(yōu)勢(shì)。所設(shè)計(jì)測(cè)力計(jì)測(cè)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(jì)目標(biāo)，可用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中微小力的檢測(cè)。

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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(xiàng)目(51075160);福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2011G3)

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

(編輯王 冬)