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        智能金屬絲微小形變量的測(cè)量?jī)x

        2019-03-13 13:00:16徐翠艷王超劉鵬翔朱浩洋關(guān)詩(shī)文
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2019年5期
        關(guān)鍵詞:壓力傳感器

        徐翠艷 王超 劉鵬翔 朱浩洋 關(guān)詩(shī)文

        摘? 要:設(shè)計(jì)制作一種智能化金屬絲微小形變量測(cè)量?jī)x,利用胡克定律及惠斯登電橋原理,采用壓力傳感器產(chǎn)生力電信號(hào),經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入到單機(jī)片中,完成后顯示在LCD12864顯示屏上。因?yàn)楸粶y(cè)量的彈性模量在不同溫度下的數(shù)值不同,該裝置可以測(cè)量壓力、形變量、實(shí)時(shí)溫度的顯示功能。

        關(guān)鍵詞:微小形變測(cè)量;胡克定律;惠斯登電橋;壓力傳感器

        中圖分類(lèi)號(hào):TH823? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ?文章編號(hào):2095-2945(2019)05-0019-02

        1 研究的目的和意義

        微小形變量的測(cè)量方法比較多,所需的知識(shí)也比較廣,有光的干涉法,也有千分表法和顯微放大法。目前在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量微小形變量主要采用光杠桿法,光杠桿法所需設(shè)備多、調(diào)節(jié)相對(duì)較難,測(cè)量精度較低。光的干涉法的測(cè)量精度比光杠桿法高,配合計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的高精度測(cè)量,更適用于創(chuàng)新研究,但其所需的儀器設(shè)備多,操作難度大。在楊氏模量、金屬線脹系數(shù)實(shí)驗(yàn)中,測(cè)量微小形變量是關(guān)鍵環(huán)節(jié),實(shí)驗(yàn)中用光杠桿放大法測(cè)量微小形變量,這種方法操作難度大,測(cè)量結(jié)果精度不高。

        本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作一種智能化金屬絲微小形變量測(cè)量?jī)x,在充分研究現(xiàn)有微小形變量測(cè)量方法的基礎(chǔ)上,主要利用胡克定律及惠斯登電橋原理。整個(gè)裝置是按照設(shè)計(jì)功能的要求,由測(cè)量部分、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)處理部分、數(shù)據(jù)顯示部分、無(wú)線傳輸部分、鍵盤(pán)部分和電源電路部分組成。測(cè)量部分是由四個(gè)應(yīng)變片均勻粘貼在一個(gè)橋壁的上下兩面組成的壓力傳感器,用以檢測(cè)壓力電信號(hào),得到微弱的電信號(hào)送往單片機(jī)處理。根據(jù)該測(cè)量裝置的要求,首先選擇壓力傳感器和溫度傳感器,然后設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路,數(shù)據(jù)采集兩塊單片機(jī)芯片,并焊接線路,編寫(xiě)系統(tǒng)嵌入式軟件,進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試。主要解決的問(wèn)題:每個(gè)部分之間的排布與焊接,微小形變量和溫度的顯示,無(wú)線功能的實(shí)現(xiàn)。利用傳感器法測(cè)量微小形變量,原理相對(duì)簡(jiǎn)單,精度也比較高,能體現(xiàn)現(xiàn)代科技的作用,測(cè)量?jī)x具有一定的可行性。

        2 設(shè)計(jì)原理

        為了測(cè)量鐵絲微小形變量,主要利用胡克定律

        (F=K*X),通過(guò)絲狀材料受力發(fā)生彈性形變,根據(jù)K=■(A為鐵絲的橫截面積,E為鐵絲的楊氏模量)測(cè)量其形變量。

        實(shí)驗(yàn)儀器與裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1。

        3 實(shí)驗(yàn)方法

        當(dāng)被測(cè)材料受拉力時(shí),壓力傳感器產(chǎn)生力電效應(yīng),將被測(cè)材料所受拉力轉(zhuǎn)換為與被測(cè)材料拉伸長(zhǎng)度成一定函數(shù)關(guān)系的電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入到單片機(jī)中,經(jīng)過(guò)單片機(jī)完成運(yùn)算后顯示在LCD12864顯示屏幕上。因?yàn)楸粶y(cè)材料的彈性模量在不同溫度下的數(shù)值不同,所以在電路中加入溫度采集模塊。鍵盤(pán)由4X4位矩陣鍵盤(pán)組成,具有調(diào)零和微調(diào)顯示拉力值的功能;顯示部分可以在主機(jī)上顯示,也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y終端進(jìn)行同時(shí)顯示。顯示最小拉伸量為0.001mm,分度值為0.001mm。該裝置具有測(cè)量拉力、形變量、實(shí)時(shí)溫度的顯示的功能。

        A/D轉(zhuǎn)換電路采用的A/D芯片為HX711,該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類(lèi)型芯片需要的外圍電路,具有抗干擾能力強(qiáng),響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)擁有電壓放大能力,省去了電壓放大模塊,對(duì)整機(jī)的簡(jiǎn)潔性、可靠性都有提高。

        數(shù)據(jù)處理部分采用的單片機(jī)為STC公司生產(chǎn)STC89C52芯片。安裝兩塊STC89C52芯片。一片作為發(fā)射機(jī),一片作為接受機(jī)。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的CMOS8位微控制器,具有 8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器,同時(shí)STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

        數(shù)據(jù)顯示部分采用LCD12864顯示屏,在顯示屏上可以同時(shí)顯示待測(cè)材料形變量、拉力、溫度。無(wú)線傳輸電路采用nRF24L01模塊,nRF24L01模塊是一款工作在2.4G-2.5G世界通用ISM頻段的單片收發(fā)芯片,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)低工作電壓。(2)高傳輸速率,降低了無(wú)線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。(3)體積小巧。(4)功耗低。(5)傳輸距離遠(yuǎn)。

        4 數(shù)據(jù)測(cè)量與分析

        如表1,當(dāng)溫度為室溫時(shí),測(cè)得鐵絲的形變量并且通過(guò)無(wú)線傳輸模塊直觀的顯示在屏幕上。測(cè)試時(shí)只需增加或者減少砝碼的數(shù)量,即可直觀的了解鐵絲在當(dāng)前拉力下的形變量,而且鐵絲的勁度系數(shù)隨溫度的變化有微小的變化,所以測(cè)量時(shí)盡量在同一溫度環(huán)境下進(jìn)行。

        5 結(jié)論

        該裝置以單片機(jī)為核心,采用四個(gè)應(yīng)變片作為壓力傳感器,同時(shí)使用24位高精度A/D,實(shí)現(xiàn)測(cè)量微小固體形變量的功能,具有顯示直觀、靈敏度高、精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。在生產(chǎn)生活實(shí)際中可實(shí)現(xiàn)較大范圍的應(yīng)用。同時(shí)由于外界環(huán)境變量較多,導(dǎo)致該探測(cè)裝置有稍微的誤差。在以后的應(yīng)用中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)一步改進(jìn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]邱忠媛,徐翠艷,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)(4版)[M].沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社,2016.

        [2]徐翠艷,符偉.楊氏模量實(shí)驗(yàn)光桿桿法原理辨析[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào),2016(04):326-335.

        [3]徐翠艷,符偉,邱忠媛.靜態(tài)拉伸法測(cè)量彈性模量實(shí)驗(yàn)中鋼絲直徑和載荷的選擇[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2017(01):53-56.

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