应变式电子测力系统设计

范 伟， 蒋少茵， 余 卿

(华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门 361021)

应变式电子测力系统设计

范 伟， 蒋少茵， 余 卿

(华侨大学 机电及自动化学院，福建 厦门 361021)

为改善传统机械指针式测力计读数不便、灵敏度低且稳定性差的不足，采用电阻应变片及等强度梁设计了一种电子应变式测力计，选择灵敏度高且具有温度自补偿功能的全桥电路作为测量电路，测量信号经滤波、放大处理后接入ADC0804进行A/D转换，最后通过单片机AT89C52将转化后的测力值显示在LCD1602液晶显示器上。所设计测力计测量范围为0～100 N，输出相关系数为99.8%，分度值可达0.1 N。该基于单片机的测力系统具有结构简单便于携带、操作方便、显示直观及精度高等优点，适用于现代工业生产中微小力的检测。

测力计;应变片;单片机;检测

0 引言

测力仪，又叫测力计，分为数字式测力仪和机械式测力仪(指针式)两种。测力仪广泛应用于电气、包装、汽车加工和医疗等行业。传统的测力仪是根据材料的力学性质设计的，如弹簧测力计［1-4］。

电阻应变式传感器是以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。其由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形［5］。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而测量拉力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。

随着现代工业的高速发展，力的测量作为检测技术的重要内容，在国内外有着良好的发展前景和空间。因微计算机的普及，现代测力系统已经发展到数显式测力仪［6-7］。文中主要针对目前继电器中弹性压簧参数测量所使用的指针式测力计存在灵敏度差的现状，进行了应变式测力计设计研究。

1 系统结构设计

首先被测力通过等强度梁转化为梁的应变，采用电阻应变式传感器测量应力的大小。应变片阻值的变化通过电桥电路转化为电压值的变化，再经过滤波电路和放大电路输入ADC0804，将模拟电压信号转化为数字信号。最后通过单片机AT89C52将测力的大小显示在LCD1602显示器上。当力大小超过设定值时，系统可采用蜂鸣器报警。其系统框图如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure

2 系统硬件设计

2.1 等强度梁

测力计要求有较高的灵敏度，因此等强度梁选择弹簧钢作为材料。弹簧钢具有优良的冶金质量、良好的表面质量、精确的外形和尺寸。最重要的是，弹簧钢有良好的弹性，可以在动载荷环境条件下工作;具有高的屈服强度;在承受重载荷时不引起塑性变形;有高的疲劳强度，在载荷反复作用下具有长的使用寿命。在各种弹性钢中，50CrVA钢碳含量较小，塑性、韧性较其他弹簧钢好。少量钒可以提高弹性、强度、屈强比和弹减抗力，细化晶粒，减小脱碳倾向。设计中等强度梁材料即选为50CrVA钢，其室温下的弹性模量为206 GPa，抗拉强度σb≥1 274 MPa，屈服强度σs≥1 127 MPa，伸长率δ5≥10%，断面收缩率ψ≥40%。

等强度梁为悬臂梁式(图2)。当悬臂梁上加一个载荷p时，距加载点x的断面上弯矩为

图2 等强度梁贴片及尺寸Fig.2 Equal strength beam patch and size

相应断面上的最大应力为

式中:W——抗弯断面模量，断面为矩形;

bx——宽度;

h——厚度。

所谓等强度，即指各个断面在力的作用下应力相等，即σ值不变。显然，当梁的厚度h不变时，梁的宽度必须随着x的变化而变化，即x与bx比值为定值，因此弹性梁可以设计为等腰三角形。取该等腰三角形的顶角∂为5.72°，则

从而得b/l=0.1，取h=2 mm，l=100 mm，则b= 10 mm。

所设计的小量程测力计的量程为100 N，当p= 100 N，由h、l、b和式(1)得σ=1.5 MPa，显然满足在材料弹性极限的2/3以内的条件。

2.2 应变片及电桥电路

电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。设计中采用BH350-3AA型康铜金属箔电阻应变片，其典型电阻值为350 Ω;灵敏系数为2.00～2.20;应变极限为2.0%，可满足设计需要。

直流全桥测量电路的灵敏度较高，且具有温度误差自补偿的功能，所以设计中采用直流全桥电路来进行测量。图3为等臂电桥全桥电路图。

图3 等臂电桥全桥电路Fig.3 Equal arm full-bridge circuit

其中，R1、R4应变片受拉，R2、R3应变片受压，输出电压为

由式(2)知，当R1R4=R2R3时，电桥输出电压为零，称此时电桥处于平衡状态。

设处于平衡状态的电桥各桥臂的电阻增量为ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，则电桥的输出电压为

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

根据胡克定律有

由式(1)、(4)和(5)得:

代入k=2，x/b=10，E=206 GPa，h=2 mm，可得

当p=100 N，供电电压选为5 V，则最大输出电压为0.073 V。

2.3 信号放大电路

电桥输出电压为毫伏级，需在A/D转换前加入一个前置差动放大电路以实现电压的放大。由于单运放在应用中要求外围电路匹配精度高、增益调整不便、差动输入阻抗低，故采用三运放结构。

三运放结构具有差动输入阻抗高、共膜抑制比高、偏置电流低等优点，且有良好的温度稳定性，低噪单端输出且增益调整方便，适于在传感器电路中应用。如图4所示，放大器的第I级主要用来提高整个放大电路的输入阻抗，第II级采用差动电路用以提高共模抑制比。

图4 三运放差动放大电路Fig.4 Three OPA difference amplifier circuit

电路中输入级由A3、A4两个同相输入运算放大器电路并联，再与A5差分输入串联的三运放差动放大电路构成，其中A1、A2是增加电路的输入阻抗。电路对共模输入信号没有放大作用，共模电压增益接近于零。当R3=R4，R5=R6时，两级的总增益为两个差模增益的乘积，即

运放器采用OP07E型运放器。取电阻值R1=R2=Rp=200 Ω，R3=R4=200 Ω，R5=R6=400 Ω，则运放器的放大倍数Aavd=60，此时输出电压在0～4.38 V，满足后续A/D转换器的要求。

2.4 报警电路

报警电路如图5所示，主要由光电耦合器、继电器和红绿LED灯组成。当所测力超过设定值(该系统设定为95 N)时，与报警电路相连的P3.0口发出低电平，通过光电耦合器驱动继电器开关，使红灯亮，反之，当小于设定值时，绿灯亮。也可接蜂鸣器进行报警，该报警阈值可针对不同的检测产品，自行设定。

图5 报警提示电路Fig.5 Alarm prompt circuit

3 系统程序设计

系统程序框图作为程序设计的主要依据，能直观展示程序设计的主要内容流程，包括主程序、A/D转换部分及LCD显示部分(图6)。主程序都有系统的调用流程和对中断系统的开启和关闭。

图6 系统程序Fig.6 System program

整个系统电路如图7所示。被测力通过等强度梁转化为应变片的应变，经过应变片电桥电路和信号放大电路，输入ADC0804进行A/D转换。单片机AT89C52主要对测量信号进行分析计算，将最后测量力的值输入LCD1602显示。

图7 系统电路Fig.7 System circuit

4 实验测试分析

对所设计测力系统进行测试，采用砝码作为标准量进行标定，依次递增，测试结果见表1、图8。

表1 测力与输出对应关系Table 1 Corresponding relation of force and output

图8 测力与输出电压关系Fig.8 Relation of force and output voltage

由图8可以看到，所设计的测力系统输出电压与被测量力具有较高的线性度，其输出相关系数可达99.8%，符合设计要求。

5 结束语

设计基于电阻应变式传感器的测力系统，以单片机AT89C52作为核心处理元件，选择误差小的全桥电路作为测量电路，通过信号放大电路、滤波电路和报警电路等实现对被测力的智能检测。该基于单片机的测力系统解决了机械指针式测力计存在的问题，具有结构简单便于携带、操作方便、显示直观及精度高的特点，可设定测试力的阈值报警，大大提高了生产线的测量效率，在同类产品中有较大优势。所设计测力计测量范围为0～100 N，输出相关系数为99.8%，分度值可达0.1 N，达到了预期的设计目标，可用于现代工业生产中微小力的检测。

［1］颜自勇，廖文良，王辉堂，等.基于ADS1100高精度智能测力计［J］.国外电子测量技术，2006，25(6):55-57.

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［3］刘玲霞.电阻应变片式测力传感器设计的应力集中原则［J］.中国科技信息，2006(17):106，108.

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［5］毛谦敏，吴洪潭.单片机原理及应用系统设计［M］.北京:国防工业出版社，2008:11-30.

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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

国家自然科学基金项目(51075160);福建省泉州市科技计划项目(2011G3)

范 伟(1980-)，男，甘肃省玉门人，讲师，博士，研究方向:精密测试技术及仪器，E-mail:fanwei@hqu.edu.cn。

(编辑王 冬)