智能金属丝微小形变量的测量仪

徐翠艳 王超 刘鹏翔 朱浩洋 关诗文

摘  要：设计制作一种智能化金属丝微小形变量测量仪，利用胡克定律及惠斯登电桥原理，采用压力传感器产生力电信号，经过A/D转换电路转换成数字信号送入到单机片中，完成后显示在LCD12864显示屏上。因为被测量的弹性模量在不同温度下的数值不同，该装置可以测量压力、形变量、实时温度的显示功能。

关键词：微小形变测量;胡克定律;惠斯登电桥;压力传感器

中图分类号：TH823        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0019-02

1 研究的目的和意义

微小形变量的测量方法比较多，所需的知识也比较广，有光的干涉法，也有千分表法和显微放大法。目前在实验室测量微小形变量主要采用光杠杆法，光杠杆法所需设备多、调节相对较难，测量精度较低。光的干涉法的测量精度比光杠杆法高，配合计算机技术和图像处理系统，可实现自动化的高精度测量，更适用于创新研究，但其所需的仪器设备多，操作难度大。在杨氏模量、金属线胀系数实验中，测量微小形变量是关键环节，实验中用光杠杆放大法测量微小形变量，这种方法操作难度大，测量结果精度不高。

本项目设计制作一种智能化金属丝微小形变量测量仪，在充分研究现有微小形变量测量方法的基础上，主要利用胡克定律及惠斯登电桥原理。整个装置是按照设计功能的要求，由测量部分、A/D转换电路、数据处理部分、数据显示部分、无线传输部分、键盘部分和电源电路部分组成。测量部分是由四个应变片均匀粘贴在一个桥壁的上下两面组成的压力传感器，用以检测压力电信号，得到微弱的电信号送往单片机处理。根据该测量装置的要求，首先选择压力传感器和温度传感器，然后设计A/D转换电路，数据采集两块单片机芯片，并焊接线路，编写系统嵌入式软件，进行联机调试。主要解决的问题：每个部分之间的排布与焊接，微小形变量和温度的显示，无线功能的实现。利用传感器法测量微小形变量，原理相对简单，精度也比较高，能体现现代科技的作用，测量仪具有一定的可行性。

2 设计原理

为了测量铁丝微小形变量，主要利用胡克定律

（F=K*X），通过丝状材料受力发生弹性形变，根据K=■（A为铁丝的横截面积，E为铁丝的杨氏模量）测量其形变量。

实验仪器与装置结构图如图1。

3 实验方法

当被测材料受拉力时，压力传感器产生力电效应，将被测材料所受拉力转换为与被测材料拉伸长度成一定函数关系的电信号。该电信号经过A/D转换电路转换成数字信号送入到单片机中，经过单片机完成运算后显示在LCD12864显示屏幕上。因为被测材料的弹性模量在不同温度下的数值不同，所以在电路中加入温度采集模块。键盘由4X4位矩阵键盘组成，具有调零和微调显示拉力值的功能;显示部分可以在主机上显示，也可以将数据传输到便携终端进行同时显示。显示最小拉伸量为0.001mm，分度值为0.001mm。该装置具有测量拉力、形变量、实时温度的显示的功能。

A/D转换电路采用的A/D芯片为HX711，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片需要的外围电路，具有抗干扰能力强，响应速度快的优点。同时拥有电压放大能力，省去了电压放大模块，对整机的简洁性、可靠性都有提高。

数据处理部分采用的单片机为STC公司生产STC89C52芯片。安装两块STC89C52芯片。一片作为发射机，一片作为接受机。STC89C52是STC公司生产的一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器，同时STC89C52使用经典的MCS-51内核，经济实用。

数据显示部分采用LCD12864显示屏，在显示屏上可以同时显示待测材料形变量、拉力、温度。无线传输电路采用nRF24L01模块，nRF24L01模块是一款工作在2.4G-2.5G世界通用ISM频段的单片收发芯片，具有以下优点：（1）低工作电压。（2）高传输速率，降低了无线传输中的碰撞现象。（3）体积小巧。（4）功耗低。（5）传输距离远。

4 数据测量与分析

如表1，当温度为室温时，测得铁丝的形变量并且通过无线传输模块直观的显示在屏幕上。测试时只需增加或者减少砝码的数量，即可直观的了解铁丝在当前拉力下的形变量，而且铁丝的劲度系数随温度的变化有微小的变化，所以测量时尽量在同一温度环境下进行。

5 结论

该装置以单片机为核心，采用四个应变片作为压力传感器，同时使用24位高精度A/D，实现测量微小固体形变量的功能，具有显示直观、灵敏度高、精准的优点。在生产生活实际中可实现较大范围的应用。同时由于外界环境变量较多，导致该探测装置有稍微的误差。在以后的应用中可根据实际情况进一步改进。

参考文献：

[1]邱忠媛，徐翠艳，等.大学物理实验（4版）[M].沈阳：东北大学出版社，2016.

[2]徐翠艳，符伟.杨氏模量实验光杆杆法原理辨析[J].渤海大學学报，2016（04）：326-335.

[3]徐翠艳，符伟，邱忠媛.静态拉伸法测量弹性模量实验中钢丝直径和载荷的选择[J].大学物理实验，2017（01）：53-56.