浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：雙通道動態(tài)應(yīng)變測試儀軟硬件設(shè)計學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 提交日期： 55雙通道動態(tài)應(yīng)變測試儀軟硬件設(shè)計學(xué)生姓名：鄭 來 指導(dǎo)教師：季行健浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院摘 要本文介紹了基于微機的動態(tài)應(yīng)變儀軟硬件研究與設(shè)計，可以實現(xiàn)應(yīng)變信號采集、運算、顯示等功能，并采用RS232串行方式與上位機通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C作進(jìn)一步處理。針對微弱信號在硬件選擇上和軟件方面采用相應(yīng)方法來提高精度和抗干擾能力。本系統(tǒng)在硬件上采用與MCS-51系列單片機兼容的單片機AT89C52為核心，由中央處理模塊、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、人機接口模塊和電源模塊五部分構(gòu)成。軟件由上位機軟件和下位機軟件兩部分構(gòu)成。本測試儀器具有測試動態(tài)應(yīng)變量、靜態(tài)應(yīng)變量和頻率等功能，適合與多種工程應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 單片機 動態(tài)應(yīng)變測量 惠斯登電橋 微機通訊 電橋選擇 自動校零Hardware and Software Design of Dual-channel Dynamic Strain Testing InstrumentStudent:zheng lai Advisor:Xingjian jiCollege of Engineering Zhejiang University of TechnologyAbstractReseach on the dynamic strain testing instrument based on micro-computer commun-ication is introduced in this article,the instrument can realize the strains signal colletion, operating ,display and so on,and communicate with upper computer in asynchronism ser-ial communication, Transport the data to upper computer for further processing. introduced. In hardware and software we adopt different measure to improve precision and ability of anti-jamming.In hardware, AT89C52 compatible with MCS-51 is the center of the dynamic strai-n testing instrument. The system include center process unit, signal conditioning modules, signal collecting modules, monitor interface modules and power supply modules. The sys-tem software is composed of down-computer software and upper-computer software. The testing instrument has the function of testing static strain,dynamic strain, freque-ncy and so on, suited to a variety of engineering applications.Key words: MCS,dynamic strain measurement,wheatstone bridge,micro-computer commun-ications,bridge select,automatic zero目 錄摘要IAbstractII目錄III表列V圖列V第一章 緒論11.1 應(yīng)變儀的研究背景與意義11.2 應(yīng)變電測技術(shù)的發(fā)展11.3 應(yīng)變電測的優(yōu)缺點概述11.4 國內(nèi)外應(yīng)變儀的研究現(xiàn)狀21.4.1 國外應(yīng)變儀研究現(xiàn)狀21.4.2國內(nèi)應(yīng)變儀研究現(xiàn)狀4第二章 應(yīng)變儀的測量原理62.1電阻式應(yīng)變儀基本工作原理62.2 電阻應(yīng)變片的工作原理62.3應(yīng)變片結(jié)構(gòu)72.4金屬電阻應(yīng)變片的材料82.5應(yīng)變片的測量電路92.5.1直流電橋的工作原理92.5.2測量電橋的幾種接線方法11第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計123.1中央處理單元123.2電源模塊133.3 電橋選擇電路143.4信號調(diào)理電路163.4.1 程控放大電路設(shè)計163.4.2 程控低通濾波電路設(shè)計193.5 頻率測量223.6 A/D轉(zhuǎn)換233.7 按鍵253.8 LCD顯示263.9 串行通訊303.10 接地技術(shù)31第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計324.1概述324.1.1系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想324.1.2下位機軟件的構(gòu)成324.2主程序設(shè)計334.3儀器故障自檢344.3.1故障自檢方式344.3.2自檢項目344.4初始化384.5中斷394.6信號采樣與數(shù)據(jù)處理394.7下位機通訊程序設(shè)計444.7.1通信協(xié)議444.7.2下位機通訊程序設(shè)計454.8顯示模塊程序設(shè)計45第五章 結(jié)論49參考文獻(xiàn)50致謝52附錄A 雙通道動態(tài)應(yīng)變測試儀電路原理圖53附錄B 雙通道動態(tài)應(yīng)變測試儀PCB54表列表1-1 SDY2101通用型動態(tài)應(yīng)變儀性能參數(shù) 4表3-1 CD4052引腳功能說明 15表3-2 CD4052真值表 16表3-3 控制輸入端值與選通通道關(guān)系 20表3-4 控制輸入端、選通通道、阻值、截止頻率四者關(guān)系 24表3-5 AD574控制信號功能表 26表3-6 按鍵位置與輸出鍵值關(guān)系 27表3-7 并行接口說明 29表4-1 串行通信協(xié)議 44圖列圖1-1 DRC-3410數(shù)字高速動態(tài)應(yīng)變儀背面板 3圖1-2 Visual LOG軟件界面 3圖1-3 SDY2101型通用動態(tài)應(yīng)變儀 4圖1-4西格瑪(sigmar)手持式動、靜態(tài)應(yīng)力測量儀 5圖2-1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng) 6圖2-2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 8圖2-3 常用應(yīng)變片的形式 9圖2-4 直流電橋 10圖3-1 系統(tǒng)總體框圖 13圖3-2 穩(wěn)壓電源電路原理圖 14圖3-3 CD4052引腳圖 15圖3-4橋路選擇電路原理圖 16圖3-5 AD524基本結(jié)構(gòu)圖 17圖3-6 儀表放大器工作原理圖 18圖3-7 AD524外部電阻連接電路圖 19圖3-8 AD524硬件連接圖 20圖3-9 程控濾波器硬件連接圖 21圖3-10 單位增益二階壓控電壓有源低通濾波器 22圖3-11 幅頻特性曲線 23圖3-12 波形轉(zhuǎn)換硬件連接圖 24圖3-13 輸入輸出波形 25圖3-14 AD574引腳 25圖3-15 AD574硬件連接圖 26圖3-16 鍵盤接口電路 27圖3-17 FYD12864-0402B液晶中文顯示模塊實物圖 28圖3-18 FYD12864-0402B硬件結(jié)構(gòu)框圖 29圖3-19 液晶顯示模塊接口電路圖 31圖3-20 串行通信接口電路 32圖4-1 主程序流程圖 34圖4-2 自檢程序流程圖 36圖4-3 ROM單字節(jié)累加法自檢軟件流程圖 37圖4-4 RAM非破壞性檢測流程圖 39圖4-5 初始化程序流程圖 40圖4-6 動態(tài)采樣與數(shù)據(jù)處理 41圖4-7 靜態(tài)采樣與數(shù)據(jù)處理 41圖4-8 量程自動轉(zhuǎn)換控制流程圖 43圖4-9 頻率測量程序流程圖 44圖4-10 FYD12864-0402B初始化流程圖 46第一章 緒論1.1 應(yīng)變儀的研究背景與意義隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，非物理量的測量與控制技術(shù)，已越來越廣泛地應(yīng)用于航天、航空、交通運輸、煉金、機械制造、石化、輕工、技術(shù)監(jiān)督與測試等技術(shù)領(lǐng)域，而且也正逐步引入人們的日常生活中去。可以說，測量技術(shù)與自動控制水平的高低，是衡量一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。1微弱信號的檢測是測量技術(shù)中微弱量（如小位移、微振動、微溫差、小電容、弱磁、弱聲、微電導(dǎo)、微電流、低電平電壓和微流量等）通過各種傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量（電壓或電流）2。微弱信號的測量以及分析一直是個難點，如幅值小于10V的信號，應(yīng)變測量就是其中的一類。在自然科學(xué)和工程領(lǐng)域的各種科學(xué)研究活動中，離不開對研究對象準(zhǔn)確有效的測量，這是我們認(rèn)識客觀事物內(nèi)在聯(lián)系及變化規(guī)律的必要和先決條件。應(yīng)變電測法由于其測試廉價、快速、精度高、容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理自動化、實用性強等特點，在交通、材料、航空、航天、機械等重要工程領(lǐng)域的研究中，有著廣泛的應(yīng)用。微型計算機應(yīng)用技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快了電測儀器系統(tǒng)向集成化、多功能化、智能化和通用化方向發(fā)展，以往傳統(tǒng)設(shè)計的、功能單一的應(yīng)變儀已越來越不能滿足實際需要。廣泛采用計算機和數(shù)據(jù)自動采集處理等新技術(shù)。給應(yīng)變電測技術(shù)帶來了一場革命。它加速了力學(xué)科學(xué)及工程測試數(shù)據(jù)分析自動化的技術(shù)基礎(chǔ)。另外它還能增強觀察和提取關(guān)鍵信息的能力，提高研究工作的效率和質(zhì)量。341.2 應(yīng)變電測技術(shù)的發(fā)展在1856年，W.Thomson在鋪設(shè)海底電纜時，發(fā)現(xiàn)了電纜的阻值隨海水深度不同而變化，從而對銅絲和鐵絲進(jìn)行拉伸實驗，得出結(jié)論:銅絲和鐵絲的應(yīng)變與其電阻變化成不同的函數(shù)關(guān)系，且由于應(yīng)變而產(chǎn)生的微小電阻變化可用惠斯頓電橋進(jìn)行測量。這些結(jié)論正是應(yīng)變電測的理論基礎(chǔ)，它指出應(yīng)變可轉(zhuǎn)換成電阻變化并用電學(xué)方法測量應(yīng)變。1936年至1938年間，E.Simmons與A.Ruge等人制出紙基絲式電阻應(yīng)變計，并由美國Baldwin Lima Hamilton公司專利生產(chǎn)，取它們名字字首命名為SR-4型號。1952年英國P.Jackson制出第一批箔式電阻應(yīng)變計。1954年C.S.Smith發(fā)現(xiàn)鍺硅半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，1957年制出了第一批半導(dǎo)體應(yīng)變計，后來W.P.Mason等人應(yīng)用半導(dǎo)體應(yīng)變計制作傳感器。在此以前，已出現(xiàn)用電阻應(yīng)變計制作的各種傳感器，后來還出現(xiàn)其它各種電學(xué)傳感器，用它們可測量力、壓強、荷重、位移和加速度等物理量。至今各種電阻應(yīng)變計、半導(dǎo)體應(yīng)變計品種規(guī)格以達(dá)二萬多種，各種傳感器品種繁多，應(yīng)用范圍廣范。561.3 應(yīng)變電測的優(yōu)缺點概述應(yīng)變電測技術(shù)的迅速的發(fā)展，源于電阻應(yīng)變計的有其自身的優(yōu)點：78（1）電阻應(yīng)變計尺寸小、重量輕，一般不會干擾構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)，安裝（如粘貼）方便。（2）測量靈敏度高，最小應(yīng)變讀數(shù)可達(dá)l0-6（微應(yīng)變m/m），常溫靜態(tài)應(yīng)變測量，精度可達(dá)12。（3）測量應(yīng)變量程大，一般為12（l042l04m/m），特殊的大應(yīng)變電阻應(yīng)變計可測量1025（10l0425l04m/m）應(yīng)變量。（4）常溫箔式電阻應(yīng)變計最小柵長為0.2mm，可測量應(yīng)力集中處的應(yīng)變分布。（5）頻率響應(yīng)快，可測量靜態(tài)到500kHz的動態(tài)應(yīng)變。（6）測量中輸出為電信號，采用電子儀器易實現(xiàn)測量過程自動化和遠(yuǎn)距離傳遞，測量數(shù)據(jù)可數(shù)字顯示、自動采集、打印和計算機處理。也可利用無線電發(fā)射相接收方式進(jìn)行遙測。（7）可在高溫、低溫（269+1000）、高壓（幾百MPa）液下、高速旋轉(zhuǎn)（幾萬r/min）、強磁場和（或）核輻射等特殊環(huán)境中進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變的測量。（8）用電阻應(yīng)變計配合專門彈性元件可制成各種傳感器，用以測量力、荷載、壓強、扭矩、位移和加速度等物理量。這些應(yīng)變式傳感器的測量精度可達(dá)0.01至0.5，工業(yè)上可廣泛用于自動化監(jiān)測控制，商業(yè)上普遍用于稱重、計量自動化，工程和科學(xué)實驗中用于實驗自動化和控制裝置。后來發(fā)展的其它應(yīng)變傳感元件，如電容應(yīng)變計等，可用于高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)變等長期測量，用以制作的各種類型傳感器用于測量和控制。其主要缺點和限制有：7（1）應(yīng)變電測方法通常為逐點測量，不易得到構(gòu)件的全域性應(yīng)力應(yīng)變場（分布）。（2）一般只能測量構(gòu)件表面上的應(yīng)變，對于塑料、混凝土等可安裝內(nèi)埋式應(yīng)變計的構(gòu)件，可測量其內(nèi)部應(yīng)變。（3）應(yīng)變計所測應(yīng)變值是其敏感柵覆蓋面積內(nèi)構(gòu)件表面的平均應(yīng)變，對于應(yīng)力梯度很大的構(gòu)件表面或應(yīng)力集中的情況應(yīng)選用柵長很小的應(yīng)變計（如柵長為0.2lmm），否則測量誤差較大。1.4 國內(nèi)外應(yīng)變儀的研究現(xiàn)狀以前采用交流電橋，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需電容平衡，很難實現(xiàn)橋路的自動平衡與自動標(biāo)定，采用載波放大，相敏檢波，主要是當(dāng)時直流放大器性能不高，因此只能采用交流放大。直流電橋結(jié)構(gòu)簡單，不需要考慮橋路分析電容的影響，因此可實現(xiàn)橋路的自動平衡和自動標(biāo)定，但電源精度和橋路線路都會影響測量精度，因此在國內(nèi)直流電橋測量大都用在靜態(tài)應(yīng)變中。在動態(tài)應(yīng)變測量中，國際上大都采用直流供電，測量信號范圍已達(dá)30KHz，結(jié)構(gòu)簡單，精度高。相應(yīng)的，中高端應(yīng)變儀幾乎被日、美、德等國所壟斷。在國內(nèi)，還不能很好地解決測量電路和直流電源精度，測量距離、溫度、濕度對實際測量精度有較大的影響等一系列問題。目前，國內(nèi)外的靜態(tài)/動態(tài)應(yīng)變儀的研究，基本上向便攜式、多通道、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。目前國內(nèi)應(yīng)變儀做的比較好的有華東儀器廠，靖江東華，揚州泰司，北戴河蘭德公司等，國外有日本東京測器，日本共和，美國NEFF公司等。91.4.1 國外應(yīng)變儀研究現(xiàn)狀國外的數(shù)字應(yīng)變儀的基本上在高精度、多通道、集成化方面有優(yōu)良的產(chǎn)品。對于動態(tài)應(yīng)變儀，可以達(dá)到30個通道以上，而且擴展功能強大。日本TML公司的最新產(chǎn)品DRC-3410是一臺多通道的高速數(shù)字動態(tài)應(yīng)變儀，如圖1-1所示。它具有30個測量通道，高速采樣頻率達(dá)1MHz，可測量0100kHz的應(yīng)變信號。存儲到內(nèi)部存儲器，并傳輸?shù)诫娔X。內(nèi)部存儲器可根據(jù)采樣速度自動轉(zhuǎn)換成高速或低速狀態(tài)，并響應(yīng)高速波形和進(jìn)行長時間測量。配備100BASE-TX的LAN網(wǎng)絡(luò)接口，傳輸速度為500kB/s。DRC-3410高速數(shù)字動態(tài)應(yīng)變儀還可以通過網(wǎng)線多臺互連，實現(xiàn)通道數(shù)擴展。最高可以同時測量300通道。圖1-1 DRC-3410數(shù)字高速動態(tài)應(yīng)變儀背面板應(yīng)變儀還提供專門的3柵應(yīng)變花專用接口，與TML公司的專用電纜連接單元B-723相配合，可以方便的進(jìn)行10個3柵應(yīng)變花的測試（即30通道）。應(yīng)變儀配有的動態(tài)測量軟件Visual LOG，如圖1-2，可以在帶網(wǎng)卡的計算機，在windows 98/ME/2000/XP等操作平臺上使用。同時，多臺應(yīng)變儀之間可以用網(wǎng)線互連，實現(xiàn)通道數(shù)的擴展。9圖1-2 Visual LOG軟件界面1.4.2國內(nèi)應(yīng)變儀研究現(xiàn)狀與國外的應(yīng)變儀相比，國內(nèi)的產(chǎn)品相對來說，通道數(shù)相對比較少，一般動態(tài)應(yīng)變儀為68通道。如圖1-3為北戴河實用電子技術(shù)研究所開發(fā)的SDY2101型通用動態(tài)應(yīng)變儀。圖1-3 SDY2101型通用動態(tài)應(yīng)變儀該應(yīng)變儀采用220V交流供電，通道為2、4、6、8可選，頻率響應(yīng)從直流到80kHz，信噪比50dB，線性度誤差小于0.1%，其相應(yīng)的性能參數(shù)如表1-1所示。表1-1 SDY2101通用型動態(tài)應(yīng)變儀性能參數(shù)型號 SDY2101通用型動態(tài)應(yīng)變儀 通道數(shù) 2、4、6、8 頻響(Hz) DC-80k 信噪比(dB) 50靈敏度(橋壓4V) 1.2V/100(微應(yīng)變) 校準(zhǔn)(微應(yīng)變) 0,1,2,5,10,20100 低通(Hz) 10,100,300,1k,10k,F 電橋電阻(歐姆) 60-1000 增益0,1/20,1/10,1/5,1/2,1輸出（峰值V） 8.5 供橋電壓(V) 2,4,8應(yīng)變系數(shù)K=2.0平衡范圍使用電橋電阻的1%(5000微應(yīng)變),微調(diào)范圍100微應(yīng)變平衡方式及時間自動平衡，平衡時間約2秒輸入阻抗大于100兆歐姆線性度誤差小于0.1%零點漂移小于0.5%F.S(4h)靈敏度漂移小于0.2%F.S(4h)工作環(huán)境溫度：-10-40濕度：85%供電方式AC220 50Hz外形尺寸 245150364 另外國內(nèi)的動態(tài)應(yīng)變儀現(xiàn)在也向著多通道擴展和手持便攜型的方向發(fā)展。多通道擴展如中國建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)研究所測試室研制的Jwfu4B型智能動態(tài)應(yīng)變儀，每臺動態(tài)應(yīng)變儀設(shè)置5個通道，每個通道包括獨立的橋壓、放大器、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、控制傳輸?shù)裙δ堋?通道工作時采樣速率為10kHz。應(yīng)變儀主機多通道并行實時數(shù)據(jù)采集、傳送、存儲、顯示，可與計算機通過RS232口通信并且可擴展通道。手持便攜型如西格瑪(sigmar) 開發(fā)的超小型手持式高速動、靜態(tài)應(yīng)力/應(yīng)變測試儀，具有三個并行通道，有一套具有其自主知識產(chǎn)權(quán)的操作軟件，可測應(yīng)力、應(yīng)變，本身可存儲大量測試結(jié)果，并可通過USB或Ethernet網(wǎng)口與外界通訊。它還是一款低功耗便攜測試設(shè)備，它不需外接別的應(yīng)變調(diào)理設(shè)備，即可直接接應(yīng)變花（片）獨立工作，還具有高頻動態(tài)測試功能。其內(nèi)置有鋰電池，能確保該設(shè)備在現(xiàn)場或野外長時間工作。 其技術(shù)參數(shù)如下： 1、 采樣頻率：4.8kHz 2、AD分辨率：24bit 3、測量頻率范圍：160Hz 4、測量輻值范圍：10000 5、靜態(tài)測量精度：0.1 6、動態(tài)測量誤差：0.1% 7、RAM：32MB 8、NAND Flash：256MB 9、USB從口 10、可接全橋、半橋 11、彩色液晶顯示（2.0”LCD） 圖1-4西格瑪(sigmar)手持式動、靜態(tài)應(yīng)力測量儀隨著模擬集成電路技術(shù)、無線電技術(shù)、計算機技術(shù)以及虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，動態(tài)應(yīng)變儀也向著遠(yuǎn)程遙測、虛擬儀器方向發(fā)展。目前已有公司研發(fā)了基于藍(lán)牙技術(shù)的動態(tài)應(yīng)變測試儀、基于虛擬儀器技術(shù)的動態(tài)應(yīng)變儀等。動態(tài)應(yīng)變儀也將向著智能化、高精度、高速化、網(wǎng)絡(luò)化等方向發(fā)展。第二章 應(yīng)變儀的測量原理對于應(yīng)變測量方法主要有機械式測量法、電阻應(yīng)變電測量法和光學(xué)測量法等幾種10，其中電阻應(yīng)變電測量法具有靈敏度高、頻率響應(yīng)快、體積小、可在惡劣的環(huán)境工作和可實現(xiàn)遙控測量等優(yōu)點。電阻式應(yīng)變儀是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的儀器，儀器的構(gòu)造由在彈性元件上黏貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。電阻式應(yīng)變儀是目前在測量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)中應(yīng)用最廣泛的儀器之一。本章主要介紹本儀器的電阻式應(yīng)變儀應(yīng)變測量原理。2.1電阻式應(yīng)變儀基本工作原理電阻應(yīng)變測量法是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行測量的方法，簡稱電測法。電測法的基本原理是：將應(yīng)變片固定在被測構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時，電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。通過電阻應(yīng)變測量裝置（簡稱應(yīng)變儀）可將電阻應(yīng)變片中的電阻值的變化測定出來，換算成應(yīng)變或輸出與應(yīng)變呈正比的模擬電信號（電壓或電流），用記錄儀記錄下來，也可用計算機按預(yù)定的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到所需要的應(yīng)力或應(yīng)變值。2.2 電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。11如圖2 - 1所示，一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為（2-1） 式中： 電阻絲的電阻率； l 電阻絲的長度； A電阻絲的截面積。 圖2-1 金屬電阻絲應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時， 將伸長l，橫截面積相應(yīng)減小A，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了d，從而引起電阻值相對變化量為 （2-2）式中：dl/l長度相對變化量，用應(yīng)變表示為 （2-3） dA/A圓形電阻絲的截面積相對變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2rdr，則 （2-4） 由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時，沿軸向伸長， 沿徑向縮短， 令dl/l=為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為 （2-5） 式中, 為電阻絲材料的泊松比， 負(fù)號表示應(yīng)變方向相反。 將式（2-3）、式（2-5）代入式（2-2），可得 （2-6）令則： （2-7）k0單根金屬絲的靈敏系數(shù)根據(jù)實驗得知：大多數(shù)金屬的k0是一個常數(shù)，其值隨材料不同而異。可見，金屬絲在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時，應(yīng)變與電阻變化率R/R是成線性關(guān)系的。“與R/R成線性關(guān)系”這是實驗與測試技術(shù)的一個重要前提。因此，對于金屬電阻應(yīng)變片有 （2-8）式中，k應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，由實驗求得。 試件的應(yīng)變，是無量綱的量。常用微應(yīng)變“”表示。1微應(yīng)變相當(dāng)于長度為1米的試件其變形為1微米時的相對變形量，即1=10-62.3應(yīng)變片結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片由敏感柵、引出線、基底、覆蓋層組成，用粘貼劑粘貼在一起，如圖2-2所示。敏感柵是應(yīng)變片的核心部分，它粘貼在絕緣的基片上，其上再粘貼起保護(hù)作用的覆蓋層，兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵有絲式和箔式兩種形式，如圖2-2所示。絲式金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵由直徑0.010.05mm的電阻絲平行排列而成。箔式金屬電阻應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵， 其厚度一般為0.0030.01mm，可制成各種形狀的敏感柵（即應(yīng)變花），其優(yōu)點是表面積和截面積之比大， 散熱性能好，允許通過的電流較大，可制成各種所需的形狀， 便于批量生產(chǎn)。覆蓋層與基片將敏感柵緊密地粘貼在中間，對敏感柵起幾何形狀固定和絕緣、保護(hù)作用，基片要將被測體的應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上，因此它很薄，一般為0.030.06mm,使它與被測體及敏感柵能牢固地粘合在一起，此外它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能。基片和覆蓋層的材料有膠膜、紙、玻璃纖維布等11。圖2-3為常用應(yīng)變片的各種形式。圖2-2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)2.4金屬電阻應(yīng)變片的材料另外，對電阻絲材料有如下要求： 靈敏系數(shù)大，且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)； 值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值； 與銅線的焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢小； 機械強度高， 具有優(yōu)良的機械加工性能。 康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料，這是由于它有很多優(yōu)點：靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在彈性變形范圍內(nèi)能保持為常數(shù)， 進(jìn)入塑性變形范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；康銅的電阻溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定，當(dāng)采用合適的熱處理工藝時，可使電阻溫度系數(shù)在5010-6/的范圍內(nèi)；康銅的加工性能好，易于焊接， 因而國內(nèi)外多以康銅作為應(yīng)變絲材料。 圖2-3 常用應(yīng)變片的形式2.5應(yīng)變片的測量電路通過應(yīng)變片可以將試件的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電阻變化，通常這種電阻變化是很小的，必須用適當(dāng)?shù)姆椒z測電阻微小變化。為此，需把應(yīng)變片接入某種電路。此電路將應(yīng)變片的電阻變化信號轉(zhuǎn)換成電信號。常用的電路有三種，即電位計、惠斯登電橋和雙恒流源電路。其中惠斯登電橋結(jié)構(gòu)簡單，精度較高等優(yōu)點。下面講述直流電橋的工作原理、以及它的幾種組成方法。2.5.1直流電橋的工作原理設(shè)由四個電阻組成直流電橋如圖2-4所示，設(shè)電橋各橋臂電阻分別為R1、R2、R3、 R4；電橋A、C為輸入端，接直流電源，輸入電壓為Ea，而D, B為輸出端，輸出電壓為UO。電橋的輸出端一般接高阻抗的放大器，這樣電橋輸出電流很小，可以忽略不計，認(rèn)為電橋輸出對角是開路的。現(xiàn)在推導(dǎo)輸出端開路情況下電橋輸出電壓的表達(dá)式。12131415圖2-4 直流電橋從ABC半個電橋來看，AC間的電壓Ea，流經(jīng)R1的電流為（2-9）因此 （2-10）同理 （2-11）故電橋輸出電壓為（2-12）設(shè)電橋各橋臂相應(yīng)電阻增量分別為R1、R2、R3、R4，則由式（2-12）得直流電橋的電橋輸出電壓UO+UO為（2-13）在測試前一般先將電橋調(diào)平衡，即UO=0。當(dāng)被測試件變形時應(yīng)變片感應(yīng)應(yīng)變，電阻值發(fā)生變化，使電橋輸出不再為零。由UO=0推得R1R4=R2R3，并考慮到 很小， 的二次項可以略去，整理得（2-14）在應(yīng)變設(shè)計中R1=R2和R3=R4，故式（2-14）變?yōu)?(2-15)由于 遠(yuǎn)小于1，因此可得到輸出電壓增量與電阻變化率近似線性關(guān)系（2-16）設(shè)各應(yīng)變片的靈敏系數(shù)均相等且為KI，各應(yīng)變片的應(yīng)變量分別為1、2、3和4，則將其代入（2-16）可得電橋輸出電壓與被測應(yīng)變的關(guān)系 （2-17）2.5.2測量電橋的幾種接線方法1 單臂測量接線法單臂測量接線法，R1為工作應(yīng)變片，R2為溫度補償片，其阻值和R1相等，R3R4是固定電阻。未加應(yīng)變之前，R1=R2=R3=R4。工作應(yīng)變片感受應(yīng)變?yōu)椤８鶕?jù)式（9）可得電橋輸出電壓增量UO為1617 （2-18）2 半橋測量接線法電橋的兩個橋臂AB和BC上均接工作應(yīng)變片，并兩個應(yīng)變片分別承受大小相同而極性相反的應(yīng)變，即1=，2=-，所產(chǎn)生的輸出電壓增量UO為1617 （2-19）3 全橋測量接線法在測量電橋的四個橋臂上全部接上電阻應(yīng)變片，稱為全橋測量接線法，其中四個應(yīng)變片承受相同的應(yīng)變，且滿足如下關(guān)系：1=，2=-,3=-，4=,則電橋所產(chǎn)生的輸出電壓增量UO為1617 （2-20）第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計本動態(tài)應(yīng)變測試儀由中央處理單元、電源模塊、信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、通訊模塊、鍵盤模塊和LCD顯示模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。電橋2程控濾波多路開關(guān)A/D轉(zhuǎn)換AT89C52PC顯示按鍵電橋1程控放大電源模塊圖3-1 系統(tǒng)總體框圖應(yīng)變信號經(jīng)過應(yīng)變片將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電信號，并由測量電橋獲取該信號。測量電橋產(chǎn)生的微弱信號經(jīng)程控放大器放大后，再由程控截止頻率濾波器進(jìn)行濾波，獲得的為模擬信號，該信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，送入AT89C52單片機進(jìn)行處理。AT89C52單片機對信號進(jìn)行處理之后將結(jié)果送入LCD顯示模塊，或通過串行通訊模塊傳輸?shù)缴衔粰C作進(jìn)一步的處理。另外可以通過鍵盤輸入、調(diào)節(jié)參數(shù)。電源模塊將220V的交流市電經(jīng)整流、濾波和穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需的不同電壓等級的直流電源，給各個模塊供電。3.1中央處理單元中央處理單元是整個系統(tǒng)的核心，其處理速度的快慢、存儲能力大小是其重要的性能指標(biāo)。本設(shè)計中采用單片機作為中央處理單元。1819本課題設(shè)計的動態(tài)應(yīng)變測試儀的測量對象的頻率并不高。為了盡可能的減少外圍芯片數(shù)量，提高系統(tǒng)的運行和維修方便以及系統(tǒng)的可靠性，選擇的單片機應(yīng)具有方便的可擦除的EPROM和一定數(shù)量的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器。經(jīng)考慮，我采用了與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51系列單片機兼容的ATMEL生產(chǎn)的AT89C52型號單片機。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器（ROM）和256字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)。它主要有以下功能特性： 兼容MCS51指令系統(tǒng) 8k可反復(fù)擦寫(1000次）Flash ROM 32個雙向I/O口 256x8bit內(nèi)部RAM 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 時鐘頻率0-24MHz 2個串行中斷 可編程UART串行通道 2個外部中斷源 共8個中斷源 2個讀寫中斷口線 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能203.2電源模塊測量電橋的作用是把應(yīng)變片的應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換成電信號。由測量原理公式知電橋電壓的精度將直接影響一起的測量精度，一般電源提供的電壓信號波動性較大，不能直接作為電橋電源，必須經(jīng)過穩(wěn)壓措施。本設(shè)計中，采用LM7805CT、LM7815CT、LM7915CT集成穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓器件。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。電路如圖3-2所示。圖3-2 穩(wěn)壓電源電路原理圖該電路由電源變壓器（外置）、橋式整流電路、電容和固定式三端穩(wěn)壓器組成。220V交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路和輸入端濾波電容的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器的Vin和GND兩端形成一個并不穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動和負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過集成穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓和輸出端濾波電容的濾波便產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源不僅可以作為測量電橋的電源，也可以作為TTL和單片機電路的電源。集成穩(wěn)壓器LM7805CT的輸出電壓為+5V、LM7815CT 的輸出電壓為+15V、LM7915CT的輸出電壓為-15V。為避免模擬信號和數(shù)字信號產(chǎn)生回路，模擬電源和數(shù)字電源相互獨立連接。3.3 電橋選擇電路由于系統(tǒng)設(shè)計要求為雙通道，所以，該儀器應(yīng)具備通道選擇功能。該功能通過4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)芯片CD4052實現(xiàn)。圖3-3 CD4052引腳圖表3-1 CD4052引腳功能說明引腳號符號功能1，2，4，5IN/OUTX通道輸入/輸出端11，12，14，15IN/OUTY通道輸入/輸出端9，10A,B地址端3OUT/INY公共輸出/輸入端13OUT/INX公共輸出/輸入端6INH禁止端7VEE模擬信號接地端8Vss數(shù)字信號接地端16VDD電源+CD4052是一個差分4通道數(shù)字控制模擬開關(guān)，有A、B兩個二進(jìn)制控制輸入端和INH輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.520V的數(shù)字信號可控制峰峰值至20V的模擬信號。例如，若V DD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5則05V的數(shù)字信號可控制-13.54.5V的模擬信號，這些開關(guān)電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內(nèi)具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關(guān)，當(dāng)INH輸入端=“1”時，所有通道截止。二位二進(jìn)制輸入信號選通4對通道中的其中一對通道，可連接該輸入至輸出。表3-2 CD4052真值表輸入狀態(tài)選通通道INHBA000X0,Y0001X1,Y1010X2,Y2011X3,Y31*NONE硬件連接電路圖如圖3-4所示圖3-4橋路選擇電路原理圖本設(shè)計電路圖中，CD4052控制輸入端B恒為0。當(dāng)控制輸入端A為0時，選通X0,Y0這一對通道，即選擇橋路1；當(dāng)控制輸入端A為1時，選通X1,Y1這一對通道，即選擇橋路2。而控制輸入端A連接至鎖存器74LS373輸出端Q7。3.4信號調(diào)理電路應(yīng)變信號經(jīng)測量電橋被轉(zhuǎn)換成電壓信號，但是該信號一般十分微弱，并且含有高頻干擾信號。因此，在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，必須對其進(jìn)行信號調(diào)理。信號調(diào)理電路由程控放大電路和程控低頻濾波電路組成。3.4.1 程控放大電路設(shè)計應(yīng)變信號經(jīng)測量電橋被轉(zhuǎn)換成電壓信號。由于該信號較弱，必須經(jīng)過放大，為減弱放大電路對測量電橋的影響，該放大電路應(yīng)具有高輸入阻抗的特性，同時也應(yīng)具有低漂移、較高的精度和較強的抗干擾能力。我選用AD公司生產(chǎn)的AD524作為放大原件，它具有高精度、高輸入阻抗、較強的抗干擾措施和接線簡單等優(yōu)點。(1) AD524的基本結(jié)構(gòu)和工作原理AD524是美國ADI公司推出的一種適用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精密儀表放大器，具有109的高輸入阻抗，能有效的抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對稱引入的誤差；單位增益帶寬25MHz，適用于寬頻帶測量系統(tǒng)；共模抑制比高達(dá)120 dB，等效輸入噪聲小于0.3Vp-p；輸入失調(diào)電壓的溫度漂移只有0.5V/，