智能金屬絲微小形變量的測量儀

徐翠艷 王超 劉鵬翔 朱浩洋 關(guān)詩文

摘? 要：設(shè)計制作一種智能化金屬絲微小形變量測量儀，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，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入到單機片中，完成后顯示在LCD12864顯示屏上。因為被測量的彈性模量在不同溫度下的數(shù)值不同，該裝置可以測量壓力、形變量、實時溫度的顯示功能。

關(guān)鍵詞：微小形變測量;胡克定律;惠斯登電橋;壓力傳感器

中圖分類號：TH823? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0019-02

1 研究的目的和意義

微小形變量的測量方法比較多，所需的知識也比較廣，有光的干涉法，也有千分表法和顯微放大法。目前在實驗室測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)相對較難，測量精度較低。光的干涉法的測量精度比光杠桿法高，配合計算機技術(shù)和圖像處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)自動化的高精度測量，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)實驗中，測量微小形變量是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實驗中用光杠桿放大法測量微小形變量，這種方法操作難度大，測量結(jié)果精度不高。

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

2 設(shè)計原理

為了測量鐵絲微小形變量，主要利用胡克定律

（F=K*X），通過絲狀材料受力發(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）測量其形變量。

實驗儀器與裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1。

3 實驗方法

當被測材料受拉力時，壓力傳感器產(chǎn)生力電效應(yīng)，將被測材料所受拉力轉(zhuǎn)換為與被測材料拉伸長度成一定函數(shù)關(guān)系的電信號。該電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入到單片機中，經(jīng)過單片機完成運算后顯示在LCD12864顯示屏幕上。因為被測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。鍵盤由4X4位矩陣鍵盤組成，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上顯示，也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖銛y終端進行同時顯示。顯示最小拉伸量為0.001mm，分度值為0.001mm。該裝置具有測量拉力、形變量、實時溫度的顯示的功能。

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)時鐘振蕩器等其它同類型芯片需要的外圍電路，具有抗干擾能力強，響應(yīng)速度快的優(yōu)點。同時擁有電壓放大能力，省去了電壓放大模塊，對整機的簡潔性、可靠性都有提高。

數(shù)據(jù)處理部分采用的單片機為STC公司生產(chǎn)STC89C52芯片。安裝兩塊STC89C52芯片。一片作為發(fā)射機，一片作為接受機。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存儲器，同時STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，經(jīng)濟實用。

數(shù)據(jù)顯示部分采用LCD12864顯示屏，在顯示屏上可以同時顯示待測材料形變量、拉力、溫度。無線傳輸電路采用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：（1）低工作電壓。（2）高傳輸速率，降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象。（3）體積小巧。（4）功耗低。（5）傳輸距離遠。

4 數(shù)據(jù)測量與分析

如表1，當溫度為室溫時，測得鐵絲的形變量并且通過無線傳輸模塊直觀的顯示在屏幕上。測試時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，所以測量時盡量在同一溫度環(huán)境下進行。

5 結(jié)論

該裝置以單片機為核心，采用四個應(yīng)變片作為壓力傳感器，同時使用24位高精度A/D，實現(xiàn)測量微小固體形變量的功能，具有顯示直觀、靈敏度高、精準的優(yōu)點。在生產(chǎn)生活實際中可實現(xiàn)較大范圍的應(yīng)用。同時由于外界環(huán)境變量較多，導(dǎo)致該探測裝置有稍微的誤差。在以后的應(yīng)用中可根據(jù)實際情況進一步改進。

參考文獻：

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