双通道动态应变测试仪软硬件设计.docx

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双通道动态应变测试仪软硬件设计

本科毕业设计（论文）

题目：

双通道动态应变测试仪软硬件设计

学院：

机械工程学院

专业：

测控技术与仪器

班级：

测控0602

学号：

200602540228

学生姓名：

郑来

指导老师：

季行健

提交日期：

2010-6-21

双通道动态应变测试仪软硬件设计

学生姓名：

郑来指导教师：

季行健

浙江工业大学机械工程学院

摘要

本文介绍了基于微机的动态应变仪软硬件研究与设计，可以实现应变信号采集、运算、显示等功能，并采用RS232串行方式与上位机通讯，将数据传输到上位机作进一步处理。

针对微弱信号在硬件选择上和软件方面采用相应方法来提高精度和抗干扰能力。

本系统在硬件上采用与MCS-51系列单片机兼容的单片机AT89C52为核心，由中央处理模块、信号调理模块、数据采集模块、人机接口模块和电源模块五部分构成。

软件由上位机软件和下位机软件两部分构成。

本测试仪器具有测试动态应变量、静态应变量和频率等功能，适合与多种工程应用。

关键词：

单片机动态应变测量惠斯登电桥微机通讯电桥选择自动校零

HardwareandSoftwareDesignof

Dual-channelDynamicStrainTestingInstrument

Student:

zhenglaiAdvisor:

Xingjianji

CollegeofEngineering

ZhejiangUniversityofTechnology

Abstract

Reseachonthedynamicstraintestinginstrumentbasedonmicro-computercommun-icationisintroducedinthisarticle,theinstrumentcanrealizethestrain’ssignalcolletion,operating,displayandsoon,andcommunicatewithuppercomputerinasynchronismser-ialcommunication,Transportthedatatouppercomputerforfurtherprocessing.introduced.Inhardwareandsoftwareweadoptdifferentmeasuretoimproveprecisionandabilityofanti-jamming.

Inhardware,AT89C52compatiblewithMCS-51isthecenterofthedynamicstrai-ntestinginstrument.Thesystemincludecenterprocessunit,signalconditioningmodules,signalcollectingmodules,monitorinterfacemodulesandpowersupplymodules.Thesys-temsoftwareiscomposedofdown-computersoftwareandupper-computersoftware.

Thetestinginstrumenthasthefunctionoftestingstaticstrain,dynamicstrain,freque-ncyandsoon,suitedtoavarietyofengineeringapplications.

Keywords:

MCS,dynamicstrainmeasurement,wheatstonebridge,micro-computercommun-ications,bridgeselect,automaticzero

表列

表1-1SDY2101通用型动态应变仪性能参数4

表3-1CD4052引脚功能说明15

表3-2CD4052真值表16

表3-3控制输入端值与选通通道关系20

表3-4控制输入端、选通通道、阻值、截止频率四者关系24

表3-5AD574控制信号功能表26

表3-6按键位置与输出键值关系27

表3-7并行接口说明29

表4-1串行通信协议44

图列

图1-1DRC-3410数字高速动态应变仪背面板3

图1-2VisualLOG软件界面3

图1-3SDY2101型通用动态应变仪4

图1-4西格玛（sigmar）手持式动、静态应力测量仪5

图2-1金属电阻丝应变效应6

图2-2金属电阻应变片的结构8

图2-3常用应变片的形式9

图2-4直流电桥10

图3-1系统总体框图13

图3-2稳压电源电路原理图14

图3-3CD4052引脚图15

图3-4桥路选择电路原理图16

图3-5AD524基本结构图17

图3-6仪表放大器工作原理图18

图3-7AD524外部电阻连接电路图19

图3-8AD524硬件连接图20

图3-9程控滤波器硬件连接图21

图3-10单位增益二阶压控电压有源低通滤波器22

图3-11幅频特性曲线23

图3-12波形转换硬件连接图24

图3-13输入输出波形25

图3-14AD574引脚25

图3-15AD574硬件连接图26

图3-16键盘接口电路27

图3-17FYD12864-0402B液晶中文显示模块实物图28

图3-18FYD12864-0402B硬件结构框图29

图3-19液晶显示模块接口电路图31

图3-20串行通信接口电路32

图4-1主程序流程图34

图4-2自检程序流程图36

图4-3ROM单字节累加法自检软件流程图37

图4-4RAM非破坏性检测流程图39

图4-5初始化程序流程图40

图4-6动态采样与数据处理41

图4-7静态采样与数据处理41

图4-8量程自动转换控制流程图43

图4-9频率测量程序流程图44

图4-10FYD12864-0402B初始化流程图46

第一章绪论

1.1应变仪的研究背景与意义

随着科学技术的迅猛发展，非物理量的测量与控制技术，已越来越广泛地应用于航天、航空、交通运输、炼金、机械制造、石化、轻工、技术监督与测试等技术领域，而且也正逐步引入人们的日常生活中去。

可以说，测量技术与自动控制水平的高低，是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。

[1]

微弱信号的检测是测量技术中微弱量（如小位移、微振动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流、低电平电压和微流量等）通过各种传感器把非电量转换成电量（电压或电流）[2]。

微弱信号的测量以及分析一直是个难点，如幅值小于10μV的信号，应变测量就是其中的一类。

在自然科学和工程领域的各种科学研究活动中，离不开对研究对象准确有效的测量，这是我们认识客观事物内在联系及变化规律的必要和先决条件。

应变电测法由于其测试廉价、快速、精度高、容易实现数据采集和处理自动化、实用性强等特点，在交通、材料、航空、航天、机械等重要工程领域的研究中，有着广泛的应用。

微型计算机应用技术和信息产业的发展，加快了电测仪器系统向集成化、多功能化、智能化和通用化方向发展，以往传统设计的、功能单一的应变仪已越来越不能满足实际需要。

广泛采用计算机和数据自动采集处理等新技术。

给应变电测技术带来了一场革命。

它加速了力学科学及工程测试数据分析自动化的技术基础。

另外它还能增强观察和提取关键信息的能力，提高研究工作的效率和质量。

[3][4]

1.2应变电测技术的发展

在1856年，W.Thomson在铺设海底电缆时，发现了电缆的阻值随海水深度不同而变化，从而对铜丝和铁丝进行拉伸实验，得出结论:

铜丝和铁丝的应变与其电阻变化成不同的函数关系，且由于应变而产生的微小电阻变化可用惠斯顿电桥进行测量。

这些结论正是应变电测的理论基础，它指出应变可转换成电阻变化并用电学方法测量应变。

1936年至1938年间，E.Simmons与A.Ruge等人制出纸基丝式电阻应变计，并由美国BaldwinLimaHamilton公司专利生产，取它们名字字首命名为SR-4型号。

1952年英国P.Jackson制出第一批箔式电阻应变计。

1954年C.S.Smith发现锗硅半导体的压阻效应，1957年制出了第一批半导体应变计，后来W.P.Mason等人应用半导体应变计制作传感器。

在此以前，已出现用电阻应变计制作的各种传感器，后来还出现其它各种电学传感器，用它们可测量力、压强、荷重、位移和加速度等物理量。

至今各种电阻应变计、半导体应变计品种规格以达二万多种，各种传感器品种繁多，应用范围广范。

[5][6]

1.3应变电测的优缺点概述

应变电测技术的迅速的发展，源于电阻应变计的有其自身的优点：

[7][8]

（1）电阻应变计尺寸小、重量轻，一般不会干扰构件的应力状态，安装（如粘贴）方便。

（2）测量灵敏度高，最小应变读数可达l0-6（微应变μm/m），常温静态应变测量，精度可达1％～2％。

（3）测量应变量程大，一般为1％～2％（l04～2×l04μm/m），特殊的大应变电阻应变计可测量10％～25％（10×l04～25×l04μm/m）应变量。

（4）常温箔式电阻应变计最小栅长为0.2mm，可测量应力集中处的应变分布。

（5）频率响应快，可测量静态到500kHz的动态应变。

（6）测量中输出为电信号，采用电子仪器易实现测量过程自动化和远距离传递，测量数据可数字显示、自动采集、打印和计算机处理。

也可利用无线电发射相接收方式进行遥测。

（7）可在高温、低温（－269℃～+1000℃）、高压（几百MPa）液下、高速旋转（几万r/min）、强磁场和（或）核辐射等特殊环境中进行结构应力/应变的测量。

（8）用电阻应变计配合专门弹性元件可制成各种传感器，用以测量力、荷载、压强、扭矩、位移和加速度等物理量。

这些应变式传感器的测量精度可达0.01％至0.5％，工业上可广泛用于自动化监测控制，商业上普遍用于称重、计量自动化，工程和科学实验中用于实验自动化和控制装置。

后来发展的其它应变传感元件，如电容应变计等，可用于高温结构应变等长期测量，用以制作的各种类型传感器用于测量和控制。

其主要缺点和限制有：

[7]

（1）应变电测方法通常为逐点测量，不易得到构件的全域性应力应变场（分布）。

（2）一般只能测量构件表面上的应变，对于塑料、混凝土等可安装内埋式应变计的构件，可测量其内部应变。

（3）应变计所测应变值是其敏感栅覆盖面积内构件表面的平均应变，对于应力梯度很大的构件表面或应力集中的情况应选用栅长很小的应变计（如栅长为0.2～lmm），否则测量误差较大。

1.4国内外应变仪的研究现状

以前采用交流电桥，结构复杂，需电容平衡，很难实现桥路的自动平衡与自动标定，采用载波放大，相敏检波，主要是当时直流放大器性能不高，因此只能采用交流放大。

直流电桥结构简单，不需要考虑桥路分析电容的影响，因此可实现桥路的自动平衡和自动标定，但电源精度和桥路线路都会影响测量精度，因此在国内直流电桥测量大都用在静态应变中。

在动态应变测量中，国际上大都采用直流供电，测量信号范围已达30KHz，结构简单，精度高。

相应的，中高端应变仪几乎被日、美、德等国所垄断。

在国内，还不能很好地解决测量电路和直流电源精度，测量距离、温度、湿度对实际测量精度有较大的影响等一系列问题。

目前，国内外的静态/动态应变仪的研究，基本上向便携式、多通道、数字化、智能化方向发展。

目前国内应变仪做的比较好的有华东仪器厂，靖江东华，扬州泰司，北戴河兰德公司等，国外有日本东京测器，日本共和，美国NEFF公司等。

[9]

1.4.1国外应变仪研究现状

国外的数字应变仪的基本上在高精度、多通道、集成化方面有优良的产品。

对于动态应变仪，可以达到30个通道以上，而且扩展功能强大。

日本TML公司的最新产品DRC-3410是一台多通道的高速数字动态应变仪，如图1-1所示。

它具有30个测量通道，高速采样频率达1MHz，可测量0～100kHz的应变信号。

存储到内部存储器，并传输到电脑。

内部存储器可根据采样速度自动转换成高速或低速状态，并响应高速波形和进行长时间测量。

配备100BASE-TX的LAN网络接口，传输速度为500kB/s。

DRC-3410高速数字动态应变仪还可以通过网线多台互连，实现通道数扩展。

最高可以同时测量300通道。

图1-1DRC-3410数字高速动态应变仪背面板

应变仪还提供专门的3栅应变花专用接口，与TML公司的专用电缆连接单元B-723相配合，可以方便的进行10个3栅应变花的测试（即30通道）。

应变仪配有的动态测量软件VisualLOG，如图1-2，可以在带网卡的计算机，在windows98/ME/2000/XP等操作平台上使用。

同时，多台应变仪之间可以用网线互连，实现通道数的扩展。

[9]

图1-2VisualLOG软件界面

1.4.2国内应变仪研究现状

与国外的应变仪相比，国内的产品相对来说，通道数相对比较少，一般动态应变仪为6～8通道。

如图1-3为北戴河实用电子技术研究所开发的SDY2101型通用动态应变仪。

图1-3SDY2101型通用动态应变仪

该应变仪采用220V交流供电，通道为2、4、6、8可选，频率响应从直流到80kHz，信噪比≥50dB，线性度误差小于±0.1%，其相应的性能参数如表1-1所示。

表1-1SDY2101通用型动态应变仪性能参数

型号

SDY2101通用型动态应变仪

通道数

2、4、6、8

频响（Hz）

DC-80k

信噪比（dB）

≥50

灵敏度（桥压4V）

1.2V/100（微应变）

校准（微应变）

0,1,2,5,10,20×100

低通（Hz）

10,100,300,1k,10k,F

电桥电阻（欧姆）

60-1000

增益

0,1/20,1/10,1/5,1/2,1

输出（峰值V）

±8.5

供桥电压（V）

2,4,8

应变系数

K=2.0

平衡范围

使用电桥电阻的±1%（±5000微应变）,微调范围±100微应变

平衡方式及时间

自动平衡，平衡时间约2秒

输入阻抗

大于100兆欧姆

线性度误差

小于±0.1%

零点漂移

小于±0.5%F.S（4h）

灵敏度漂移

小于±0.2%F.S（4h）

工作环境

温度：

-10℃-40℃湿度：

≤85%

供电方式

AC22050Hz

外形尺寸

245×150×364

另外国内的动态应变仪现在也向着多通道扩展和手持便携型的方向发展。

多通道扩展如中国建筑科学研究院结构研究所测试室研制的Jwfu－4B型智能动态应变仪，每台动态应变仪设置5个通道，每个通道包括独立的桥压、放大器、A/D转换、数据存储、控制传输等功能。

5通道工作时采样速率为10kHz。

应变仪主机多通道并行实时数据采集、传送、存储、显示，可与计算机通过RS－232口通信并且可扩展通道。

手持便携型如西格玛（sigmar）开发的超小型手持式高速动、静态应力/应变测试仪，具有三个并行通道，有一套具有其自主知识产权的操作软件，可测应力、应变，本身可存储大量测试结果，并可通过USB或Ethernet网口与外界通讯。

它还是一款低功耗便携测试设备，它不需外接别的应变调理设备，即可直接接应变花（片）独立工作，还具有高频动态测试功能。

其内置有锂电池，能确保该设备在现场或野外长时间工作。

其技术参数如下：

1、采样频率：

4.8kHz

2、AD分辨率：

24bit

3、测量频率范围：

160Hz

4、测量辐值范围：

±10000με

5、静态测量精度：

0.1με

6、动态测量误差：

0.1%

7、RAM：

32MB

8、NANDFlash：

256MB

9、USB从口

10、可接全桥、半桥

11、彩色液晶显示（2.0”LCD）图1-4西格玛（sigmar）手持式动、静态应力测量仪

随着模拟集成电路技术、无线电技术、计算机技术以及虚拟仪器技术的发展，动态应变仪也向着远程遥测、虚拟仪器方向发展。

目前已有公司研发了基于蓝牙技术的动态应变测试仪、基于虚拟仪器技术的动态应变仪等。

动态应变仪也将向着智能化、高精度、高速化、网络化等方向发展。

第二章应变仪的测量原理

对于应变测量方法主要有机械式测量法、电阻应变电测量法和光学测量法等几种[10]，其中电阻应变电测量法具有灵敏度高、频率响应快、体积小、可在恶劣的环境工作和可实现遥控测量等优点。

电阻式应变仪是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的仪器，仪器的构造由在弹性元件上黏贴电阻应变敏感元件构成。

当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。

电阻式应变仪是目前在测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数中应用最广泛的仪器之一。

本章主要介绍本仪器的电阻式应变仪应变测量原理。

2.1电阻式应变仪基本工作原理

电阻应变测量法是将应变转换成电信号进行测量的方法，简称电测法。

电测法的基本原理是：

将应变片固定在被测构件上，当构件变形时，电阻应变片的电阻值发生相应的变化。

通过电阻应变测量装置（简称应变仪）可将电阻应变片中的电阻值的变化测定出来，换算成应变或输出与应变呈正比的模拟电信号（电压或电流），用记录仪记录下来，也可用计算机按预定的要求进行数据处理，得到所需要的应力或应变值。

2.2电阻应变片的工作原理

电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。

[11]

如图2-1所示，一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为

（2-1）

式中：

ρ——电阻丝的电阻率；

l——电阻丝的长度；

A——电阻丝的截面积。

图2-1金属电阻丝应变效应

当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为

（2-2）

式中：

dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为

（2-3）

dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得

dA=2πrdr，则

（2-4）

由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令dl/l=ε为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为

（2-5）

式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。

将式（2-3）、式（2-5）代入式（2-2），可得

（2-6）

令

则：

（2-7）

k0—单根金属丝的灵敏系数

根据实验得知：

大多数金属的k0是一个常数，其值随材料不同而异。

可见，金属丝在产生应变效应时，应变与电阻变化率ΔR/R是成线性关系的。

“ε与ΔR/R成线性关系”这是实验与测试技术的一个重要前提。

因此，对于金属电阻应变片有

（2-8）

式中，k—应变片的灵敏系数，由实验求得。

ε—试件的应变，是无量纲的量。

常用微应变“με”表示。

1微应变相当于长度为1米的试件其变形为1微米时的相对变形量，即1με=10-6

2.3应变片结构

金属电阻应变片由敏感栅、引出线、基底、覆盖层组成，用粘贴剂粘贴在一起，如图2-2所示。

敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。

金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式，如图2-2所示。

丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成。

箔式金属电阻应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003～0.01mm，可制成各种形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。

覆盖层与基片将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、保护作用，基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为0.03～0.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。

基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等[11]。

图2-3为常用应变片的各种形式。

图2-2金属电阻应变片的结构

2.4金属电阻应变片的材料

另外，对电阻丝材料有如下要求：

①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；

②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；

③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；

④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；

⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。

康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：

灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。

图2-3常用应变片的形式

2.5应变片的测量电路

通过应变片可以将试件的应变信号转换成电阻变化，通常这种电阻变化是很小的，必须用适当的方法检测电阻微小变化。

为此，需把应变片接入某种电路。

此电路将应变片的电阻变化信号转换成电信号。

常用的电路有三种，即电位计、惠斯登电桥和双恒流源电路。

其中惠斯登电桥结构简单，精度较高等优点。

下面讲述直流电桥的工作原理、以及它的几种组成方法。

2.5.1直流电桥的工作原理

设由四个电阻组成直流电桥如图2-4所示，设电桥各桥臂电阻分别为R1、R2、R3、R4；电桥A、C为输入端，接直流电源，输入电压为Ea，而D,B为输出端，输出电压为UO。

电桥的输出端一般接高阻抗的放大器，这样电桥输出电流很小，可以忽略不计，认为电桥输出对角是开路的。

现在推导输出端开路情况下电桥输出电压的表达式。

[12][13][14][15]

图2-4直流电桥

从ABC半个电桥来看，AC间的电压Ea，流经R1的电流为

（2-9）

因此

（2-10）

同理

（2-11）

故电桥输出电压为

（2-12）

设电桥各桥臂相应电阻增量分别为△R1、△R2、△R3、△R4，则由式（2-12）得直流电桥的电桥输出电压UO+△UO为

（2-13）

在测试前一般先将电桥调平衡，即UO=0。

当被测试件变形时应变片感应应变，电阻值发生变化，使电桥输出不再为零。

由UO=0推得R1R4=R2R3，并考虑到很小，的二次项可以略去，整理得

（2-14）

在应变设计中R1=R2和R3=R4，故式（2-14）变为

（2-15）

由于远小于1，因此可得到输出电压增量与电阻变化率

近似线性关系

（2-1