【文章內(nèi)容簡介】 ②ρ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；  ③ 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； ④ 與銅線的焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢?。? ⑤ 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177。50106/℃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23 常用應(yīng)變片的形式通過應(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。設(shè)由四個電阻組成直流電橋如圖24所示，設(shè)電橋各橋臂電阻分別為RRR 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，認為電橋輸出對角是開路的?，F(xiàn)在推導(dǎo)輸出端開路情況下電橋輸出電壓的表達式。[12][13][14][15]圖24 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（29）因此 （210）同理 （211）故電橋輸出電壓為（212）設(shè)電橋各橋臂相應(yīng)電阻增量分別為△R△R△R△R4，則由式（212）得直流電橋的電橋輸出電壓UO+△UO為（213）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（214）在應(yīng)變設(shè)計中R1=R2和R3=R4，故式（214）變?yōu)? (215)由于 遠小于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（216）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εεε3和ε4，則將其代入（216）可得電橋輸出電壓與被測應(yīng)變的關(guān)系 （217）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)棣?。根?jù)式（9）可得電橋輸出電壓增量△UO為[16][17] （218）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ε1=ε，ε2=ε，所產(chǎn)生的輸出電壓增量△UO為[16][17] （219）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：ε1=ε，ε2=ε,ε3=ε，ε4=ε,則電橋所產(chǎn)生的輸出電壓增量△UO為[16][17] （220）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31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31 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單片機進行處理。AT89C52單片機對信號進行處理之后將結(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。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。本設(shè)計中采用單片機作為中央處理單元。[18][19]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)標準MCS51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)，兼容標準MCS51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024MHz 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[20]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)壓器是一種標準化、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32所示。圖32 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。 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33 CD4052引腳圖表31 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。～20V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=～～，這些開關(guān)電路在整個VDDVSS和VDDVEE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32 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34所示圖34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。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。 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109Ω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120 dB，；℃，能有效的抑制共模干擾引入的誤差，提高信噪比和系統(tǒng)的精度；具有較高的增益以及較寬的增益調(diào)節(jié)范圍。該集成電路可取代分立器件構(gòu)成的儀表放大器，具有線性度優(yōu)良，穩(wěn)定度高，體積小，可靠性高等優(yōu)點。AD524的基本結(jié)構(gòu)如圖35所示。圖35 AD524基本結(jié)構(gòu)圖AD524是在傳統(tǒng)的典型三運放基礎(chǔ)上改進的一種新型儀表放大。儀表放大器的工作原理[21]如圖36所示。圖36 儀表放大器工作原理圖它是一個由三個放大器組成的兩級電路，第一級由兩個對稱的同相放大器組成，第二級為差動放大器。為了提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，電路采用上、下對稱結(jié)構(gòu)，即R1=RR3=RR5=R6 。由電路和電子學(xué)知識得輸出為： （31） （32） （32）由上述3式得 （33） （34） （35） （36）電路總增益 （37）顯然改變Rg的值，可以改變Au的大小。在集成儀表放大器中，Rg為外接電阻。對于共模信號，Ui1=Ui2=Ucm，由式～式有：Uo1=Uo2= Ucm，因此第一級的RRRR4對共模抑制能力無影響。但第二級兩路電子R3和R5，R4和R6的相對誤差將引起電路的不對稱，從而降低共模抑制能力。因此在增益分配上，常取第一級增益為電路總增益，第二級增益為1。(2) AD524增益選擇AD524芯片中集成有精密電阻網(wǎng)絡(luò)，該集成放大器通過內(nèi)部的高精密電阻設(shè)置1，10，100，1000四種增益，并且可通過連接適當(dāng)?shù)脑鲆娑说玫蕉喾N組合的增益值，