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1、各种力测试设备的研制金建中( 上海电动工具研究所上海松宝科技发展有限公司. 2 0 0 0 3 1 )力测试设备是各种力传感器和不同的测力仪组合而成， 它可以测试各种规格的静态拉力、 压力、 扭 力以及动态拉力、 压力、 扭力和转矩. 适用于机电、 铁道、 船舶、 化工、 国防及检测等行业。 尤其是动态转矩 测试设备广泛应用在电动机、 内燃机、 风机、 水泵、 搅拌机、 卷扬机、 钻探机械、 螺旋桨等众多的旋转动力 系统中。 另外在机械加工中心， 自动机床、 电动测试扳手、 粘度机制造行业及标准测量部门也得到广泛应用1 电阻应变式测力传感器LI 测，原理当力作用于测力传感器上时. 传感器发生变
2、形， 在传感器上粘贴着电阻应变片， 只要测出电阻应变值就能测出施加于传感器上力的大小 L2 应变的原理当测力传感器在力作用下， 它主要受被试力的作用， 但在一般情况下. 还可能受到其他力的影响， 温 度也是一个重要的影响因素。因此， 在应变片组成一个电桥时， 一般以测力传感器贴四片应变片组成一 个全桥( 惠斯顿电桥) 来消除被测力以外的各种因素影响。直流电桥输出s U.二 一 17 O R 14 R 1 一 A R 2R 2 +实际上， 测量电桥一般均采用等臂电桥( 即R 1 =R 27R3 9 R4 R3 R4= R:3 二R4)四个桥臂是全部参加测量的应变片。( 1 ) 电阻应变片的测量原
3、理电阻应变片简称应变片， 它是由四个部分组成: ,J电阻丝( 敏感栅) ， 它是应变片的转换元件; 基底 与面胶， 基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质. 并起到电阻丝与弹性之间的 绝缘作用， 面胶起着保护电阻丝的作用; 枯合剂 它将电阻丝与基底粘贴在一起; 引出线 作为联接测受导线用。工作原理是电阻丝承受拉力后， 长度增加， 截面积减小. 电阻率也因品格的变化而改变， 从而引起电阻的变化， 电阻值的变化反映了力的大小。电阻应变片初始值: * 一 * 今式中 P 材料电阻率;L -应变片基长;八 栅的截面积。只要我们将应变片的弹性体贴在一起， 就可以将弹性体的应变值通过应变
4、片转换成电阻量的变化。 由于弹性体材料服从虎克定律， 即弹性体的变化与力成线性关系. 而电阻量的变化又与弹性体的变化成 线性关系， 我们又把应变电阻组成一电桥 所以， 电阻的变化与电压成线性关系。 由此可得: 电压量的变化与力的变化成线性关系。( 2 ) 应变片电阻温度补偿粘贴于试件上的应变片由于环境温度变化， 它的组织也将变化. 称为温度效应此时的输出为虚假一1 15 1 一应变， 必须子以消除 因此， 在测量过程中采取补偿措施， 消除温度引起的误差。 常用得方法是用一种温 度系数较大， 符号与电阻丝温度系数相反的材料， 把它和电阻应变片串联在一起， 制成自补偿应变片 例 如康铜丝有负的电阻
5、温度系数， 应变片电阻有正的温度系数， 将它们串联起来， 并使:R , a 。 十( 刀 一 刀) K I A ， 一凡a l - l t 二。式中R . 一 康铜丝阻值;a一 康铜丝的电阻温度系数;尺.， - 一铜丝的阻值;a - 一应变片的电阻温度系数;a . 试件材料的线膨胀系数;八 一 敏感材料的线膨胀系统这样两种电阻丝处于同一种温度场， 易达到温度补偿的目的。日前我们所用的压力传感器、 拉力传感器、 扭力传感器等内部都贴有四片应变箔电阻. 构成一电桥。 电桥被加上一恒定的电压， 传感器不受力时， 桥路上输出为零; 若传感器受外力而产生变形， 桥路输出就 产 1一 毫伏级的电压值， 该
6、值就对应于某一力的大小另外传感器内部还有温度补偿电阳， 使输出更稳定2 测力数显仪2. 7 c / ) 8 V可调供桥稳压电源测力传感器内应变电阻组成的电桥电路需要一稳压电源， 由于传感器应变片的电阻值为3 5 0 1 2 ， 因 此要求供桥电源在7 c / ) 8 V之间某一稳定值， 此稳压电源称为供桥稳压电源。改变供桥电源的大小也就 是改变传感器输出量的大小， 因此可以用电位器调节供桥电源的电压值来调整测力传感器的满度值。图 , q 调供桥Q1 I、 电源根据以上要求， 我研制成如图1 所示的7 c / ) 8 V可调的供桥稳压电源。 该电路具有凋节范围宽、 精度高、 调试方便、 输出电压
7、稳定等特点。图 1 中D 为 2 D W2 3 2 稳压管， 它产生 6 . 2 V高稳定性的基准电压送人运算放大器A进行电压放大， 然后 供 桥送 到 功 率三 极 管B G放大 功 率， 三 极 管 输出 的 电 压即 为供桥电压。 图中W可用来调节供桥电源的大小; R 1 , R 2为比例放大电阻， 改变该电阻比值可改变供桥电源电压范围的大小 R 3 , R 为限流电阻: D 1为保护二极管: C为滤波电容2 . 2 差动放大电路由3 = 测力传感器的输出信号为毫伏级电压， 而八/ D 转换电路需要伏级电压， 因此必须将传感器信号进行放 大。r ; 外为了抑制共模干扰产生的测量误差. 采
8、用差动 输人比例放大电路。 高精度高增益运算放大器将测力传 感器输出电压1 放大成I T , =K(， 式中 h为放大系 数， 改变K的大小用来调整输出的电压值， 即满度粗 调h= R I / R 2 , R 2 为调零电位器， C是为提高稳定性 而增加的图2 所示为差动比例放大电路。2 . 3 A / ll转换技术双积分A/ D转换是一种间接 八/ 1 ) 转换技术 首先将模拟电压转换成积分时间， 然后用数字脉冲计时方法I 钊f l i 感 器输乙 r . 动放大电路I I 电1 卜 . I , 放大器输出电日转换成计数脉冲数 最后将此代表模拟输人电压大小的脉冲数转换成二进制或B C D码输
9、出。 因此， 双积分式n / D转换时间较长， 一般要大于a 0 c / ) 5 0 m s( 1 ) 7 1 0 7 n / D转换电路I C 1 . 7 1 0 7 是美国I n t c r s i t 公司产品， 3 位半精度， 采用大规模C MO S集成电路 使用方便， 可靠性 好， 并有以下优点: 忿芯片内设有自稳零线路， 保证零信号时读数为零， 整机一旦调试完毕， 使用时无须 调零; 芯片内设有极性识别线路， 即使在零信号附近也能正确显示信号极性， 使用时不需要考虑输人 信号极性; ; 芯片内设有时钟电路. 它可以用成本最低廉的R C网络产生时钟， 也可以用频率稳定性高 的石英晶体
10、进行振荡泛二 7 1 0 7 电路盯直接驱动数码管L E D ， 无须另加驱动器件。图2 是用 7 1 0 7 组成的 八 / D转换电路， 它适合精度在1 %以 下的测力数显仪中 使用。( 2 ) 7 1 3 5 八 / D 转 换 电 路沂 挤监 “ 、对于测量精度在。5 %以上的测力数显仪 可选用 + 5 V I C 1 . 7 1 3 5 高精度C MO S单片A/ D转换器。I C L 7 1 3 5 是 全M O S 工艺4 位半双积分八 / D转换， 并输出自动极性 判别信号。它采用了自校技术， 可保证零点在常温下的 长期稳定性， 模拟输人可以是差动信号， 输人阻抗高. 另 外它
11、的输出与T 丁 I 。 相容， 因此能很方便地与单片机系列直接连接。7 1 3 .1 工作原理厂 J采样阶段在一个固定的时间( 固定的时钟周期数) 内， 让被测( ) S f 二 1( 1 5 0 2(1S,3TF : S I l l F . F + BEF -吸 : +COMI N +I N 一A/ 7 .BUF FI NTV一G2C 3A3G3CNnPJPIE 173IKR22KII,sv11 4I M f l筑1 1v+l)l臼川们fl(;l曰I)ZCZ眨舰儿EZ阴们曰幻BP OL1 lq 37 1 U 7 t i t 成的 A/ D转换Q路电压通过积分电阻对积分电容充电， 这个阶段又称
12、信号阶段 所用的时钟周期数对于不同型号的八 / D 芯片是不同的， 但都是一个固定数， 7 1 3 5 的时钟周期数为1 0 0 0 0 0 比较阶段八 / D转换器在进人比较阶段时， 断开输人端被测电压， 将积分器输人端接到与输人电压极性相反 的基准电压上， 让积分电容放电， 直至放电到零电平. 这个阶段又称消除积分阶段， 该阶段可经历的时钟 周期个数就是输人模拟电压的八 / D转换值。7 1 3 5 双积分型转换器有一个八 / D转换阶段状态输 出引脚B U S Y. B U S Y为高电平时， 表明A / D转换器处 在信号积分和消除积分阶段， 也就是说 A / D转换器信 号积分开始时
13、刻. B U S Y跳到高水平。这个电平一直持 续到消除积分阶段结束， 即积分电容上电压返回零， 并 且过零后第一个时钟脉冲为止才跳回低电平 因此利用 这个输出状态可以方便地测量出A /D 转换器处于信号 积分和消除积分两阶段所经历的总时钟周期数. 将其减 去八 / )转换器信号积分所需要的固定周期数和一个过 零时钟脉冲. 就得到八 / D转换值， 即转换值一B U S Y高 电平期间总周期数一1 0 0 () 1图1 7 1 3 5 组成的AA ) 转换电路图1 是用7 1 3 5 组成的A / D转换电路， 用共阳极L E D数码管显示。 24 峰值保持电路设计本仪用单片机对C 峰值进行数
14、据采集， 必须有相应的峰值保持电路， 笔者根据实际需要设计 了 图:) 所示的峰值保持电路， 这样就可实现各种力的峰值测试 图中， 1 ， 以倒相方式工作. 如果U 超过了一厂 的绝对值， 那么I % , 降低使二极管D , 导通 八; 、 八 两个运算放大器进行反馈 所以使得U .,z =U 而月 : 接成倒相器 因此月 。 的输出L I A =I由于通过， 。 如果输1 5 3人的电压r ; ; 达到峰值U ,m 。 后下降， 则r 几 : 上升， 于是二极管D , 被反向偏置， 但U l l 只能上升到使二极管 I ) ， 导通， 并为A 提供反馈时为止。 由于电容C不能通过D 或A 放
15、电， 输人电压U r 的倒相峰值将继续 存储在C上， 从而使U , =叭。 . 、 。 在保持一个新的峰值开始之前电容将通过开关S放电， 这既抵消了二极管D ， 的正向电压， 又避免了A , 的饱和， 从而提高了测试精度。图5 峥1 h 保持电路U，一 差动放大器愉出电压 I ) 峰谊电压2 . 5 甚本型测力数显仪综上所述， 就可实现基本型测力数显仪。它是由可 调供桥稳压电源、 测力传感器、 模拟信号放大电路、 A I D 转换及数显电路组成。工作原理: 可调供桥电源提供一高稳定性稳定电 源， 供给测力传感器内部电桥电路. 传感器不受力时输 出为零。 当传感器受力时电桥输出一模拟信号送放大电
16、 路放大后进行， 、 / 0转换， 转换数字量后通过数码管显示所测力的大小。基本型测力数显仪只要配上不同的测力传感器就可以组成不同用途的测试仪， 日前所研制的产品如下 : 若测力传感器是扭力矩传感器就可以组成扭力仪、 扭矩校验仪、 电机堵转测试仪; 若测力传感器是压力传感器并配上专用试验架就可组成千斤顶校验仪; 若测力传感器是S型拉压力传感器就组成拉压力测试仪; 若测力传感器是梁臂式传感器装在电机测功机加载器上就可实现电机转矩的测试。2 . 6 智能型测力数显仪智能犁测力数显仪就是在基本型测力数显仪的基础上增加了单片机系统及有关接口电路就可实 现。现介绍I C L 7 1 3 5 双积分A I D转换器与8 0 3 1 单片机三线连接技巧。MC S 8 0 3 1 单片机有两个独特的定时/ 计数器7 。和T1 。在定时计数器运行时， 可以由控制字 T M O D确定其受万万 西 的电平控制， 即当 定时/ 计数器运行控制位丁 R 0 =“ 1 “ , T M O D中G A T E =“ 1 “ , C
