CN103398807B - 一种新型三维应力测量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型三维应力测量传感器，包括机械本体和硬件电路；所述的机械本体由金属空心弹性体和电阻应变片组成，机械本体埋于沥青混凝土中，电阻应变片有三组，分别用于测量所受应力在X、Y、Z方向上的分量，每组有4个电阻应变片，当有应力作用在金属空心弹性体上时，每组应变片中两个受拉两个受压，应变符号相反；硬件电路包括差动式惠斯登全桥电路、调零电路、放大电路、采集模块、数字滤波模块、通信模块以及电源电路；三组应变片分别组成三路差动式惠斯登全桥电路，每一路差动式惠斯登全桥电路都外接一个调零电路；三路差动式惠斯登全桥电路的输出经放大电路、采集模块，数字滤波模块，通讯模块与PC机通讯。

Description

一种新型三维应力测量传感器

技术领域

本发明涉及传感器及检测技术，尤其涉及在道路工程上进行路面内部应力检测的传感器。

背景技术

过去对于沥青路面的研究大多停留在材料试验的层面，而对其结构性能的研究，特别是对于沥青混凝土路面结构内部的力学理论研究不多，现有的研究也只停留在理论分析层面上，对依靠传感器的路面结构试验研究少之又少，现有研究的压力传感器大多数是实现单维传感功能，但是要想准确分析沥青路面内部的应力，必须使传感器具有多维传感能力，至少是精确测量x、y、z三个方向的应力。

现有道路行业沥青路面内部应力检测的设备有光纤光栅应力传感器、超声波传感器、水泥基压电传感器和电阻应变计式传感器，但是国内外将光纤光栅应力传感器和超声波传感器应用于实际土木工程结构检测的研究才刚刚起步，在许多方面都还存在着一些需要解决的问题，例如成本高，相容性差，易受外界环境干扰等，而且检测设备一次性投入比较大，大大制约了它的推广速度。水泥基压电传感器只能测量动态的应力，而且许多因素对水泥基复合材料的性能影响规律及机理还不是特别清楚，还有待于深入研究。现有的电阻应变计式传感器，如‘工’字型的沥青混凝土应变传感器结构尺寸过大，用于测量体积较大的实际道路可以较好的实现其测量功能，而且该传感器只能测量沥青混凝土内部水平方向上的应力。

发明内容

本发明是研究并设计一种道路工程用的三维压力传感器，要能够测量沥青混凝土路在荷载作用下x、y、z三个方向的应力响应。为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种新型三维应力测量传感器，包括机械本体和硬件电路；所述的机械本体由金属空心弹性体和电阻应变片组成，机械本体埋于沥青混凝土中，电阻应变片有三组，每组包括4个电阻应变片，两个电阻应变片为一对，分别贴于金属空心弹性体一个面的内外两侧，两对电阻应变片分别贴于金属空心弹性体相对的两个面上，第一组电阻应变片用于测量所受应力在X方向上的分量，第二组电阻应变片用于测量所受应力在Y方向上的分量，第三组电阻应变片用于测量所受应力在Z方向上的分量；当有应力作用在金属空心弹性体上时，其上面粘贴的电阻应变片会发生拉伸或收缩，其电阻值发生相应的变化，两个受拉应变，两个受压应变，应变符号相反；硬件电路包括差动式惠斯登全桥电路、调零电路、放大电路、采集模块、数字滤波模块、通信模块以及电源电路；三组应变片分别组成三路差动式惠斯登全桥电路，每路差动式惠斯登全桥电路中的四个桥臂上分别接对应电阻应变片组中的四个应变片，两个应变符号相同的接入相对桥臂上，将所受应力转换为电量输出；调零电路由电位器R₅和电阻R₆构成，电位器R₅的电阻体跨接在差动式惠斯登全桥电路输入电源之间，电阻R₆一端与电位器R₅的移动端相连，另一端与差动式惠斯登全桥电路的一个输出端相连，通过调节电位器R₅使电桥达到平衡；每一路差动式惠斯登全桥电路都外接一个调零电路；三路差动式惠斯登全桥电路的输出经放大电路放大；放大后的三路信号输入采集模块实现模数转换，然后经过数字滤波模块滤除脉冲干扰信号，接下来通过通讯模块与PC机通讯，并在PC机上进行实时动态显示；PC机控制采集模块进行AD转化和数据处理，电源电路为硬件电路中的各组成部分提供电源。

每组应变片分别组成差动式惠斯登全桥电路，电桥中的四个桥臂上全部接工作应变片，采用这种组桥方式不仅可以提高电桥的灵敏度，而且由于各臂的参数一致，各种干扰的影响可以相互抵消。

测量前，必须先使电桥处于平衡状态，即电桥输出为零。但由于应变片电阻值总有偏差，接触电阻，导线电阻等存在，往往电桥不能达到平衡，因此需设置预调平衡电路。常见的调零方法有并联电阻法和串联电阻等方法，其原理都是使电桥中的四个桥臂电阻满足R₁R₃=R₂R₄关系。但并联法和串联法需要测量应变电桥中四个应变片的电阻值，然后将电阻并联到其中最大的电阻上或将电阻串联到最小的电阻上，方法比较复杂。本发明设计的调零电路采用图3所示的星形法，简单方便，只要调节电位器R₅，就可以使电桥达到平衡，不存在上述的问题。

现实中测控系统的测量通道难免会窜入各种各样的干扰，从而使AD送入计算机中的数据存在误差，常用的抗干扰措施有硬件抗干扰电路和软件滤波的方法。相比于硬件抗干扰电路，软件滤波不需要增加硬件设备，不存在阻抗匹配、特性波动，非一致性等问题，而且只要适当的改变程序的有关参数，就能改变滤波的特性，使用方便灵活。

常用的软件滤波技术有算数平均滤波、去极值平均滤波、加权平均滤波和滑动均值平均滤波等，为了提高滤波的效果，尽量减少噪声数据对结果的影响，

所述的放大电路采用两级放大，第一级采用仪表放大器将差动信号转换成单端信号并放大，第二级放大电路采用普通的集成运算放大器构成同相放大器

所述的金属空心弹性体为L型空心弹性体，其中L型一边的上下表面各贴一对电阻应变片，用于测量所受应力在Y方向上的分量，四个电阻应变片的中心点同轴，且穿过表面积小的面的中点；L型另一边的四个侧面上分别各贴一对电阻应变片，位于相对两个侧面上的电阻应变片为一组，分别用于测量所受应力在X方向上和Z方向上的分量，且8个电阻应变片的中心点位于同一水平面上，这个水平面穿过纵向高度最小的侧面的中心点。

有益效果

1、与上述的其他发明相比，本发明设计的传感器具有结构简单、易于加工的机械结构，有效地降低了制作成本，而且对于沥青路面结构试验具有重要实用价值，为路面结构设计理论的完善提供了一个有力的工具，对于加快我国高速公路沥青混凝土路面的建设步伐，提高路面使用性能，提高工程质量具有十分重要的指导意义。

2、本发明实现了非线性补偿。将电桥四臂接入4片应变片，及两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路，不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。

3、实现了温度补偿。从应变电桥的组桥方式上考虑温度补偿方法，具体的实现过程是，组成电桥的四个桥臂都接电阻应变片，每个电阻应变片都受压力的作用产生变形，都会有电阻变化。每一组电阻应变片都组成全臂差动电桥，这样就可以利用差动电桥的特性，消除温度误差干扰。

4、调零功能设计星型法调零电路，通过调节电位器R5即可实现当路面不承受车辆荷载时，传感器的输出为零。

附图说明

图1、本发明系统框图；

图2、本发明机械本体结构示意图；

图3、差动式惠斯登全桥电路及调零电路；

图4、上位机软件程序流程图；

图5、下位机软件程序流程图；

具体实施方式

传感器的机械结构由不锈钢空心弹性体和三组共12片电阻应变片组成，传感器竖直埋于沥青混凝土，当车辆行驶到埋设传感器的路面部分时，其空间的三维应力会使不锈钢弹性体发生相应的变形，其内外表面粘贴的电阻应变片也会跟着发生变形，其电阻值会发生。变化不锈钢空心弹性体采用L型空心弹性体，如图2所示，电阻应变片9和10为一对，贴在L型空心弹性体一边上表面的内外两侧，电阻应变片11和12为一对，贴在下表面的内外两侧，这两对电阻应变片构成一组，用于测量垂直作用于电阻应变片的应力，即三维应力在Y方向上的分量，当电阻应变片10受压应变时，电阻应变片11受拉应变，电阻值发生相应的变化，应变符号相反，四个电阻应变片的中心点同轴，且穿过上表面的中点；电阻应变片1、2、3、4构成一组，用于测量垂直作用于电阻应变片的应力，即三维应力在Z方向上的分量，电阻应变片5、6、7、8构成一组，用于测量垂直作用于电阻应变片的应力，即三维应力在X方向上的分量，电阻应变片1、2、3、4、5、6、7、8的中心点位于同一水平面上，这个水平面穿过纵向高度最小的侧面的中心点，即右侧面的中心点，这样可以保证受力比较均匀。

三组应变片分别组成三路差动式惠斯登全桥电路，每路差动式惠斯登全桥电路中的四个桥臂上分别接对应电阻应变片组中的四个应变片，如图3所示，两个应变符号相同的接入相对桥臂上，如贴于上下表面外侧的电阻应变片10和12都受到压应变或拉应变，应变符号相同，它们接入相对桥臂上，将所受应力转换为电量输出；调零电路由电位器R₅和电阻R₆构成，电位器R₅的电阻体跨接在差动式惠斯登全桥电路输入电源之间，电阻R₆一端与电位器R₅的移动端相连，另一端与差动式惠斯登全桥电路的一个输出端相连，通过调节电位器R₅使电桥达到平衡；每一路差动式惠斯登全桥电路都外接一个调零电路；差动式惠斯登全桥电路的输出经放大电路放大，放大电路采用两级放大，第一级采用AD620仪表放大器将差动信号转换成单端信号并放大，第二级放大电路采用普通的集成运算放大器LM358构成同相放大器；放大后的三路信号经过滤波电路后输入自带8路10位高速AD转换器的单片机STC12C5A32S2，之后为了消除偶然性出现的脉冲波动干扰，采用数字滤波的方式，本实施例中的软件滤波采用中位值平均滤波方法，它结合了中位值滤波法和算数平均滤波法的优点，能有效克服偶然因素引起的波动干扰，消除由于脉冲干扰所引起的采样偏差；具体的实现方式为首先连续采集N个数据，去掉一个最大值和一个最小值，然后再计算剩下N-2个数据的算数平均值。

电桥的供电电源为+5V恒压源，从PC机的USB口引出的+5V电压不是一个稳定的值，故先通过DC—DC电源模块升至±9V给放大电路供电，然后将+9V通过一个稳压模块转换为+5V的恒压源。

单片机通过USB转串口模块与PC机进行双向通讯，PC机通过串口向单片机发送命令控制单片机进行AD转化和数据处理，单片机将采集到的三维压力数字信号通过串口上传到PC机上进行实时动态显示；电源电路为硬件电路中的各组成部分提供电源。

软件设计

三维压力传感器的软件由上位机软件和下位机软件组成，上位机软件通过串口协议向单片机发送控制命令，控制单片机AD转换，接收传感器发送过来的信号并进行处理，下位机软件主要实现AD转换和与上位机之间的通信，具体过程如图4、5所示。

上位机软件采用labwindows/CVI编写，首先进行PC机串口初始化：波特率设置为9600bps，1位停止位，8位数据，1位停止位，采用奇校验，然后打开串口，通过PC机的串口向单片机发送命令，控制单片机的AD转换与数据传输，并将得到AD转换后的压力数据进行显示。

使用时，首先需要将本发明的机械本体埋于沥青混凝土中，沥青混凝土会存在一个残余应力，使得传感器采集到的初始数据不为零，为了使本发明获得准确的数据，需要从测量数据中减去这个初始数据，因此上位机软件添加了一个调零功能。

下位机以Keil的C51编译器为工具进行开发，分别定义启动3个AD通道转换的命令：

AD0：0X10

AD1：0X11

AD2：0X12

下位机接收到上位机发送过来的命令时，首先判断进行哪个通道的AD转换，然后进行AD初始化，设置AD转换速度（最高速度可达250万次/秒），然后启动AD转换，将AD转换后的10位数字信号通过单片机的串口传输到上位机上。

Claims (2)

1.一种新型三维应力测量传感器，其特征在于：包括机械本体和硬件电路；所述的机械本体由金属空心弹性体和电阻应变片组成，机械本体埋于沥青混凝土中，电阻应变片有三组，每组包括4个电阻应变片，两个电阻应变片为一对，分别贴于金属空心弹性体一个面的内外两侧，两对电阻应变片分别贴于金属空心弹性体相对的两个面上，第一组电阻应变片用于测量所受应力在X方向上的分量，第二组电阻应变片用于测量所受应力在Y方向上的分量，第三组电阻应变片用于测量所受应力在Z方向上的分量；当有应力作用在金属空心弹性体上时，其上面粘贴的电阻应变片会发生拉伸或收缩，其电阻值发生相应的变化，每组电阻应变片中均有两个受拉应变，两个受压应变，应变符号相反；硬件电路包括差动式惠斯登全桥电路、调零电路、放大电路、采集模块、数字滤波模块、通信模块以及电源电路；三组应变片分别组成三路差动式惠斯登全桥电路，每路差动式惠斯登全桥电路中的四个桥臂上分别接对应电阻应变片组中的四个应变片，两个应变符号相同的接入相对桥臂上，将所受应力转换为电量输出；调零电路由电位器R₅和电阻R₆构成，电位器R₅的电阻体跨接在差动式惠斯登全桥电路输入电源之间，电阻R₆一端与电位器R₅的移动端相连，另一端与差动式惠斯登全桥电路的一个输出端相连，通过调节电位器R₅使电桥达到平衡；每一路差动式惠斯登全桥电路都外接一个调零电路；三路差动式惠斯登全桥电路的输出经放大电路放大；放大后的三路信号输入采集模块实现模数转换，然后经过数字滤波模块滤除脉冲干扰信号，接下来通过通讯模块与PC机通讯，并在PC机上进行实时动态显示；PC机控制采集模块进行AD转化和数据处理，电源电路为硬件电路中的各组成部分提供电源；

所述的金属空心弹性体为L型空心弹性体，其中L型一边的上下表面各贴一对电阻应变片，用于测量所受应力在Y方向上的分量，四个电阻应变片的中心点同轴，且穿过表面积小的面的中点；L型另一边的四个侧面上分别各贴一对电阻应变片，位于相对两个侧面上的电阻应变片为一组，分别用于测量所受应力在X方向上和Z方向上的分量，且8个电阻应变片的中心点位于同一水平面上，这个水平面穿过纵向高度最小的侧面的中心点。

2.根据权利要求1所述的一种新型三维应力测量传感器，其特征在于：所述的放大电路采用两级放大，第一级采用仪表放大器将差动信号转换成单端信号并放大，第二级放大电路采用普通的集成运算放大器构成同相放大器。