CN106840481A - 一种自适应测量的电阻应变片测力方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械测量技术领域，具体来说是一种自适应测量的电阻应变片测力方法及系统，由此构成的系统包括应变片、测量电桥、放大模块、模数转换模块、单片机等，机械受力通过应变片后经转换、放大、模数转换后为电压量V_i，该电压量经单片机进行数据处理，主要对受力进行标定，并进行自适应调节参数优化计算，从而精确测量任意方向受力的大小。

Description

一种自适应测量的电阻应变片测力方法及系统

技术领域

本发明涉及机械测量技术领域，具体来说是一种自适应测量的电阻应变片测力方法及系统。

背景技术

电阻应变片是用于测量应变的元件，由于电阻应变片能将机械构件上应变的变化或者压力变换等转换为阻值变化，因此，电阻应变片在测量领域广泛使用。现有的应变测量多是通过应变仪进行测量，应变仪将输出电压经调理后显示，即为受力大小，但目前市场上使用的应变仪在测量任意力时不够灵活，需要计算被测对象的受力和方向，并需在应变测量前对被测对象进行较为详细的受力分析和计算，使得使用过程比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应测量的电阻应变片测力方法及系统，从而对被测对象进行灵活标定，并自适应地进行调节优化计算，从而精确测量任意方向力的大小。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种自适应测量的电阻应变片测力方法，所述的测力方法的具体步骤如下：

S6.在受力构件上粘贴电阻应变片；

S7.假设有N个电阻应变片，将每个电阻应变片分别接入测量电桥，各测量电桥检测每个电阻应变片的受力并转换为电压输出，输出的电压经放大、数模转换后为V_i,i＝1,2,…,N；

S8.对应变片进行标定，给定被测力的方向，标定M次，则M次标定的受力为F_m,m＝1,2,…,M,测得相应的电压为V_im,i＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M,则有受力关系为

其中a_i,a_ij为标定的自适应参数，共N+N²个未知参数；

S9.计算自适应参数a_i,a_ij，设一次测量误差为

根据测量误差ε_m，设定目标函数为

用梯度最速下降法进行计算，则

计算得N+N²个方程如下

根据方程求解出自适应参数α_i ^*,a_ij ^*；

S10.根据计算出的自适应参数a_i ^*,a_ij ^*，就可以开始实测受力的大小。如已测得N路电压值为V_i,i＝1,2,,…,N，则被测受力为

其中被测力的方向为标定方向

为简写运算公式，标定公式(1)可用矩阵表示为：

F＝Va+F₂ (8)

其中F＝[F₁ … F_M]^T,a＝[a₁ … a_N]^T，F₂＝[f₁ … f_m]^T，T为矩阵转矩。

本发明另提供一种自适应测量的电阻应变片测力系统，包括电阻应变片、测量电桥、放大模块、模数转换模块及单片机，

电阻应变片：电阻应变片粘贴在测量对象上，在外力的作用下发生阻值变化；

测量电桥：电阻应变片接入测量电桥，测量电桥检测电阻应变片的电阻变化，并转换为电压信号后输出；

放大模块：放大模块连接至测量电桥的输出端，将测量电桥输出的电压信号进行放大；

模数转换模块：模数转换模块的输入端连接至放大模块的输出端，将放大后的电压信号转换为数字信号，并输出至单片机的信号输入端；

单片机：连接模数转换模块，对转换后的数字信号进行数据处理，计算标定参数，并根据标定参数计算电阻应变片所受任意方向力的大小。

进一步地，在测量对象上粘贴一个或一个以上的电阻应变片，每个电阻应变片对应连接有测量电桥、放大模块、模数转换模块构成独立数据采样通道，各数据采样通道分别连接至单片机的不同信号输入端，由单片机将采集、放大、转换后的数字信号进行数据处理。

进一步地，所述的测量电桥为单臂电桥或双臂电桥或全等臂电桥。

进一步地，所述的电阻应变片测力系统还包括电源模块，所述的电源模块分别连接测量电桥、放大模块、模数转换模块及单片机，用以提供5V或6V或12V或24V的供电电源。

进一步地，所述的单片机连接有显示模块，所述的显示模块对单片机计算出的受力数据进行显示。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

电阻应变片在使用的过程中，对被测对象受力大小进行标定，自适应调整参数优化计算，具有精确测量任意方向受力的功能，不必进行受力分析和力学计算，使用方便，且易于集成化和智能化。

附图说明

图1是本发明的模块连接示意图；

图2是本发明的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例1

本测力方法能对被测对象进行标定，自适应调节参数，优化计算，从而精确测量任意方向力的大小，具体的测力步骤如下：

步骤1：在测量对象上粘贴电阻应变片，电阻应变片的粘贴方式可参见一般的电阻应变粘贴说明；

步骤2：将每个电阻应变片分别对应接入测量电桥，各测量电桥检测每个电阻应变片的受力并转换为电压输出，输出的电压经放大、数模转换后为V_i,i＝1,2,…,n；

步骤3：对应变片进行标定，给定被测力的方向，标定M次，则M次标定的受力为F_m,m＝1,2,…,M,测得相应的电压为V_im,i＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M,则有受力关系为

其中a_i,a_ij为标定的自适应参数，共N+N²个未知参数；

步骤4：计算自适应参数a_i,a_ij，设一次测量误差为

根据测量误差ε_m，设定目标函数为

用梯度最速下降法进行计算，则

计算得N+N²个方程如下

根据方程求解出自适应参数a_i ^*,a_ij ^*；

步骤5：根据计算出的自适应参数a_i ^*,a_ij ^*，就可以开始实测受力的大小。如已测得N路电压值为V_i,i＝1,2,,…,N，则被测受力为

其中被测力的方向为标定方向。

由上述步骤对测力过程中的标定参数进行调整，从而能够计算受力的大小。

实施例2

本测力系统主要包括电阻应变片、测量电桥、放大模块、模数转换模块及单片机，以下结合附图对各模块进行具体介绍，参见图1。

本发明中的电阻应变片可粘贴在测量对象上，电阻应变片的引线端通过导线接入测量电桥，当测量对象受力时，测量电桥检测电阻应变片的电阻变化，并转换为电压信号后输出，放大模块连接至测量电桥的输出端，将测量电桥输出的电压信号进行放大，放大后的电压信号进行模数转换模块为数字信号，并输出至单片机进行数据处理。

电阻应变片为一个或多个，具体情况根据被测对象的测力情况确定。电阻应变片是由金属或者半导体应变片，当电阻应变片在收到外力的作用下会产生一定的形变，使得阻值发生变化，如电阻应变片在受压时，金属丝的长度会缩短，横截面积变大，导致电阻减少。电阻应变片应根据测量对象的要求，恰当地选择精度和范围度。

电阻应变片通过导线接入测量电桥中，一个电阻应变片对应一个测量电桥，即电阻应变片有N个，则对应构成N个测量电桥。测量电桥是将被测物体受力变化转变成电压信号的一种转换调理电路，含有电阻应变片的测量电桥能够检测到电阻应变片受压时微弱的电阻变化，并转换为电压输出。出于精确度的要求并考虑到温度、湿度等的影响，测量电桥可设置为单臂电桥或双臂电桥或全等臂电桥，一般采用单臂测量电桥。

由于电阻应变片的应变是非常微弱的，即使利用测量电桥感知被测力，但还是需要放大模块对信号进行放大。放大模块连接至测量电桥的输出端，用于将测量电桥输出的电压信号进行放大。本发明中的放大模块采用市面上常用的放大模块，需注意的是：放大模块的放大倍数可选，如10倍、20倍、30倍等，使得不同应变片的放大倍数可以相同，也可以不同，但要求在标定时一次确定，调节放大模块的放大倍数使得电阻应变片的电压输出值达到1V～5V左右，固定放大倍数，并保证放大倍数在后续标定和测量时是固定的。

模数转换模块是将经放大模块放大后的电压信号转换为数字信号，模数转换模块的输入端连接至放大模块的输出端，并输出至单片机的信号输入端。模数转换模块采用市面上常用的模数转换模块，当然，也可采用带有模数转换模块的单片机以实现这一功能。

单片机是用于对转换后的数字信号进行数据处理，单片机的带有多个数据输入接口，用于连接模数转换模块。单片机计算标定参数，并根据标定参数计算电阻应变片所受任意方向力的大小。单片机还连接有显示模块及键盘等外部设备，显示模块主要对单片机计算出的受力数据进行显示，键盘用于输入数值等。单片机的型号可选用ST系列的51单片机。

为保证整个系统的供电，电阻应变片的测力系统还包括电源模块，电源模块分别连接测量电桥、放大模块、模数转换模块及单片机。电源模块一般是根据各模块的工作电压要求提供电压，如5V或6V或12V或24V的供电电源，电源模块的电路连接结构采用现有技术中的相关电路，在此不做赘述。

实施例3

本发明中的每个电阻应变片可对应连接有测量电桥、放大模块、模数转换模块从而构成独立的数据采样通道，各数据采样通道分别连接至单片机的不同信号输入端，由单片机将采集、放大、转换后的数字信号进行数据处理。

本实施例中现以4组数据采样通道进行举例说明，参见图2，本实施例中的应变片系统包括单臂电桥、放大模块、ST51模块(单片机)、显示模块、电源模块、键盘。由于有四个应变片，对应的有四组测量单臂电桥及四组放大模块，ST51模块带有模数转换功能，因此可省略模数转换模块，测力步骤可参见实施例1中的具体步骤，再此不做赘述，仅以4组数据采样通道进行说明。

测量单臂电桥共有四组，根据电桥输出分别设置四组放大模块的放大倍数。放大后的输出电压经ST51模块的模数转换转换后为V_i,i＝1,2,3,4，而后采用单片机对数据处理，计算受力为：

其中参数a_i,a_ij,i,j＝1,2,3,4为自适应参数,由系统自适应标定,具体自适应标定方法如下：

设M次标定数据为F_m,m＝1,2,…,M,相应的四组电压分别为V_im,i＝1,2,3,4,m＝1,2,…,M,则受力为

F＝Va+F₂

当M≥20时，可以计算参数a_i,a_ij，可以优化计算。

优化计算如下，设一次测量误差为

优化如下目标函数

用梯度最速下降法计算标定参数，则

计算得：

如M＝20时，则会有20个方程，由此可以计算参数a_i ^*,a_ij ^*。

当受力比较简单时，如只有轴向力或仅有扭矩时，设计设置a_ij＝0，此时用矩阵表示为：a＝V^-1F，此处V^-1为V的伪逆。如测轴向力时，a_i＝0.25,i＝1,2,3,4。

单片机计算出电阻应变片所受任意方向力的大小，并利用显示模块对单片机计算出的受力数据进行显示。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种自适应测量的电阻应变片测力方法，其特征在于，所述的测力方法具体步骤如下：

S1.在受力构件上粘贴电阻应变片；

S2.假设有n个电阻应变片，将每个电阻应变片分别接入测量电桥，各测量电桥检测每个电阻应变片的受力并转换为电压输出，输出的电压经放大、数模转换后为V_i,i＝1,2,…,N；

S3.对应变片进行标定，给定被测力的方向，标定M次，则M次标定的受力为F_m,m＝1,2,…,M,测得相应的电压为V_im,i＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M,则有受力关系为

$F_m={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{a}_i{V}_{im}+{\mathrm{\Σ}}_{i,j=1}^N{a}_{ij}{V}_{im}{V}_{jm}---\left(1\right)$

其中a_i,a_ij为标定的自适应参数，共N+N²个未知参数；

S4.计算自适应参数a_i,a_ij，设一次测量误差为

${\mathrm{\ϵ}}_m=F_m-({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{a}_i{V}_{im}+{\mathrm{\Σ}}_{i,j=1}^N{a}_{ij}{V}_{im}{V}_{jm})---\left(2\right)$

根据测量误差ε_m，设定目标函数为

$J={\mathrm{\Σ}}_{m=1}^M|{\mathrm{\ϵ}}_m{|}^2---\left(3\right)$

用梯度最速下降法进行计算，则

$\begin{array}{c}\frac{\∂J}{\∂a_k}=0,k=1,2...,N\\ \frac{\∂J}{\∂a_{uv}}=0,u,v=1,2...,N\end{array}---\left(4\right)$

计算得N+N²个方程如下

$\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{V}_{km}(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_i{V}_{im}+\underset{i,j=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{ij}{V}_{im}{V}_{jm})=\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{V}_{km}{F}_m---\left(5\right)$

$\begin{array}{c}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{V}_{um}{V}_{vm}(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_i{V}_{im}+\underset{i,j=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{ij}{V}_{im}{V}_{jm})\\ =\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{V}_{km}{F}_m\end{array}---\left(6\right)$

根据方程求解出自适应参数a_i ^*,a_ij ^*；

S5.根据计算出的自适应参数a_i ^*,a_ij ^*，就可以开始实测受力的大小。如已测得N路电压值为V_i,i＝1,2,,…,N，则被测受力为

$F={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{a_i}^{*}{V}_i+{\mathrm{\Σ}}_{i,j=1}^N{a_{ij}}^{*}{V}_i{V}_j---\left(7\right)$

其中被测力的方向为标定方向。

2.根据权利要求1所述的一种自适应测量的电阻应变片测力方法，其特征在于，所述的标定公式(1)用矩阵表示为

F＝Va+F₂ (8)

其中F＝[F₁ … F_M]^T,a＝[a₁ … a_N]^T，F₂＝[f₁ … f_m]^T，T为矩阵转矩。

3.一种自适应测量的电阻应变片测力系统，其特征在于，包括电阻应变片、测量电桥、放大模块、模数转换模块及单片机，

电阻应变片：电阻应变片粘贴在测量对象上，在外力的作用下发生阻值变化；

测量电桥：电阻应变片接入测量电桥，测量电桥检测电阻应变片的电阻变化，并转换为电压信号后输出；

放大模块：放大模块连接至测量电桥的输出端，将测量电桥输出的电压信号进行放大；

模数转换模块：模数转换模块的输入端连接至放大模块的输出端，将放大后的电压信号转换为数字信号，并输出至单片机的信号输入端；

单片机：连接模数转换模块，对转换后的数字信号进行数据处理，计算标定参数，并根据标定参数计算电阻应变片所受任意方向力的大小。

4.根据权利要求3所述的一种自适应测量的电阻应变片测力系统，其特征在于，在测量对象上粘贴一个或一个以上的电阻应变片，每个电阻应变片对应连接有测量电桥、放大模块、模数转换模块构成独立数据采样通道，各数据采样通道分别连接至单片机的不同信号输入端，由单片机将采集、放大、转换后的数字信号进行数据处理。

5.根据权利要求3所述的一种自适应测量的电阻应变片测力系统，其特征在于，所述的测量电桥为单臂电桥或双臂电桥或全等臂电桥。

6.根据权利要求3所述的一种自适应测量的电阻应变片测力系统，其特征在于，所述的电阻应变片测力系统还包括电源模块，所述的电源模块分别连接测量电桥、放大模块、模数转换模块及单片机，用以提供5V或6V或12V或24V的供电电源。

7.根据权利要求3所述的一种自适应测量的电阻应变片测力系统，其特征在于，所述的单片机连接有显示模块，所述的显示模块对单片机计算出的受力数据进行显示。