CN202869716U - 一种高速采样的低功耗数显推拉力计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速采样的低功耗数显推拉力计，其包括顺次连接的电阻应变式传感器和A/D转换器和微处理器，A/D转换器为∑/Δ型A/D转换器。由于∑/Δ型A/D转换器具有分辨率高和转换速率快的优点，使得推拉力计同时具有高准确度和高转换速率的优点；∑/Δ型A/D转换器集成有高性能的可编程放大器，无需使用额外的信号放大电路，从而简化了电路设计的复杂程度，减少了电子元器件的使用量，并且大大降低了整机的功耗；由于所有增益设定电阻器均集成到了∑/Δ型A/D转换器的芯片内部，这些电阻器具有一致的温度特性，消除了外部温度条件变化对放大器增益的影响，从而所述数显推拉力计的测量值的稳定性有显著提高。

Description

一种高速采样的低功耗数显推拉力计

技术领域

本实用新型涉及一种数字式的测力仪表，尤其涉及一种高速采样的低功耗数显推拉力计。

背景技术

数显推拉力计用于测量与传感器测试轴同向的推力或拉力。该类仪器通过电阻应变式传感器，将作用在传感器测试轴的外力转换成电信号，再通过放大器、A/D转换器、微控制器对传感器的输出信号进行测量，然后换算成对应的力值，并在数显装置上显示。测量准确度和力值采样（转换）速率是测力仪表最为关键的技术指标，所采用的A/D转换器的性能在很大程度上决定了这两项指标，现有的测力仪表普遍采用的是双积分式或逐次逼近式A/D转换器。采用双积分式A/D转换器的测力仪表虽然可以获得较好的转换精度，但是其转换速率很低（一般3～5次/秒），只能用于力值比较稳定的测量场合，而不能用于测量动态变化的力值；已申请中国专利、专利号为02262033.8的“数显推拉力计”就采用了双积分式A/D转换器。采用逐次逼近式A/D转换器的测力仪表虽然可以达到很高的转换速率（可高于2k次/秒），但是受限于逐次逼近式A/D转换器的分辨率（一般在16bit以下），该类测力仪表的测量准确度较低，只用于对准确度要求不高的场合。

另外，采用双积分式或逐次逼近式A/D转换器的数显推拉力计，需要使用信号放大电路将传感器输出的小信号（毫伏量级）放大到A/D转换器所需的大信号（伏特量级）。这些放大电路由运算放大器和增益设定电阻器等器件组成，由于运算放大器的技术参数和增益电阻器的阻值会随着温度等因素的变化而发生漂移，导致信号放大电路的增益出现偏差，从而影响数显推拉力计的测量准确度。此外，信号放大电路在实现信号放大功能的同时，增加了数显推拉力计的功耗，缩短了充电电池的使用时间，一般工作8小时左右就需要进行充电。

实用新型内容

本实用新型针对现有数显推拉力计的稳定性差、转换速率低、功耗大等不足之处进行改进，提供了一种高速采样的低功耗数显推拉力计，在测量准确度、转换速率、整机功耗等方面性能得到显著提升。

为实现上述目的，所述高速采样的低功耗数显推拉力计，包括微处理器，电阻应变式传感器和A/D转换器，所述电阻应变式传感器经A/D转换器与所述微处理器通讯连接，其特点是，所述A/D转换器为∑/Δ型A/D转换器。

优选的是，所述∑/Δ型A/D转换器的芯片型号为AD7799。

优选的是，所述电阻应变式传感器包括基体、四片电阻应变片和测试轴；其中，呈S型的所述基体包括彼此平行排列的第一区域、第二区域和第三区域；

所述第一区域上加工有将电阻应变式传感器安装至推拉力计外壳上的安装孔；位于中间的第二区域为应变区，在该第二区域的正面加工有相连通的双孔，贴于所述第二区域两个侧面的四片电阻应变片相对于该双孔两两对称设置；所述测试轴安装于第三区域上；并且，

所述四片电阻应变片连接形成惠斯顿电桥，该惠斯顿电桥将所述测试轴传递的外力转换成电压信号；所述电阻应变式传感器将转换后的所述电压信号传输至∑/Δ型A/D转换器，由该∑/Δ型A/D转换器完成信号转换后，由微处理器读取转换结果。

本实用新型的有益效果在于：

（1）∑/Δ型A/D转换器的使用使整机具有高准确度和高转换率：由于∑/Δ型A/D转换器具有分辨率高和转换速率快的优点，在提供高分辨率（可达24bit）的同时，也具有（几百～几千）次/秒的高转换速率，从而使得推拉力计同时具有高准确度和高转换速率的优点；

（2）∑/Δ型A/D转换器的使用，降低了电路设计的复杂程度，减少了电子元器件的使用量，并且大大降低了整机的功耗：∑/Δ型A/D转换器一般都集成了高性能的可编程放大器（PGA），增益一般可在1～128之间设定。因此，通过使用∑/Δ型A/D转换器，将电阻应变式传感器的输出信号直接与A/D转换器的信号输入端连接，就无需使用额外的信号放大电路，从而简化了电路设计的复杂程度，减少了电子元器件的使用量，并且大大降低了整机的功耗：在开启LCD显示器背光时可连续工作18小时以上，如果关闭LCD显示器背光则可连续工作80小时以上；

（3）∑/Δ型A/D转换器的使用，使整机测量值的稳定性有显著提高：由于所有增益设定电阻器均集成到了∑/Δ型A/D转换器的芯片内部，这些电阻器具有一致的温度特性，消除了外部温度条件变化对放大器增益的影响，从而保证了PGA的增益具有良好的稳定性；与传统的采用分立式放大器相比，所述数显推拉力计的测量值的稳定性有显著提高。

附图说明

图1示出了本实用新型所述的高速采样的低功耗数显推拉力计的仰视图。

图2示出了图1所示的高速采样的低功耗数显推拉力计的侧面剖视图。

图3示出了图1和图2中电阻应变式传感器的结构示意图。

图4示出了本实用新型所述的高速采样的低功耗数显推拉力计中的电阻应变式传感器与∑/Δ型A/D转换器的电气连接示意图。

图5示出了本实用新型所述的高速采样的低功耗数显推拉力计的原理方框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明：

如图1和图2所示，所述高速采样的低功耗数显推拉力计由以下零部件和模块组成：电阻应变式传感器6、A/D转换器、微处理器100、LCD显示器18、供电及充电电路101、输入/输出接口电路102、操作按键盘16、LED指示灯17、蜂鸣器12、以及其它电子器件组成。如图5所示，所述电阻应变式传感器6经A/D转换器与微处理器100通讯连接，同时，所述微处理器100还分别与LCD显示器18、供电及充电电路101、输入/输出接口电路102、操作按键盘16、LED指示灯17和蜂鸣器12通讯连接。

具体地，在本实用新型的一实施例中，所述数显推拉力计的外壳由铝合金上盖9和下盖4两部分组成，上盖4用于安装控制电路板11和LCD显示器18，下盖4用于安装电阻应变式传感器6和锂离子电池3。控制电路板11上焊接了A/D转换器、微处理器100、输入/输出接口连接器10、蜂鸣器12、锂离子电池插座13、传感器插座15、操作按键盘16、指示灯17和供电及充电电路101。其中，所述控制电路板11通过六只螺钉14固定在上盖9的内壁，LCD显示器18放置在上盖9内壁的安装座内，并通过控制电路板11压紧固定。电阻应变式传感器6由两只内六角螺栓5固定在下盖4的安装座上，并通过一个四芯连接器与控制电路板11的传感器插座15相连，其中两条芯线与电源的正负极相连，另外两条芯线与A/D转换器的信号输入端口相连。锂离子电池3用粘胶粘贴在下盖4的内壁上，并通过一个两芯连接器与控制电路板11的电池插座13相连。

特别地，所述A/D转换器采用∑/Δ型A/D转换器19，该∑/Δ型A/D转换器19芯片型号为AD7799，其分辨率为24bit，转换速率为500次/秒。一方面，由于所述∑/Δ型A/D转换器19具有分辨率高和转换速率快的优点，在提供高分辨率（可达24bit）的同时，也具有（几百～几千）次/秒的高转换速率，从而使得所述数显推拉力计同时具有高准确度和高转换速率的优点。

另一方面，∑/Δ型A/D转换器19一般都集成了高性能的可编程放大器（PGA），增益一般可在1～128之间设定。因此，通过使用∑/Δ型A/D转换器19，将电阻应变式传感器6的输出信号直接与A/D转换器的信号输入端连接，就无需使用额外的信号放大电路，从而简化了电路设计的复杂程度，减少了电子元器件的使用量，并且大大降低了整机的功耗。本实用新型的一个实施例表明，在开启LCD显示器18背光时可连续工作18小时以上，如果关闭LCD显示器18背光则可连续工作80小时以上。

再有，由于所有增益设定电阻器均集成到了∑/Δ型A/D转换器19的芯片内部，这些电阻器具有一致的温度特性，消除了外部温度条件变化对放大器增益的影响，从而保证了PGA的增益具有良好的稳定性；与传统的采用分立式放大器相比，本实用新型所述的数显推拉力计的测量值的稳定性有显著提高。

更特别地，所述电阻应变式传感器6包括基体63、四片电阻应变片62和测试轴8；其中，所述基体63呈S型，该基体63包括彼此平行排列的第一区域64、第二区域65和第三区域66，第二区域65位于S型基体63的中间位置。具体地，所述第一区域64上加工有将电阻应变式传感器6安装至推拉力计外壳上的安装孔61。所述第二区域65为应变区，在该第二区域65的正面加工有相连通的双孔67，在该第二区域65的相对的两个侧面各贴有两片电阻应变片62（共四片电阻应变片62），四片电阻应变片62相对于位于正面的双孔67两两对称设置。所述测试轴8安装于第三区域66上，该测试轴8的轴心与双孔67的中间连接面在同一平面上。

所述高速采样的低功耗数显推拉力计的工作原理为，所述四片电阻应变片62连接形成惠斯顿电桥68，所述电阻应变式传感器6通过该惠斯顿电桥68将施加在测试轴8上的外力转换成电压信号，并提供给∑/Δ型A/D转换器19采样，然后微处理器100读取∑/Δ型A/D转换器19的转换结果，换算成对应的力值在LCD显示器18上显示。

综上所述仅为本实用新型较佳的实施例，并非用来限定本实用新型的实施范围。即凡依本实用新型申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本实用新型的技术范畴。

Claims (3)

1.一种高速采样的低功耗数显推拉力计，包括微处理器，电阻应变式传感器和A/D转换器，所述电阻应变式传感器经A/D转换器与所述微处理器通讯连接，其特征在于：所述A/D转换器为∑/Δ型A/D转换器。

2.根据权利要求1所述的高速采样的低功耗数显推拉力计，其特征在于：所述∑/Δ型A/D转换器的芯片型号为AD7799。

3.根据权利要求1或2所述的高速采样的低功耗数显推拉力计，其特征在于：所述电阻应变式传感器包括基体、四片电阻应变片和测试轴；其中，呈S型的所述基体包括彼此平行排列的第一区域、第二区域和第三区域；

所述第一区域上加工有将电阻应变式传感器安装至推拉力计外壳上的安装孔；位于中间的第二区域为应变区，在该第二区域的正面加工有相连通的双孔，贴于所述第二区域两个侧面的四片电阻应变片相对于该双孔两两对称设置；所述测试轴安装于第三区域上；并且，

所述四片电阻应变片连接形成惠斯顿电桥，该惠斯顿电桥将所述测试轴传递的外力转换成电压信号；所述电阻应变式传感器将转换后的所述电压信号传输至∑/Δ型A/D转换器，由该∑/Δ型A/D转换器完成信号转换后，由微处理器读取转换结果。

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