CN217403366U - 一种金属箔式应变片实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种金属箔式应变片实验装置，包括电源单元（1）、应变信号处理单元（2）、按键单元（3）、编程接口单元（4）、单片机单元（5）、电压输出单元（6）、数据显示单元（7）、通信接口单元（8）、通信模块（9）。本实用新型的优点是充分利用检测技术实验台的资源，运用单片机进行智能处理，给出相关数据显示，提高实验操作的易用性，使得学生在有限的实训时间内专注于传感器的特性，通过使用单片机内部的模数转换模块，降低了成本，提高了综合性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器实验装置，特别是一种金属箔式应变片实验装置，属于传感器应用技术领域。
背景技术
金属箔式电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴金属箔式电阻应变片来组成，利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器，此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形，然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化，再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出，应用十分广泛。
高职院校是以培养具有一定理论知识和较强实践能力，面向基层、面向生产、面向服务和管理第一线职业岗位的实用型、技术型和技能型专门人才为目的高等教育。为了培养高职高专院校学生的动手操作能力，结合所学的课程，学校需要对每个学生进行职业技能上的学习、培训及职业技能鉴定。金属箔式应变片传感器实验是便于学生了解金属箔式应变片的应变效应制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化。
对于学生做实验所使用的TKSRZ-2型现代检测技术实验台，提供了±15V、±4V、⊥电源插口，供实验时使用，给实验提供了方便，但在金属箔式应变片实验时调零、校准等操作时较复杂，并且显示不够直观。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种金属箔式应变片实验装置，充分利用检测技术实验台的资源，通过简化电路结构，运用单片机进行智能处理，给出相关数据显示，提高操作的易用性，使学生在有限的实训时间内专注于传感器的特性，提高了装置的耐用性。
本实用新型是这样实现的：一种金属箔式应变片实验装置，包括：电源单元（1）、应变信号处理单元（2）、按键单元（3）、编程接口单元（4）、单片机单元（5）、电压输出单元（6）、数据显示单元（7）、通信接口单元（8）、通信模块（9）；其中：
电源单元（1）：为装置提供稳定的工作电压，与各单元构成电气连接；
应变信号处理单元（2）：对应变传感器信号进行处理，包括传感器、信号放大，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
按键单元（3）：通过按键提供100克校准指令或复位指令，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
编程接口单元（4）：用于单片机程序的编程、调试与下载，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
单片机单元（5）：作为本装置的核心控制单元，在程序的调度下进行工作，与电源单元（1）、应变信号处理单元（2）、按键单元（3）、编程接口单元（4）、电压输出单元（6）、数据显示单元（7）、通信接口单元（8）构成电气连接；
电压输出单元（6）：单片机将应变信号处理单元（2）输出的数据转换为模拟电压信号输出，供实验台上的电压表进行显示，输出的电压值与传感器测量的净重值成正比，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
数据显示单元（7）：单片机将应变信号处理单元（2）输出的数据经软件进行分析处理后，显示传感器测量的原始数据、空载数据、净重数据、净重克数、转换系数及输出转换为模拟电压的数据，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
通信接口单元（8）：单片机通过该单元与上位机进行通信，以便上位机能够通过配套的软件对传感器实验进行监控，与电源单元（1）、单片机单元（5）、通信模块（9）构成电气连接；
通信模块（9）：使用无线通信模块与上位机进行半双工通信，与电源单元（1）、通信接口单元（8）构成电气连接。
本实用新型是按照上述构思使用上述单元组合而成，其工作原理是：将应变片传感器的信号进行放大，通过单片机软件转换为数字信号并进行分析处理，得到原始数据、空载数据、净重数据、净重克数，通过数据显示单元进行数据显示，并将净重数据输出转换为模拟电压供实验台上的电压表进行显示，单片机还能通过按键提供100克校准指令，使传感器数据准确。
本实用新型的优点及效果：
(1)充分利用检测技术实验台的资源，运用单片机进行智能处理，给出相关数据显示，提高实验操作的易用性，使得学生在有限的实训时间内专注于传感器的特性。
(2)使用单片机内部的模数转换模块，降低了成本，提高了综合性能。
(3)放大器用高输入阻抗的轨轨放大器，输出动态范围能有效增大，不易出现饱和现象。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1 是本实用新型的电路原理方框图。
图2 是实施例的电源单元连接原理图。
图3 是实施例的通信接口单元电路连接原理图。
图4 是实施例的按键单元电路连接原理图。
图5 是实施例的单片机单元、编程接口单元及电压输出单元电路连接原理图。
图6 是实施例的数据显示单元电路连接原理图。
图7 是实施例的应变信号处理单元电路连接原理图。
图8 是实施例的通信模块电路连接原理图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参看图1，一种金属箔式应变片实验装置，包括电源单元（1）、应变信号处理单元（2）、按键单元（3）、编程接口单元（4）、单片机单元（5）、电压输出单元（6）、数据显示单元（7）、通信接口单元（8）、通信模块（9）；其中电源单元（1）为装置提供稳定的工作电压，与各单元构成电气连接；应变信号处理单元（2）对应变传感器信号进行处理，包括传感器、信号放大，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；按键单元（3）通过按键提供100克校准指令或复位指令，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；编程接口单元（4）用于单片机程序的编程、调试与下载，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；单片机单元（5）作为本装置的核心控制单元，在程序的调度下进行工作，与电源单元（1）、应变信号处理单元（2）、按键单元（3）、编程接口单元（4）、电压输出单元（6）、数据显示单元（7）、通信接口单元（8）构成电气连接；电压输出单元（6）是通过单片机将应变信号处理单元（2）输出的数据转换为模拟电压信号输出，供实验台上的电压表进行显示，输出的电压值与传感器测量的净重值成正比，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；数据显示单元（7）是通过单片机将应变信号处理单元（2）输出的数据经软件进行分析处理后，显示传感器测量的原始数据、空载数据、净重数据、净重克数、转换系数及输出转换为模拟电压的数据，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；通信接口单元（8）便于单片机通过该单元与上位机进行通信，以便上位机能够通过配套的软件对传感器实验进行监控，与电源单元（1）、单片机单元（5）、通信模块（9）构成电气连接；通信模块（9）是使用无线通信模块与上位机进行半双工通信，与电源单元（1）、通信接口单元（8）构成电气连接。
(4)请进一步参看图2，电源单元包括插座J1、肖特基二极管VD1、电容C1～C3、电阻R1、R2、集成电路U1、发光二极管LED0。VD1是低电压降的肖特基二极管，作为防止电源反接的保护元件，防止因电源接线错误而损坏实验装置；U1是3.3V线性稳压器，型号为LD1117S33C，输出电压VCC作为单片机的工作电压，LED0是作为电源指示的发光二极管，R2、C3的作用是上电时为单片机提供复位信号RST。
请参看图3，通信接口单元电路包括插座J2、电阻R3～R6，对单片机所连接的通信模块起简单的隔离保护作用，连接关系是：J2的第1引脚连接到电源VCC；J2的第2引脚通过电阻R4连接到单片机U2的第22引脚，并通过电阻R3连接到电源VCC；J2的第3引脚通过电阻R6连接到单片机U2的第21引脚，并通过电阻R5连接到电源VCC；J2的第4引脚连接到GND。
请参看图4，按键单元包括按钮RST、SW1、电阻R7、R10、电容C4，电容C4与按钮SW1并联，与电阻R7串联，接至电源VCC；标号SW1经电阻R10与图5单片机U2的引脚13连接；RST与图2中的标号RST连接。
按钮的使用方法是：按钮RST为单片机提供人工复位信号；应变片实验装置在零点调好后，在应变片实验装置的托盘上放上100克砝码，按下按钮SW1，将应变片实验装置检测的净重量克数校准到100克。
请参看图5，单片机单元及编程接口单元包括高速高性能单片机U2、电阻R11～R13、R15～R17、电容C6～C11、电压基准VD2、发光二极管LED1、插座J3、J5。
其中单片机U2的型号为C8051F410，其内部集成有振荡器、在系统可编程的32kFLASH存储器、JTAG调试电路、温度传感器、多达24路的模数转换电路（ADC）、两个 12 位电流输出 DAC、两个比较器、四个通用16位定时器/计数器、硬件SMBus、UART串口、PCA模块、硬件实时时钟smaRTClock等，它是本装置的核心控制器件。LED1是作为指示按钮SW1按下的发光二极管；单片机检测到SW1按下时，U2的第15引脚输出高电平，点亮LED1。J3是编程接口插座，与单片机构成电气连接，用于与调试单片机程序的仿真器或下载器连接。J5是显示接口插座，向数据显示单元输出信号。
连接关系是：单片机U2第1、3、8引脚相连，再通过电阻R11连接到电源VCC，通过电容C8与GND相连；通过电阻R13连接到单片机U2第11引脚，在第11引脚与GND之间连接VD2、C9、C10；单片机U2第13引脚连接到图4的K1；单片机U2的第15引脚通过电阻R15连接到LED1的阳极，LED1的阴极接GND；单片机U2的第6引脚接GND，第7引脚与GND之间连接电容C6、C7，第21引脚连接到图3的TX，第22引脚连接到图3的RX；
J3的第2引脚连接到单片机U2的第32引脚，第3引脚连接到图2的RST，第4引脚连接到单片机U2的第2引脚；第5引脚接GND；
J5的第1引脚连接到GND，第2、6、17、18相连接，再通过电阻R17连接到VCC；J5的第4、5引脚分别连接到U2的第23、24引脚；J5的第15、16引脚分别连接到U2的第20、19引脚；J5的第7～13引脚分别连接到U2的第25～31引脚；J5的第14引脚通过电阻R16连接到U2的第32引脚。
电压输出单元包括电阻R19～R22、放大器U3B、插座J4，单片机U2第17引脚输出电流信号，在电阻R19上产生电压，经放大器U3B放大，从J4插座输出电压信号，供实验台上的电压表进行显示。U3是放大器，型号为OPA2333，其中封装了2个放大器，U3B是其中的第2单元。
连接关系是：单片机U2第17引脚与GND之间连接电阻R19，通过电阻R20连接到U3B的第5引脚；U3B第6引脚与GND之间连接电阻R21，U3B第6引脚与第7引脚之间连接电阻R22；U3B第7引脚连接到插座J4的第1引脚，作为电压Vo输出引脚；J4的第2引脚接GND。
请参看图6，数据显示单元包括插头J6及OLED显示模块M1，J6是间距为2.0mm的18针插头，各插针在电路板中与OLED显示模块M1的18个引脚对应连接，J6在外部与图5中的插座J5对应的电气端子连接。M1的型号为HGS128647，能够做到快速响应，并能在很低的气温环境及较宽广的温度范围下正常工作，性能优于LCD，在本装置中用于显示传感器测量的原始数据、空载数据、净重数据、净重克数、转换系数及输出转换为模拟电压的数据。
请参看图7，应变信号处理单元包括应变片传感器组成的电桥单元BR1、插座J7、J8、集成电路U4～U6、电容C13～C15、电阻R23～R34、电位器RW1～RW3。作用是对应变传感器信号进行处理，包括传感器信号接入、信号放大，并将放大后的电压信号输出给单片机；其中U4为电压基准集成电路，型号为REF3130；U5、U6是内部含有双单元运放的集成电路，型号为OPA2333；电位器RW1用于调节放大器的增益，电位器RW2、RW3用于放大器输出调零和电桥的初始平衡调节。插座J7用于连接传感器，插座J8用于接入+15V、-15V、+4V、-4V电源。
电桥单元BR1使用四个电阻应变传感器YR1～YR4，其型号、阻值和灵敏度均相同。
做全桥实验时，4个应变片传感器YR1～YR4接成电桥形式，拉伸状态的2个传感器YR1、YR3接在桥的对边，压缩状态的2个传感器YR2、YR4接在桥的另一对边。
做半桥实验时，拉伸状态的传感器YR1与压缩状态的传感器YR2接在桥的相邻边，YR3、YR4的位置接与传感器YR1、YR2标称值等值的固定电阻。
做单臂电桥实验时，只用1个传感器YR1，在YR2、YR3、YR4的位置接与传感器YR1标称值等值的固定电阻。
连接关系是：YR1与YR2的公共连接端连接到插座J7的第2引脚及U5A的第3引脚，YR2与YR3的公共连接端连接到插座J7的第1引脚及U4的OUT引脚，YR3与YR4的公共连接端连接到插座J7的第3引脚及U5B的第5引脚，YR1与YR4的公共连接端连接到插座J7的第4引脚并连接到GND；
U5B的第5引脚通过电阻R32连接到电位器RW3的中心头引脚，电位器RW3的两个固定端分别连接到+4V电源和-4V电源；
U5A的第8引脚接+15V电源，第4引脚接-15V电源；U5A的第2引脚与第1引脚间连接电阻R23；U5B的第6引脚与第7引脚间连接电阻R24；U5A的第2引脚与U5B的第6引脚间还连接有接成可变电阻的电位器RW1；
U6A的第8引脚接+15V电源，第4引脚接-15V电源；U6A的第2引脚与第1引脚间连接电阻R27；U6A的第2引脚与U5A的第1引脚间连接电阻R25；U6A的第3引脚与U5B的第7引脚间连接电阻R26，U6A的第3引脚通过电阻R28连接到GND；
U6B的第6引脚与第7引脚间连接电阻R30；U6B的第6引脚与U6A的第1引脚间连接电阻R29；
U6B的第7引脚通过电容C15连接到GND；U6B的第7引脚输出的电压Vo信号作为应变信号处理单元的输出信号，连接到单片机的第18引脚，通过单片机内部的模数转换模块转换为数字信号；
U6B的第5引脚通过电阻R31连接到电位器RW2的中心头引脚，电位器RW2的两个固定端分别经电阻R33、R34连接到+15V电源和-15V电源；
插座J8用于接入+15V、-15V、+4V、-4V电源；插座J8的第1、2引脚分别连接到TKSRZ-2型现代检测技术实验台的-15V和+15V电源，J8的第3、4引脚连接到TKSRZ-2型现代检测技术实验台的电源GND，J8的第5、6引脚分别连接到TKSRZ-2型现代检测技术实验台的+4V和-4V电源。
请参看图8，通信模块单元包括插座J9及无线通信模块M2，J9在外部与图3中的插座J2对应的电气端子用导线连接。M2的型号为HC-12，M2的VCC、GND、RXD、TXD端分别连接到J9的第1、4、3、2引脚。通过通信模块单元，可以与计算机进行无线通信，在计算机中运行与之配套的软件对传感器实验进行监控，当不需要计算机对传感器实验进行监控时，可以不用通信模块。
图2～图8中相同的网络标号在电气上是连通的。
Claims (3)
1.一种金属箔式应变片实验装置，其特征在于，包括：电源单元（1）、应变信号处理单元（2）、按键单元（3）、编程接口单元（4）、单片机单元（5）、电压输出单元（6）、数据显示单元（7）、通信接口单元（8）、通信模块（9）；其中：
电源单元（1）：为装置提供稳定的工作电压，与各单元构成电气连接；
应变信号处理单元（2）：对应变传感器信号进行处理，包括传感器、信号放大，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
进一步地，应变信号处理单元包括应变片传感器组成的电桥单元BR1、插座J7、J8、集成电路U4～U6、电容C13～C15、电阻R23～R34、电位器RW1～RW3；作用是对应变传感器信号进行处理，包括传感器信号接入、信号放大，并将放大后的电压信号输出给单片机；其中U4为电压基准集成电路，型号为REF3130；U5、U6是内部含有双单元运放的集成电路，型号为OPA2333；电桥单元BR1使用四个电阻应变传感器YR1～YR4，其型号、阻值和灵敏度均相同；插座J7用于连接传感器，插座J8用于接入+15V、-15V、+4V、-4V电源；
连接关系是：YR1与YR2的公共连接端连接到插座J7的第2引脚及U5A的第3引脚，YR2与YR3的公共连接端连接到插座J7的第1引脚及U4的OUT引脚，YR3与YR4的公共连接端连接到插座J7的第3引脚及U5B的第5引脚，YR1与YR4的公共连接端连接到插座J7的第4引脚并连接到GND；
U5B的第5引脚通过电阻R32连接到电位器RW3的中心头引脚，电位器RW3的两个固定端分别连接到+4V电源和-4V电源；
U5A的第8引脚接+15V电源，第4引脚接-15V电源；U5A的第2引脚与第1引脚间连接电阻R23；U5B的第6引脚与第7引脚间连接电阻R24；U5A的第2引脚与U5B的第6引脚间还连接有接成可变电阻的电位器RW1；
U6A的第8引脚接+15V电源，第4引脚接-15V电源；U6A的第2引脚与第1引脚间连接电阻R27；U6A的第2引脚与U5A的第1引脚间连接电阻R25；U6A的第3引脚与U5B的第7引脚间连接电阻R26，U6A的第3引脚通过电阻R28连接到GND；
U6B的第6引脚与第7引脚间连接电阻R30；U6B的第6引脚与U6A的第1引脚间连接电阻R29；
U6B的第7引脚通过电容C15连接到GND；U6B的第7引脚输出的电压Vo信号作为应变信号处理单元的输出信号，连接到单片机的第18引脚，通过单片机内部的模数转换模块转换为数字信号；
U6B的第5引脚通过电阻R31连接到电位器RW2的中心头引脚，电位器RW2的两个固定端分别经电阻R33、R34连接到+15V电源和-15V电源；
按键单元（3）：通过按键提供100克校准指令或复位指令，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
编程接口单元（4）：用于单片机程序的编程、调试与下载，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
单片机单元（5）：作为本装置的核心控制单元，在程序的调度下进行工作，与电源单元（1）、应变信号处理单元（2）、按键单元（3）、编程接口单元（4）、电压输出单元（6）、数据显示单元（7）、通信接口单元（8）构成电气连接；
电压输出单元（6）：单片机将应变信号处理单元（2）输出的数据转换为模拟电压信号输出，供实验台上的电压表进行显示，输出的电压值与传感器测量的净重值成正比，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
数据显示单元（7）：单片机将应变信号处理单元（2）输出的数据经软件进行分析处理后，显示传感器测量的原始数据、空载数据、净重数据、净重克数、转换系数及输出转换为模拟电压的数据，与电源单元（1）、单片机单元（5）构成电气连接；
通信接口单元（8）：单片机通过该单元与上位机进行通信，以便上位机能够通过配套的软件对传感器实验进行监控，与电源单元（1）、单片机单元（5）、通信模块（9）构成电气连接；
通信模块（9）：使用无线通信模块与上位机进行半双工通信，与电源单元（1）、通信接口单元（8）构成电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种金属箔式应变片实验装置，其特征在于，所述的单片机单元及编程接口单元包括高速高性能单片机U2、电阻R11～R13、R15～R17、电容C6～C11、电压基准VD2、发光二极管LED1、插座J3、J5；其中单片机U2的型号为C8051F410；
连接关系是：单片机U2第1、3、8引脚相连，再通过电阻R11连接到电源VCC，通过电容C8与GND相连；通过电阻R13连接到单片机U2第11引脚，在第11引脚与GND之间连接VD2、C9、C10；单片机U2第13引脚连接到按键单元的K1；单片机U2的第15引脚通过电阻R15连接到LED1的阳极，LED1的阴极接GND；单片机U2的第6引脚接GND，第7引脚与GND之间连接电容C6、C7，第21引脚连接到通信接口单元的TX，第22引脚连接到通信接口单元的RX；
J3的第2引脚连接到单片机U2的第32引脚，第3引脚连接到电源单元的RST，第4引脚连接到单片机U2的第2引脚；第5引脚接GND；
J5的第1引脚连接到GND，第2、6、17、18相连接，再通过电阻R17连接到VCC；J5的第4、5引脚分别连接到U2的第23、24引脚；J5的第15、16引脚分别连接到U2的第20、19引脚；J5的第7～13引脚分别连接到U2的第25～31引脚；J5的第14引脚通过电阻R16连接到U2的第32引脚。
3.根据权利要求1所述的一种金属箔式应变片实验装置，其特征在于，所述的电压输出单元包括电阻R19～R22、放大器U3B、插座J4；
连接关系是：单片机U2第17引脚与GND之间连接电阻R19，通过电阻R20连接到U3B的第5引脚；U3B第6引脚与GND之间连接电阻R21，U3B第6引脚与第7引脚之间连接电阻R22；U3B第7引脚连接到插座J4的第1引脚，作为电压Vo输出引脚；J4的第2引脚接GND。
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