1、第 1 页 共 38 页基于 PS021 的应变电阻检测电路的设计摘要：PS021在 今 天 的 高 科 技 时 代 表 着 一 种 新 的 测 量 金 属 应 变 片 变 化 的 数 字 化 概 念 ，这 种 全 新 概 念 是 基 于 TDC 芯 片 技 术 ( 时 间 数 字 转 换 器 ) 而 产 生 的 ， 这种高新的数字测量原理提供非常高的测量灵活性。 整个系统得电流消耗包括传感器在内可以被降低到100微安以下。测量的精度可以与高端24位数模转换器相媲美,甚至在高测量刷新率的情况下,比之精度更高。其 原 理 将 电 阻 应 变 的 测 量 转 化 成 对放 电 时 间 的 测 量
2、。 PS021芯 片 可 以 通 过 SPI兼 容 的 串 行 口 与 单 片 机 MSP430进 行通 信 。 本设计主要用PS021芯片和MSP430系列单片机实现应变电阻检测电路的设计，详细介绍了PSO21与MSP430的原理以及通过SPI方式连接的工作过程。关键字：PS021,应变电阻,MSP430第 2 页 共 38 页Based on PS021 the Strain Detection Circuit Resistance Design Abstract ：PS021 stands for a new digital concept to measure metal strain
3、 gage(SG)。It is based on TDC technology (Time-to-Digital Converter). This high-tech digital measuring principle offers very high flexibility in measurement. The whole system may include sensors, including current consumption can be reduced to 100 microamps the following. Measurement accuracy and hig
4、h-end 24-bit DAC can be comparable, even in the case of high refresh rate measurements, more accurate than theHigh-end 24-bit DAC。The principle will translate into resistance strain measurement discharge time measurements.PS021 SPI-compatible chips by the serial port to communicate with the MSP430 m
5、icrocontroller.This design is mainly used PS021 MSP430 series MCU chip and strain resistance detection circuit design, detailing PSO21 principle with MSP430 SPI connected through the work process.Keyword: PS021 ,Strain resistance, MSP4301 绪论1.1 课题设计研究的背景和意义信息技术对社会发展科技进步起到了决定性的作用。现代信息技术的基础包括信息采编、信息传输
6、与信息处理。信息采集离不开传感器技术。科学技术与自动化生产过程中索要获取的各类信息，都要通过传感器获取并转换成为电信号。没有传感器技术的发展，整个信息技术的发展就成为一句空话。科学技术越发达，自动化程度越高，工业生产和科学研究对传感器的依赖性越大 1。传感器又分为电阻应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、电感式传感器、压阻式传感器等，传感器种类中的电阻应变式传感器，是应用于电测法工程测量中非常重要的装置。 电阻应变式传感器，经历了粘贴式电阻应变传感器，箔式电阻应变计之后，随着加工工艺、粘贴工艺等的技术进步，使传感器的准确度、可靠性大大提高，第 3 页 共 38 页在测量技术领域里得到了广泛
7、应用，成为应变电测技术中的重要组成部分 2。而且应变式传感器具有很多优点：1、分辨力高，能测出极微小的应变；2、误差较小，一般小于1%；3、尺寸小、重量轻；4、测量范围大，从弹性变形一直可测至塑性变形（1-2%），最大可达20%；5、既可测静态，也可测快速交变应力；6、具有电气测量的一切优点，如测量结果便于传送、记录和处理；7、能在各种严酷环境中工作。如从宇宙真空至数千个大气压；从接近绝对零度低温至近1000高温；离心加速度可达数十万个“g” 3；在振动、磁场、放射性、化学腐蚀等条件下，只要采取适当措施，亦能可靠地工作；8、价格低廉、品种多样，便于选择和大量使用。现在，传感器已由单纯作为转换元
8、件而发展成为多功能、智能化的信息测量元件。特别是微电子和微机械技术发展，必将给的传感器发展带来更广阔的空间。1.2 国内外的发展前景1.2.1 纵观国外电阻应变片的发展历程，可以把其分为三个阶段：第一阶段：当时电阻应变片主要用来测量各种工程结构的应力、应变和制作各种力学量传感器。主要的重点是研究应变传递原理，应变片的基本性能及其测量方法和应用技术等，并研究解决应变片在使用过程中的稳定性问题，其中包括应变片组成材料的匹配以及温度补偿和应变片自身的温度自补偿能力，扩大应变片使用温度范围。第二阶段：六十年代中期至八十年代初期，随着称重传感器在电子衡量器中应用的扩大，为了进一步提高传感器用应变片的性能
9、，降低应变片的蠕变滞后，提高应变片及传感器的长期稳定性，经过这一段时期的努力，国外箔式应变片基本都能满足各种称重传感器的不同需求 4。第三阶段：随着集成电路技术的发展，期间的小型化、微型化在称重传感器方面的应用也越来越受到关注，近十几年来，数字式称重传感器的成功应用，对传感器用应变片也提出了新的要求。除了传统的要求即：温度自补偿、蠕变自补偿及弹性变量自补偿等外，现在更关心的是应变片系统的抗疲劳性能和长期稳定第 4 页 共 38 页型。1.2.2 我国电阻应变片的发展概况我国的电阻应变片（简称应变片或称应变计）的研究、生产开始于上世纪五十年代，是由前苏联和英、美等国传入的。首先开始研制、生产的是
10、原机械科学研究院和北京航空学院。北航徐德治老师等在五十年代开始以祖国牌命名的电阻丝应变片（简称电阻丝片）、胶粘剂、静态应变仪等产品实现市场化。六十年代初，由北京钢铁学院和现今的 702 研究所研制了箔式应变片 5，为在应力测量和传感器方面的应用提供了良好的技术基础。在此期间，国内建立了首家以应变片、应变仪及负荷传感器、压力传感器为主要产品的专业生产厂。在国内形成了以上海有色金属研究所和北京钢铁研究院为首的应变合金箔材研究生产地。与此同时，702 研究所与昆明贵金属研究所、天津冶金材料研究所、北京冶金研究所、武汉冶金研究所及北京钢丝厂等单位共同开展各种高温应变片用的电阻合金材料的研究，开发了用于
11、 650、700、800 的铂钨合金及铁铬铝合金等 6，由北京航空学院和昆明贵金属研究所共同研制的高温应变片技术处于世界先进的水平。航空部 606 研究所在高温粘贴式应变片、焊接式应变片、喷涂式应变片等研制和应用方面都取得了很大的成就。由 702 研究所研制成功低温自补偿应变片，开拓了国内深低温领域（从室温至液氦温度）的应变测量技术。随着我国在衡器与自动称量技术方面的发展，对称重传感器用的应变片的需求量越来越大，对应变片品质的需求也越来越高，但是，由于我国当时的应变片而且生产厂不仅规模小、产量低，产品质量也不能满足称重传感器的要求。为了彻底改变应变片技术落后的面貌，八十年代中期，由中原电测仪器
12、厂等单位先后从美国、日本等国引进了箔式应变片的生产技术，使我国传感器用应变片的性能达到了一个新的水平。引进技术对我们的帮助和启示主要有：（1）了解和掌握了应变片的原图设计、刻图制版、合金箔材的热处理、基底胶合成、应变片密封技术以及应变片稳定化处理等核心技术，使应变片质量有了根本的保证。（2）引进和更新了各种工艺设备，为改进产品质量、提高生产效率起到很好的促进作用。（3）提高了产品的创新能力，如蠕变自补偿应变片和弹性模量自补偿应变片，第 5 页 共 38 页最大程度上满足了传感器的要求。（4）改善生产环境，建立起整体千级、局部百级的洁净生产线，实现温、湿度自动控制的无尘化生产。据有关单位报道，1
13、999 年，国内传感器生产企业 80已采用国产应变片，国外知名企业如以色列、日本、韩国以及欧洲、北美等地用户也大批量把我国应变片用于制造传感器 7。此后几年，国内又先后出现不少年产应变片几十万片至上百万片的应变片和传感器的生产厂，为我国称重传感器的发展提供了良好的物质基础。尽管如此，在我国，使国产传感器用应变片质量赶上国外先进水平，这将还有很长的路要走，我们必须共同努力。1.3 从应变计现状看电阻式传感器的前景3. 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。而它的核心部分电阻应变计，国内习惯称为电阻应变片，简称应变计或应变片，出现在 193
14、0 年左右，已有近七十年的历史。随着电子计算机技术及有限元计算方法的发展，特别是光纤传感器的发展，人们产生了一种认为电阻应变计技术已趋于老化的误解。但应该指出的是由于材料科学和工艺技术的发展，使得电阻式传感器的核心部分应变计的各项材料及工艺（主要是敏感栅和粘结剂材料）得到了很大发展，特别是敏感栅薄膜和厚膜的采用使之能适应越来越广泛的需要，而正是电子技术和电子计算机技术的进步使得电阻式传感器这一古老的技术焕发了青春，也必将有更大的发展。同时，由于电阻应变计具有许多特点：4. （1）应变输出线性好，精度高5. （2）具有长期的稳定性，耐久性好6. （3）价格低廉7. （4) 体积小，质量轻，使用方
15、便8. （5）使用温度范围广，可以在特殊环境下使用9. （6）不仅能测量静态，而且对动态和冲击都有优良的响应性10. 这些特点是目前其他任何一种敏感元件所不能相比的，因此电阻应变计无论是在科研生产中还是在工业生产中仍具有广阔的应用前景，也即是电阻式传感器第 6 页 共 38 页具有广阔的应用前景 8。2 应变电阻检测电路的设计2.1 应变电阻介绍电阻应变片是一种能将试件上的应变变化转换成电阻变化的传感元件，其转化原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。所谓电阻应变效应是指金属导体的电阻值随变形而发生改变的一种物理现象。金属应变电阻的阻值由于金属变形而改变,尤其是当其长度改变的时候。 应变e 则表达
16、了应变片长度的相对变化:电阻的变化比率与应变得变化比率之间有一个应变系数K, 其关系为:第 7 页 共 38 页K为单根金属丝的灵敏系数，其物理意义为：当金属丝发生单位长度变化时，其大小为电阻变化率与其应变的比值，亦即单位应变的电阻变化率 9。对于大多数金属应变片一般K值为2。如果应变电阻以惠斯通桥接方式连接, 上面结果就相当于最大输出电压信号2mv/v电阻应变计的阻值通常在350到1000欧姆之间。根据最大电阻值的变化有效测量的电阻变化在0.7到2欧姆之间.如此小的电阻变化测量必须根据测量任务而解决，需要的精度范围也非常广。2.2 应变测量电路分析与设计2.2.1 直流电桥平衡条件如图1所示
17、,E为电源,R1,R2,R3 及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。当RL 时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，U0=0， 2.2.2 直流电桥工作原理(1)图 2-1 直流电桥(2)图 2.1 直流电桥第 8 页 共 38 页应变片工作时,若应变片电阻R1变化为R1+R1, 其他桥臂固定不变,则桥路不平衡输出电压为 设桥臂比n=R2/R1,由于 R1 R1,分母中R1/R1可忽略 ,并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,则(3) 式可写为电桥电压灵敏度由dKU/dn=0求得n=1 时,Ku 为最大值。此时有2.2.3 线性误差及其消除由(4)式求出的输出电压因略去分母中的R1/R1项而得出的是理
18、想值 ,含有非线性误差。为了减小和克服非线性误差,通常采用差动电桥,如图2所示。在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,接入电桥相邻桥臂,构成半桥差动电路,该电桥输出电压为若R1=R2, R1=R2, R3=R4, 则由式(7)可知,UO 与R1/R1呈线性关系,差动电桥无非线性误差 ,而且电桥电压灵敏度KU=-E/2,比单臂工作时提高一倍。但是有些情况下,试件受力特点决定无法采用(3)(4)(5)(6)(7)第 9 页 共 38 页差动电桥,本方法推导的应变计算公式,直接从公式中消除了线性误差。2.2.4 利用半桥进行温度效应的补偿2.2.4.1 电阻片的温度效应电阻片是金属
19、材料制成的,它的阻值随着温度的变化也要产生变化。另外由于试件和电阻片材料的线膨胀系数不同,从而也会使电阻片的阻值发生变化。温度变化引起的电阻变化是客观存在的,但不希望在测量结果中反映出来。2.2.4.2 温度补偿电阻片的起始电阻为R,当它感受应变并伴随有温度变化时,它的电阻由R变为R+R + Rt 。在电桥的BC 臂接入一个同样的电阻片,其起始阻值也为R,将此电阻片贴在与构件同样的材料上,但它不感受应变。要求第2枚电阻片与工作片处于同样的环境温度中,它因温度变化引起的电阻变化Rt 与工作片因温度变化引起的电阻变化Rt 相同,称为温度补偿片。这时电桥的输出变化量图 2.2 差动电桥图 2.3 温度补偿电桥第 10 页 共 38 页式中A为比例常数,只与供桥电压和桥臂比有关。这样 ,电桥的输出电压仅与应变引起的电阻变化率成正比,与温度变化引起的电阻变化率RtR无关,起到了温度补偿的作用。2.2.5 电阻应变测量电路根据以上分析,采用直流电桥,运用三线制电阻应变测量技术,设计应变测量电路如图2-4 其中, UIN为供桥电压;R3、R4为固定桥臂电阻;Rg1为工作应变片;Rg2为补偿应变片;Rw1 、Rw2、Rw3为导线电阻;Rt1 为并联电阻;Rt2 为调零电位器;UO为桥路输出电压 10。(8)图 2.4 桥式测量电路原理图
