电阻应变片桥式电路原理及课程实验设计

吴迪+周长伟+伍远博+沈成+冯灿+江均均+袁宇

摘 要：笔者设计了一个高精度的电阻应变片桥式测量电路。系统把12 V直流电源转换为5.5 V，再转换为各个芯片工作需要的5 V和3.3 V电压，由TL431芯片供给一个2.5 V基准电压源从而保证测量电压高稳定性。系统首先把全桥应变片电路作为传感单元，传感单元的输出信号送入AD620差分放大，再进入MCP3421中模数转换，最后经由MCU中的程序处理，在液晶显示屏中显示出来。测试结果表明，设计的电子分辨率达到0.1 g，电子秤称重范围0～500 g，称重误差小于0.5 g。设计的电子秤可以对应变片的线性应变进行测量，因此验证了电阻应变片传感器测量原理。

关键词：电阻应变片 桥式电路 应变片实验。

中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（c）-0128-03

在传统的实验教学中，传感器原理是一门理论性非常强的课程[1-2]，为了使学生更好地掌握每种传感器的原理，教学中都配套相应的实验。但是目前学生主要根据实验指导书进行验证性实验，实验操作训练不足，创新能力难以提升[3]。事实上，实验中以及实际测量中的应变是极其微小的，传统的测量仪器使用的测量方法和电路精度很差，只能作为尝试型的实验，无法满足高精度的测量。而现在有更多的教学选择虚拟仪器来模拟应变的测量过程[4-5]。但是这样让学生更缺乏对传感器和相应测量电路的深刻认识。

针对以上问题，该文提出一个高精度的电阻应片变桥式电路测量方法，由此设计了一个分辨率为0.1 g的高精度电子秤，来测量应变的线性程度，并把该方法应用到传感器原理的实验教学中。该设计由以12 V电源供电的电源模块、高精度的差放与模数转换模块、ATmega128A芯片为主的运算模块及键盘输入与显示模块等模块构成。该设计可以实现高精度测量，正确计算与显示电子秤的金额且能实现去皮等功能，满足0～500 g测量量程范围内误差小于0.5 g。

1 电阻应变片桥式电路原理

Ks为金属丝灵敏系数，其物理意义是单位应变引起的电阻相对变化。

所以应变片发生的应变可以转化为长度的变化，由此改变电阻。只需要测量出改变的电阻就能反映出应变的大小。

电阻改变可以用桥式电路实现。在使用全桥电路时其原理图如图1。

为符合实验设计要求，当在电桥两端所加电压为2.5 V时，电压放大电路的精度高于12位时便能保证整体系统精度在千分之一以内。

2 测量电路设计

2.1 电源电路

电源部分采用分级降压的方式，由12 V开关电源给芯片LM2596供电，LM2596将12 V转为5.5 V后，再通过3.3 V型的SPX3819芯片将电压转化为3.3V给ATmega128A单片机供电，在电桥部分采用TL431芯片为核心的2.5 V降压模块，模数转换模块与放大电路模块则统一用第二级降压模块5 V型的SPX3819作为供电电源。

以LM2596芯片为核心将输入的12 V电压进行一级降压，被降至5.5 V的电压将作为3.3 V降压模块与5 V降压模块的输入电压进行第二级降压。

如图2所示。SPX3819芯片作为第二级电源模块把5.5 V电压作为输入，并降至3.3 V和5 V电压供给单片机ATmega128A和其他芯片以实现稳定电压输入。

2.2 差放电路

使用AD620芯片，其原理图如图3。

桥式电路的AD+和AD-端口分别连接AD_IN1和AD_IN2，可实现高精度的差分放大。通过调节inaG1电阻，实现增益放大。阻值为150 Ω，约334倍增益。

2.3 AD模数转换电路

使用芯片MCP3421芯片进行输出信号的AD转换。其原理图如图4。

差放电路的输出电压经过MCP3421的1脚，可实现AD转换并由SCL和SDA端口输出给MCU主控芯片。

在单片机收到经由放大与模数转换后的电压信号后，为了实现价格的计算、总价的求和及去皮功能，须用到ATmega128A程序设计。图4为单片机的程序流程图，通过在多次读取数值后取平均值的数字滤波方式，再一次增强的输出数据的稳定性，增强了系统的抗干扰能力，从而加强了整体系统的精度。

3 实验设置与测量结果

3.1 实验设置

设计分析软件环境：Prpgisp172、CVAVR2软件、Altium Designer电路设计等软件。仪器设备硬件平台：12 V稳压电源、万用表等。

3.2 实验结果分析

（1）结果对比分析。

实验中对测量的输出电压以及对应的测量质量做出记录，如表1所示。

由表1和图5可以看出，所设计的电阻应变片桥式电路的输出电压和和相应的测量质量呈线性关系。说明应变片的应变和外力呈线性关系。由此，可以测量出相应的质量。

（2）系统测试性能指标。

①电子秤可以数字显示被称物体的重量，单位克（g）。

②电子秤称重范围0～500 g，称重误差小于0.5 g。

③电子秤可以设置单价（元/克），可计算物品金额并实现金额累加。

④电子秤具有去皮功能，去皮范围不超过100 g。

4 结语

该设计由以12 V电源供电，经AD620与MCP3421构成的差放与模数转换电路对信号进行处理、ATmega128A单片机执行与键盘操作相关程序后可以实现：高精度测量、正确计算与显示金额、实现去皮等提高功能，可以达到0～500 g量程，误差小于0.5 g。由此，可以对应变片的线性应变进行测量，因此验证了电阻应变片的传感器测量原理。

参考文献

[1] 贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京：东南大学出版社，2000.

[2] 李道华，李玲，朱艳.传感器电路分析与设计[M].武汉：武汉大学出版社，2000.

[3] 刘瑞，谷志翔.基于电阻应变片传感器的网络化虚拟实验设计[J].实验实践教学，2014（32）：119-124.

[4] 李凤保，李凌，王晓东.基于虚拟仪器的网络化测控系统[J].仪器仪表学报，2004，25（S2）：295-297.

[5] 吴建，裴峰，李晓红，等.基于LabVIEW的多通道数据采集系统设计[J].电子测试，2013（Z1）：52-54.

[6] 郇新，刘海亮.基于MSP430单片机的电子秤设计[J].数字技术与应用，2016（2）：28.