专利名称：高智能电阻应变片式传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器，尤其涉及一种面向岩土工程监测领域的、可用于监测高 速公路、桥梁以及建筑基坑等所承压力变化的高智能电阻应变片式传感器。
背景技术：
电阻应变片式传感器的原理是利用金属的电阻应变效应，通过电阻应变片将应变 量转换为电阻的变化量，测得电阻的变化量就可以得出相应的应变量。因为电阻的变化往 往是很微小的，假如采用直接单片电阻变化根据AR/R = Kse (其中，灵敏系数——K、电阻 值——R、AR—应变片电阻变化量、ε —应变)存在很多缺点，例如温度影响、灵敏度 差等。因此须采用专门的测量电路——电桥测量电路，这种测量电路不仅测量准确度高，且 可以进行温度补充。根据供桥电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥。常见电阻应 变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计 成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计 一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化而转化为电桥的电压发生变化，从而 可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应 变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器(见转矩传感器)、应变式位移传 感器(见位移传感器)、应变式加速度传感器(见加速度计)等。电阻应变式传感器的优点 是精度高，测量范围广，寿命长，结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小 型化、整体化和品种多样化等。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。但现有传感器具有如下的缺点1、对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。2、存在较大零点漂移等问题，影响测量结果。3、传感器输出的是实测电压值，信号传输距离有限，还须依据标定曲线换算才能 得出物体的被测物理量，测试速度慢，对测试人员的技术水平要求高；4、当传感器被大量埋设在工程结构中作长期质量监控期间，易造成传感器编号和 标定参数的丢失，以至测量出传感器频率值也无法算出相应的物理量的无效数据情况。
实用新型内容本实用新型所解决的技术问题在于提供一种高智能电阻应变片式传感器，以解决 上述背景技术中的缺点。本实用新型所解决的技术问题采用以下技术方案来实现高智能电阻应变片式传感器，包括位于待测点的应变片桥式电路、单片机、模数转 换器、存储器以及温度芯片，以上组件一体化封装在PCB板上，其中应变片桥式电路的输出 端通过模数转换器接入单片机的信号输入端，所述单片机连接有存储器以及温度芯片，可 以同时检测该测点的温度以及存储数据。本实用新型所述的高智能电阻应变片式传感器还包括有一个具有全球唯一编号的半导体温度传感器，半导体温度传感器置于单片机一端口的应变片应变位置，与应变片 桥式电路、单片机、模数转换器、存储器以及温度芯片一体封装，可以实时监测该点的温度变化。本实用新型中，所述应变片桥式电路可以为四个应变片连接成的桥式结构，也可 以为由两个应变片与两个标准电阻连接成的半桥式结构。由于直流半桥具有以下优点高 稳定度的直流电压源易于获得；半桥电路还可以通过补偿片对测量片进行直接的温度补 偿；调节平衡电路简单；传感器对测量电路的分布参数影响小。所以，本实用新型优选采用 直流半桥电路。本实用新型中，所述应变片输入端连接有电子电位器，操作者可通过调整电子电 位器的电阻，达到调节电桥平衡的效果，保证初始读取电压为零，起到调零作用。本实用新型中，所述温度芯片优先选用为DS18B20型温度计芯片，所述单片机优 先采用的是芯片STC89C58RD。本实用新型中，所述的存储器是串行接口的电可写只读存储器。本实用新型的安装方式是将电阻应变片粘贴在传感器的特有钢材的弹性面(该 钢材有一定弹性度，保证能随测量体变化而变化，但一般静止不动，随温度及外接变化小的 特性)，将电阻应变片牢固地粘贴在被测钢材某一测点处，随着钢铁发生变形，其形变传递 到特有钢材，从而应变片电阻值也产生相应变化。测得的电阻值的改变量，即可计算得到测 点外沿应变片方向的线应变值。由于待测点的应变量一般较小(以10_6量级计)，引起应 变片相应电阻的变化量也很小，采用半桥式直流电路来测量，即将应变片或应变片与标准 电阻接成桥式电路，它将应变片的电阻信号转化为电压信号，从而可以测量出被测物体所 受的力，或者是所受的压强或者直接测微应变，且输出数据都采用RS485信号，传输距离远 以及可以挂接节点数量多，扩展容易兼容性强。有益效果本实用新型安装方便、操作简单，存储器与传感器密封在一起，传感器 的编号、标定参数、已测试数据等信息被永久性地存储在传感器的存储器中，即使传感器的 传输线缆断损，只要重新接通就可从传感器中调出历史测试数据、并恢复新的测试，大大提 高了稳定性和可靠性。
图1为具体实施例示意图图2为本实用新型应变片桥式电路示意图图3为本实用新型应变片安装示意图图4为本实用新型原理示意图
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下 面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。参见图1高智能电阻应变片式传感器示意图，包括位于待测点的应变片桥式电 路、单片机、模数转换器、存储器以及温度芯片，以上组件一体化封装在PCB板上，其中应变 片桥式电路的输出端通过模数转换器接入单片机的信号输入端，所述单片机连接有存储器
4以及温度芯片，可以同时检测该测点的温度以及存储数据。本实施例采用电源模块提供5V 电源，为单片机供电，单片机输出信号采用RS485信号，所述应变片的输入端连接有电子电 位器，操作者可通过调整电子电位器的电阻，达到调整电桥平衡的效果，保证初始读取电压 为零，起到调零作用。参见图2为实用新型应变片桥式电路示意图，若R1、R2为应变片，而R3、R4为标准 电阻，为半桥结构；若Rl、R2、R3、R4均为应变片，则为全桥结构。本具体实施例采用半桥结构，标准电阻R3、R4可做温度补偿作用修正温度所产生
的影响。当电桥的四个桥臂的电阻值满足 R1/R2=R3/R4[0027]这一关系时，电桥平衡，即B、D间没有电压。当其中某一电阻发生变化时，电桥失 去平衡，从而B、D间有电压UBD。根据Ubd的大小可以计算相应的电阻变化量以及相应的线 应变大小。电压的变化Ubd大小与钢材的形变量有一定的线性关系。通过电脑可与前端采 集模块通信，每次读取到电压Ubd模块的MCU再根据标定计算出钢铁的微应变，从而可以测 量出被测物体所受的力，或者是所受的压强或者直接测微应变。常规应变传感器输出的一般为电压值输出电压值，还是经过换算才能得到物理 量，且调平衡电路复杂(手动电阻器更加不稳定)，也不能得到测点温度。而本实施例所述 的高智能电阻应变片式传感器调零是采用的电子电位器，有效解决了上述问题。本实施例所述高智能电阻应变片式传感器中的应变片安装方法如图3所示，补偿 片R3、R4位于弹性体的非应变区域，而应变片位于弹性体的应变区域，因此，当应变片因受 力关系而发生形变时，Rl和R2随着测点形变而使得电阻发生相应变化，R3和R4变化很小， 导致出现UBD发生变化。实际中R3、R4温度补偿片是贴在与被测构件材料相同但不受力的 试件上的应变片，该应变片充当温度补偿电阻用。在测量过程中，补偿片应放置在被测点附 近，以保证当环境温度改变时，测量片和补偿片的电阻Rl和R2为将发生相同的变化而不至 于影响电桥的平衡。本实施例所述高智能电阻应变片式传感器原理如图4所示，前端应变片采集的电 压接入到电路中，双极性信号加到单电源模数转换器AD623上，而输入单源电压，AD623可 以去除共模电压并且对输入有用信号放大100倍。信号再通过ADO的模数转换，通过IIC 通信协议与单片机STC89C58RD通信，将采集的应变电压输入单片机，温度芯片DS18B20也 通过单片机的一个I/O输入。在单片机的一个端口还接有位于应变片应变位置的半导体温度传感器，用来实时 监测该点温度的变化，其主要的是为了提供温度补偿的数据，进一步补充完善监测数据信息。[0032]单片机读取存储在存储器内的标定表，结合采集到的应变电压，最后输出形变量。前端采集模块宽范围供电、以及RS485通讯都是为了适应现场可能情况变化，12V 到5V的压降以及RS485的通讯距离都可适应远距离通信。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型 要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求高智能电阻应变片式传感器，包括位于待测点的应变片桥式电路、单片机、模数转换器、存储器以及温度芯片，以上组件一体化封装在PCB板上，其特征在于，所述应变片桥式电路为两个应变片与两个标准电阻连接成的半桥式结构，其输出端通过模数转换器接入单片机的信号输入端，所述单片机连接有存储器以及温度芯片。
2.根据权利要求1所述的高智能电阻应变片式传感器，其特征在于，所述单片机一端 口的应变片应变位置安装半导体温度传感器。
3.根据权利要求1所述的高智能电阻应变片式传感器，其特征在于，所述存储器为串 行接口的电可写只读存储器。
4.根据权利要求1所述的高智能电阻应变片式传感器，其特征在于，所述应变片桥式 电路应变片的输入端连接有电子电位器。
专利摘要高智能电阻应变片式传感器，包括位于待测点的应变片桥式电路、单片机、模数转换器、存储器以及温度芯片，以上组件一体化封装在PCB板上，其特征在于，所述应变片桥式电路为两个应变片与两个标准电阻连接成的半桥式结构，其输出端通过模数转换器接入单片机的信号输入端，所述单片机连接有存储器以及温度芯片。本实用新型安装方便、操作简单，存储器与传感器密封在一起，传感器的编号、标定参数、已测试数据等信息被永久性地存储在传感器的存储器中，即使传感器的传输线缆断损，只要重新接通就可从传感器中调出历史测试数据、并恢复新的测试，大大提高了稳定性和可靠性。
文档编号G01L1/22GK201653608SQ201020182160
公开日2010年11月24日 申请日期2010年5月7日 优先权日2010年5月7日
发明者何俊俊, 李恩民 申请人:长沙同盛电子科技有限公司