专利名称：一种弹簧管应变片组合式数字压力表的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于应力应变原理的弹簧管数字压力表。具体为一种弹簧管应变片组合式数字压力表。
背景技术：
随着科技的快速发展，嵌入式控制技术已经在各行各业当中得到了广泛的应用。 特别是在仪器、仪表行业，从单功能的模拟仪器仪表向数字化、多功能、智能化方向发展。传统的压力表是通过弹性体产生弹性形变，然后通过压力表的机械齿轮传功机构放大，压力表就会显示出相对于大气压的相对值。但是这类压力表一般比较笨重而且用久以后指针很容易偏掉，而且用肉眼观察存在误差，使得测量精度下降。从而机械式的仪器仪表都需要向数字化、多功能、智能化方向发展。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的技术问题，本发明提供一种弹簧管应变片组合式数字压力表。该数字压力表工作状态数值显示直观，操作方便，运行稳定，而且精度比较高，量程大。本发明的技术方案一种弹簧管应变片组合式数字压力表，它包括压力传感器、信号调理电路、微型计算机、LCD液晶屏、按键、压力表接头及表壳；所述的压力传感器由弹簧管内外两侧沿轴线对称的各贴两枚电阻应变片通过导线连成的全桥电路，外加两枚温度补偿应变片共同构成，其全桥电路输出端连接信号调理电路输入端(信号调理电路中加有负温度系数的热敏电阻，以便对压力传感器输出信号进行温度补偿)，信号调理电路输出端连接微型计算机采样端口，按键与微型计算机连接，微型计算机输出端连接LCD液晶屏，弹簧管一端密封为自由端，另一端有与压力源连通接头。本发明的技术方案中，信号调理电路包括全桥电路输出信号滤波电路和信号放大电路，其信号滤波电路输出连接信号放大电路的输入。本发明的技术方案中，信号调理电路的信号放大电路中，连接有负温度系数热敏电阻电路作为输出信号的温度补偿本发明的技术方案中，所述的微型计算机自带16位或者M位数模转换器，或者是外加16位或者M位模数转换器。本发明的技术方案中，所述的微型计算机为单片机、ARM或者DSP。本发明的技术方案中，微型计算机设置有实现开机自检、系统休眠、延时关机和低电压报警应用软件。本发明的技术方案中，所述的电阻应变片采用康铜材料或者半导体材料，紧密粘贴和固定在和弹簧管表面，构成电桥电路。本发明的技术方案中，所述的弹簧管应变片组合式数字压力表供电电源采用电池或者经过电源模块处理后的市电。
本发明的技术方案中，微型计算机的驱动芯片控制LCD液晶屏显示，经过按键在 PSI、BAR、KPA、MPA或KG五种不同的压力单位中进行单位切换。本发明的弹簧管应变片组合式数字压力表包括压力传感器、信号调理电路、微型计算机和LCD液晶屏；压力传感器实时采集弹簧管内流体压力大小的信号数值，并将该信号送到信号调理电路进行滤波和放大，信号调理电路连接微型计算机，微型计算机连接IXD 液晶屏，驱动IXD液晶屏显示。本发明将电阻应变片对称的粘贴在弹簧管的内外两侧构成全桥差动电路，电桥的输出端接信号调理电路，当弹簧管受压形变时，会使弹簧管发生形变，从而导致电阻应变片形变，应变片的形变导致应变片的电阻值改变，使得电桥失去平衡，出现电压信号。微型计算机通过检测该电压信号并将其转换成相应的物理压力值并送液晶显示。本发明的实质性特点和进步主要体现在采用弹簧管与应变片组合作为流体压力信号采集单元通用性好，量程范围宽，与现有机械式压力表技术衔接好。本发明通过采用低功耗微型计算机降低系统功耗，采用在无使用的时候自动关屏技术进一步降低系统功耗， 微型计算机自带16位或者M位的数模转换器，在放大电路中连接有负温度系数热敏电阻进行温度补偿，从而使得测量结果的精度和稳定性大大提高。本发明的数字压力表，测量范围从数十千帕到数百兆帕，而且只要更换杨氏模量不同的弹簧管即可变换压力测量范围，并且成本很低，克服了现有数字压力表量程越大，成本越高的缺点。
图1是本发明的弹簧管应变片组合式数字压力表原理2是本发明的弹簧管应变片组合式数字压力表的电阻应变片和温度补偿片粘贴示意3全桥电路原理4是本发明所用热敏电阻接线原理图。图中1-弹簧管；2-第1电阻应变片；3-第2电阻应变片；4-第3电阻应变片； 5-第4电阻应变片；6-接头；7-第1温度补偿片；8-第2温度补偿片。
具体实施例方式本发明的压力传感器实例结构如图2所示，在C型弹簧管1内外两侧沿轴向粘贴着第1电阻应变片2，第2电阻应变片3，第3电阻应变片4，第4电阻应变片5 ；第1电阻应变片2与第2电阻应变片3对称，第3电阻应变片4和第4电阻应变片5对称，四片电阻应变片连接组成全桥电路(见图幻，在此全桥电路中另外加了第1温度补偿片7和第2温度补偿片8 (如图4中的电阻R6和电阻R5)。因为C型弹簧管内压强相等，弹簧管同一侧各处伸缩变化率基本相等，因此只需要在C型弹簧管内外两侧沿轴向各对称的粘贴两片电阻应变片组成全桥电路。另外考虑到弹簧管受温度影响容易产生形变，因此在此全桥电路中另外加了 2片温度补偿片进行温度补偿。电阻应变片采用康铜材料，在弹性体上贴片工艺性好，而且弹性体与贴片粘贴过程对弹簧管(波特管)不产生影响。四个电阻应变片组成的全桥电路的示意图如图3所示其中第1电阻应变片2、第2电阻应变片3、第3电阻应变片4和第4电阻应变片5的电阻值相等，电桥维持初始平衡的条件R1*R4 = R2*R3，因而理论上电桥输出ΔU应该为零，并且输出电压AU = U* Δ Rl/ R1。但是由于弹簧管初始存在一定的形变，因此电桥输出不为零，但是可以通过软件校准调零，并且输出信号Δυ和被测压力呈线性关系。全桥电路输出信号AU经过信号调理其中信号调理包括信号滤波和信号放大， 信号滤器主要是滤除输出电压Δυ中的纹波信号。由于全桥电路输出信号很小，因此需要经过放大器放大，在放大电路中加有负温度系数的热敏电阻以改变放大器的放大倍数(如图4所示)，主要原理是当环境温度变化的时候，负温度系数电阻的阻值也会发生相应的变化，从而改变放大器的放大倍数，补偿全桥电路输出的电压。弹簧管因环境温度产生的形变从而改变输出电压Δ U。全桥电路输出信号经过放大器放大后接到微型计算机的A/D采样端口，本发明以 16位ADC为例。选择的微型计算机自带16位的数模转换器，从而使得电路结构更加简单，也节约了 PCB(PrintedCircuitB0ard，印制电路板)的空间，降低了 PCB的制作成本。最关键是 MCU自带的16位的数模转换器很大程度上提高了压力表的精度，根据数模转换最小分辨率计算公式求出MCU最小分辨电压Vmin = Vref/216V，其中Vref位MCU内部数模转换基准参考电压，且Vref = 1.25V，因此算出Vmin = 0. 019mV，而由于压力传感器最大输出电压AU 为0. 5mV，而放大倍数为20，因此可以计算出数字压力表的理论精度为0. 019mV/0. 5*20mV =0. 0019 = 0. 19% FS，并且实际实验测量得到的精度为0. 4% FS，达到了国标的要求。进一步地，采用M位ADC (数模转换器)，精度将达到0. 1 % FS。设计新型显示部分可以分别显示PSI、BAR、KPA、MPA、KG等五种不同的单位，从而使得设计的显示部分实用性大大加强，并且微型计算机内部自带液晶显示驱动，从而进一步节省了 PCB的空间，而且在软件设计方面更加合理，主要体现在非工作状态自动关屏，进一步节省了电耗量。
权利要求
1.一种弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于，该数字压力表包括压力传感器、 信号调理电路、微型计算机、LCD液晶屏、按键、压力表接头及表壳；所述的压力传感器由弹簧管内外两侧沿轴线对称的各贴两枚电阻应变片通过导线连成的全桥电路，外加两枚串联在全桥电路中的温度补偿应变片组成，其全桥电路输出端连接信号调理电路输入端，信号调理电路输出端连接微型计算机采样端口，按键与微型计算机连接，微型计算机输出端连接IXD液晶屏，弹簧管一端密封为自由端，另一端设有与压力源连通接头。
2.根据权利要求1所述的弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于信号调理电路包括全桥电路输出信号的滤波电路和信号放大电路，其信号滤波电路输出连接信号放大电路的输入，信号放大电路中，连接有负温度系数热敏电阻电路作为输出信号的温度补偿。
3.根据权利要求1所述的弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于所述的微型计算机自带16位或者M位AD转换器，或者是外加16位或者M位AD转换器。
4.根据权利要求1所述的弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于所述微型计算机为单片机(超低功耗)、ARM或者DSP。
5.根据权利要求1所述的弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于微型计算机设置有实现开机自检、系统休眠、延时关机和低电压报警应用软件。
6.根据权利要求1所述的弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于，所述的电阻应变片( 为康铜材料或者半导体材料。
7.根据权利要求1所述的弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于，该数字压力表供电电源采用电池或者经过电源模块处理后的市电。
8.根据权利要求1所述的弹簧管应变片组合式数字压力表，其特征在于微型计算机通过驱动芯片控制IXD液晶屏显示，经过按键在PSI、BAR、KPA、MPA或KG五种不同的压力单位中进行单位切换。
全文摘要
一种弹簧管应变片组合式数字压力表，主要由压力传感器、信号调理电路、微型计算机、LCD液晶屏、按键、电路板、压力表接头及表壳组成。压力传感器由弹簧管、沿弹簧管内外两侧轴线分别粘帖的两枚电阻应变片全桥电路、两枚温度补偿应变片和一个负温度系数热敏电阻构成。压力传感器连接由滤波和放大电路组成的信号调理电路，信号调理电路连接微型计算机，微型计算机连接LCD液晶屏和按键，弹簧管一端密封另一端经接头与压力源连通。该数字压力表适用于流体压力测量，经温度补偿后温漂误差小，还能实现单位切换、开机自检、休眠、延时关机和低电压报警附加功能，具有电路通用，量程范围宽，精度高，功耗超低，耐腐蚀，成本低，调零和校准方便的特点。
文档编号G01L7/04GK102519653SQ201110421949
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月15日 优先权日2011年12月15日
发明者熊和金 申请人:武汉理工大学