基于無線傳輸?shù)膽?yīng)力測(cè)試儀設(shè)計(jì)

摘 要：應(yīng)力測(cè)試儀廣泛應(yīng)用于移動(dòng)車輛、大型工程機(jī)械等工程裝備領(lǐng)域。目前采用有線的方式進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試時(shí)，易產(chǎn)生接線復(fù)雜、電線斷裂、移動(dòng)測(cè)試?yán)щy等情況，文章設(shè)計(jì)了基于無線傳輸?shù)膽?yīng)力測(cè)試儀總體框架，包括信號(hào)采集裝置和信號(hào)接收裝置，兩個(gè)裝置之間通過ZigBee進(jìn)行無線通信。推導(dǎo)了應(yīng)變片電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化方程，然后設(shè)計(jì)了供電電源管理模塊、信號(hào)放大模塊、ZigBee無線傳輸模塊電路等關(guān)鍵電路，并采用Arduino UNO R3單片機(jī)設(shè)計(jì)了相應(yīng)程序，最后，對(duì)應(yīng)力測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)和樣機(jī)加工，并進(jìn)行了初步測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力測(cè)試儀；應(yīng)力信號(hào)；模塊電路；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP211 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）13-0024-05

Design of Stress Tester Based on Wireless Transmission

SONG Feng

（Stainless Steel Branch of Gansu Jiugang Group Hongxing Steel Co.， Ltd.， Jiayuguan 735100， China）

Abstract： Stress testers are widely used in the field of engineering equipment such as mobile vehicles， large construction machinery and so on. At present， it is easy to encounter complex wiring， wire breakage， difficulty in mobile testing and other situations when using wired stress testing. This paper designs the general framework of the stress tester based on wireless transmission， including a signal acquisition device and a signal receiving device， and the two devices communicate wirelessly through ZigBee. It derives the voltage signal conversion equation for strain gauges. Then， key circuits such as power supply management module， signal amplification module， ZigBee wireless transmission module circuit are designed， and corresponding programs are designed using Arduino UNO R3 single-chip microcomputer. Finally， the structure of the stress tester is designed in 3D and the prototype is processed， and preliminary testing is conducted to verify the feasibility of the design scheme.

Keywords： stress tester; stress signal; module circuit; ZigBee

0 引 言

國家在設(shè)施建設(shè)工程和大型工程項(xiàng)目方面取得了歷史性的成就，推動(dòng)了大型工程機(jī)械、高鐵建設(shè)裝備、橋梁檢測(cè)設(shè)備等大型工程裝備的制造水平快速提升[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)工程裝備智能制造，必須對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)變模態(tài)、結(jié)構(gòu)變形、抗沖擊力等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)與改進(jìn)。應(yīng)力測(cè)試儀是一種測(cè)量機(jī)械零件、構(gòu)件或試樣應(yīng)變的儀器，在大型工程裝備的試驗(yàn)測(cè)試中有著廣泛的應(yīng)用[4-5]。

目前主流的應(yīng)力測(cè)試儀大多數(shù)沒有無線數(shù)據(jù)采集功能，只能通過數(shù)據(jù)線來采集和處理信號(hào)。這在移動(dòng)車輛、大型工程機(jī)械、橋梁機(jī)械等工程裝備的作業(yè)過程中會(huì)帶來很多困難，比如現(xiàn)場(chǎng)接線復(fù)雜、電線容易斷裂等[6-7]。

相較于有線傳輸而言，采用無線通信終端建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式具有如下優(yōu)點(diǎn)：成本造價(jià)低廉；建設(shè)工程周期短；設(shè)備靈活性高；組網(wǎng)安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；易于多媒體通信與組網(wǎng)[8-10]。

因此，將無線傳輸技術(shù)引入到應(yīng)力測(cè)試儀的設(shè)計(jì)中，可以簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)接線，避免電線斷裂等問題，提高應(yīng)力測(cè)試儀的穩(wěn)定性和效率，具有很好的市場(chǎng)前景。

1 總體框架設(shè)計(jì)

根據(jù)移動(dòng)車輛、大型工程機(jī)械、橋梁機(jī)械等工程裝備在作業(yè)過程中需要進(jìn)行無線應(yīng)力測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了基于無線傳輸?shù)膽?yīng)力測(cè)試儀總體框架，如圖1所示。分為應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)采集裝置和應(yīng)力信號(hào)接收裝置，應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)采集裝置安裝在大型機(jī)械的本體結(jié)構(gòu)上，應(yīng)力信號(hào)接收裝置放在幾十米以外的位置，采集裝置和接收裝置之間采用ZigBee技術(shù)進(jìn)行通信。應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)采集裝置的主要功能是通過貼在機(jī)械本體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變片采集應(yīng)變信息，并將其轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)放大器后，采用Arduino開發(fā)板1通過串口通信將其信號(hào)讀入，然后再次通過串口通信，經(jīng)過ZigBee通信模塊1將采集的應(yīng)變信息傳出；應(yīng)力信號(hào)接收裝置的主要功能是采用Arduino開發(fā)板2將應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)采集裝置所采集到的信息通過ZigBee通信模塊2讀入，然后通過CAN通信模塊將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收到信號(hào)以后，將其分析、處理后，從而轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變信息。

2 應(yīng)力測(cè)試原理分析

應(yīng)力測(cè)試儀的基本原理是通過測(cè)量外力對(duì)物體的作用，以及外力作用下物體的變形和應(yīng)力，來計(jì)算物體的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)特性。應(yīng)力測(cè)試儀會(huì)根據(jù)測(cè)量出來的應(yīng)力和應(yīng)變值來評(píng)估材料的強(qiáng)度，從而可以知道材料在特定力的作用下的變形和強(qiáng)度。應(yīng)力測(cè)試儀的常見類型有電阻應(yīng)變片式、光纖光柵式和壓電傳感等。電阻應(yīng)變式由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、精度高等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用較為廣泛，因此，本文采用電阻應(yīng)變式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電阻式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要由基底、敏感柵、覆蓋層和引線等部分構(gòu)成?；资潜３置舾袞殴潭ǖ闹螌?，通常由紙或膠制成，覆蓋層是保護(hù)敏感柵的隔離層，通常由紙或膠制成，引線是連接敏感柵和測(cè)量電路的導(dǎo)線，通常由銅或錫制成。

電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形的變化而發(fā)生變化，這種現(xiàn)象可以用式（1）來表示：

式中ΔR為電阻的變化量，R為原始電阻，K為應(yīng)變片系數(shù)，ε為應(yīng)變。

當(dāng)電阻應(yīng)變片粘貼在被測(cè)對(duì)象上時(shí)，它會(huì)與被測(cè)對(duì)象一起伸長或收縮，從而改變其電阻值。為了測(cè)量這種微小的電阻變化，通常需要使用一個(gè)電橋電路和一個(gè)放大器等電子器件，將電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力或應(yīng)變的測(cè)量和控制。

常用的測(cè)量電路有直流電橋和交流電橋兩種，由于大型工程裝備的電控系統(tǒng)多以直流為主，因此，本文采用常用的直流惠斯通電橋，如圖3所示。電橋是由連接成環(huán)形的四個(gè)橋臂組成的，每個(gè)橋臂上是一個(gè)電阻，分別為R1、R2、R3及R4，它們都可以是應(yīng)變片。

由圖3可知，其輸出電壓為：

當(dāng)被測(cè)物體沒有發(fā)生形變時(shí)，電橋平衡，輸出電壓U為0，電阻關(guān)系為：

當(dāng)物體發(fā)生形變時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻值也發(fā)生變化。惠斯通電橋的作用就是將其轉(zhuǎn)化為電壓的變化，再使用一個(gè)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力或應(yīng)變的測(cè)量，此時(shí)輸出電壓發(fā)生變化為：

當(dāng)這四個(gè)電阻阻值相同時(shí)，可將上式Rn替換為R，由于電阻變化量遠(yuǎn)小于電阻值本身，所以忽略掉高階小量，上式可化簡(jiǎn)為：

再將電阻應(yīng)變效應(yīng)公式帶入得：

上式表明，當(dāng)應(yīng)變片感受到的應(yīng)變發(fā)生變化時(shí)，最終會(huì)被轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，這個(gè)公式適用于全橋測(cè)量電路，其中四個(gè)應(yīng)變片的電阻變化量相等的情況。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

3.1 供電電源管理模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的應(yīng)力測(cè)試儀中，考慮到應(yīng)變片的橋壓為2.5 V，ZigBee無線傳輸模塊的工作電壓為3.3 V，信號(hào)放大模塊的輸入電壓與Arduino單片機(jī)的工作電壓均為5 V。并且，本系統(tǒng)主要通過Arduino單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，采集等功能，其轉(zhuǎn)換精度的高低會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定決定了Arduino單片機(jī)的轉(zhuǎn)換精度，所以設(shè)計(jì)時(shí)候要考慮到基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定及抗干擾。綜上所述，選取直流電壓5 V容量1 000 mAh鋰電池作為系統(tǒng)電源，工作時(shí)間超過10 h。5 V通過信號(hào)放大模塊內(nèi)置的TL431穩(wěn)壓電路，得到2.5 V的橋壓，又通過Arduino單片機(jī)上的3.3 V引腳向ZigBee無線傳輸模塊供電。

3.2 信號(hào)放大模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)放大模塊電路由應(yīng)變放大電路與TL431穩(wěn)壓電路組成，其差分放大電路原圖如圖4所示。應(yīng)變電阻橋式電路輸出差分電壓信號(hào)在μV級(jí)，2.5 V橋壓下一個(gè)με對(duì)應(yīng)的電壓變化是2.6 μV。基于該信號(hào)的特點(diǎn)，放大器的設(shè)計(jì)主要考慮高增益、高共模抑制比、低噪聲。信號(hào)放大模塊電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電橋輸出微弱信號(hào)的放大，其放大倍數(shù)可通過計(jì)算得出。

V1與V2為應(yīng)變片兩端的輸入輸出電壓，VOUT1為經(jīng)過第一次差分放大后的電壓輸出值，VOUT2為最終的電壓輸出值。理論上分析的關(guān)鍵是放大器的虛短和虛斷，首先從V2經(jīng)R3和R4到接地這一回路嚴(yán)格來說，經(jīng)過R3的電流應(yīng)等于流進(jìn)放大器正相輸入端的電流和經(jīng)過R4電阻的電流之和，但是放大器的輸入端汲取的電流一般是很小的，可以忽略，也就是所謂虛斷（放大器輸入端電流視為0，類似斷路）。于是以上回路形成了分壓電路，可得運(yùn)放的正輸入端電壓V+公式為：

由于運(yùn)放一般工作在線性區(qū)，其正負(fù)兩個(gè)輸入端的電位幾乎相同，就如同是短路（短路時(shí)電壓一致）。那么此時(shí)運(yùn)放的負(fù)輸入端電壓V-就等于運(yùn)放的正輸入端電壓V+。通過對(duì)V1，R1和R2的這一回路分析，可得：

移項(xiàng)，合并可得：

當(dāng)運(yùn)放的負(fù)輸入端電壓V-等于運(yùn)放的正輸入端電壓V+時(shí)，可得：

當(dāng)R4 = R2，R3 = R1，并且R2 / R1 = R4 / R3時(shí)，可得：

由此，可以通過公式得出VOUT1對(duì)應(yīng)的值，并將此值作為第二次差分放大的輸入電壓值，通過滑動(dòng)變阻器RP改變第二次差分放大中運(yùn)放的正輸入端電壓V+從而調(diào)整最終的電壓輸出值VOUT2的放大倍數(shù)。

3.3 ZigBee無線傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

本應(yīng)力測(cè)試儀中集成了ZigBee無線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的無線傳輸。該模塊是為實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款低功耗模塊。通過該模塊選擇無線透?jìng)髂Ｊ?，?shí)現(xiàn)兩個(gè)UART之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。此模塊通信工作電壓選擇3.3 V，通過Arduino上的3.3 V接口提供電源，兩者直接通信時(shí)只需要將ZigBee無線傳輸模塊的TXD、RXD分別加到Arduino的TXD、RXD上即可。

4 Arduino軟件程序設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)只有高電平和低電平（非0即1，沒有中間電壓）；模擬信號(hào)則存在連續(xù)的電壓，它的變化是連續(xù)的，不會(huì)總從一個(gè)高電壓跳崖式地陡降到低電壓，當(dāng)然也不會(huì)陡然爬升。他們的區(qū)別很明顯，數(shù)字信號(hào)只有兩種電壓，且僅僅在這兩種電壓間變化，模擬信號(hào)是真實(shí)的自然電壓信號(hào)，其信號(hào)為連續(xù)的電壓變化。

由于Arduino Uno自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，使得其能夠從指定的模擬引腳讀取值。其主板有6個(gè)通道（Mini和Nano有8個(gè)，Mega有16個(gè)），10位AD（模數(shù)）轉(zhuǎn)換器。這意味著輸入電壓0～5 V對(duì)應(yīng)0～1 023的整數(shù)值。這就是說讀取精度為：5 V/1 024個(gè)單位，約等于每個(gè)單位0.049 V（4.9 mV）。輸入范圍和進(jìn)度可以通過函數(shù)“analogReference（）”進(jìn)行修改。所以根據(jù)通信原理圖及使用要求，采用與Arduino UNO R3單片機(jī)開發(fā)板對(duì)應(yīng)的Arduino IDE編程軟件進(jìn)行編程，編程界面如圖5所示，編寫程序使其能夠接收來自信號(hào)放大模塊的信息，并向ZigBee無線通信模塊發(fā)送串口信息。

5 應(yīng)力測(cè)試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完成應(yīng)力測(cè)試儀的電路設(shè)計(jì)以及Arduino單片機(jī)的變成后，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，如圖6所示，包括Arduino單片機(jī)、ZigBee無線傳輸模塊、信號(hào)放大模塊、應(yīng)力測(cè)試儀外殼、天線、外殼蓋、螺栓及螺母組成。

在應(yīng)力測(cè)試儀外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量把應(yīng)力測(cè)試儀的體積縮小，這就要求對(duì)內(nèi)部模塊的排布盡可能集中，并且各個(gè)模塊安裝時(shí)每個(gè)模塊之間都留有安裝間隙，這樣也便于以后的維修，同時(shí)還需要考慮應(yīng)力測(cè)試儀的整體安裝方案。

設(shè)計(jì)完成之后通過3D打印得出其實(shí)物圖，并采購相關(guān)電子元器件，進(jìn)行各模塊安裝，如圖7（a）所示。本文所設(shè)計(jì)的應(yīng)力測(cè)試儀能夠使用綁帶，其外殼蓋上的兩個(gè)長方孔將其固定在需要測(cè)量的工程裝備上，免去打孔的過程，也可以通過其外殼底部的四個(gè)耳孔進(jìn)行固定，該設(shè)計(jì)為滿足便于各種情況下的安裝。經(jīng)過對(duì)長250 mm、寬50 mm和厚2 mm的板類零件進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，如圖7（b）所示，在指定位置進(jìn)行測(cè)試，并采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果如圖8所示。應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果如表1所示，從表1中可以看出，應(yīng)力實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本吻合，說明測(cè)試方案具有一定的可行性。

6 結(jié) 論

根據(jù)移動(dòng)車輛、大型工程機(jī)械、橋梁機(jī)械等工程裝備在作業(yè)過程中需要進(jìn)行無線應(yīng)力測(cè)試需求，本文設(shè)計(jì)了基于無線傳輸?shù)膽?yīng)力測(cè)試儀總體框架，分為應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)采集裝置和應(yīng)力信號(hào)接收裝置。本文分析了應(yīng)變片的測(cè)試原理，并設(shè)計(jì)了應(yīng)力測(cè)試儀的供電電源管理模塊、信號(hào)放大模塊、Zigbee無線傳輸模塊等，并采用Arduino UNO R3單片機(jī)設(shè)計(jì)了相應(yīng)程序。根據(jù)所選擇的電子元器件，本文對(duì)應(yīng)力測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)原則是緊湊、可靠，并采用3D打印的方式加工了測(cè)試儀的外殼，安裝了相關(guān)的電子元器件，并進(jìn)行了初步測(cè)試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

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作者簡(jiǎn)介：宋峰（1987—），男，漢族，甘肅嘉峪關(guān)人，工程師，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。