本發(fā)明涉及機(jī)械測量技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是一種自適應(yīng)測量的電阻應(yīng)變片測力方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電阻應(yīng)變片是用于測量應(yīng)變的元件，由于電阻應(yīng)變片能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化或者壓力變換等轉(zhuǎn)換為阻值變化，因此，電阻應(yīng)變片在測量領(lǐng)域廣泛使用。現(xiàn)有的應(yīng)變測量多是通過應(yīng)變儀進(jìn)行測量，應(yīng)變儀將輸出電壓經(jīng)調(diào)理后顯示，即為受力大小，但目前市場上使用的應(yīng)變儀在測量任意力時(shí)不夠靈活，需要計(jì)算被測對(duì)象的受力和方向，并需在應(yīng)變測量前對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行較為詳細(xì)的受力分析和計(jì)算，使得使用過程比較繁瑣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自適應(yīng)測量的電阻應(yīng)變片測力方法及系統(tǒng)，從而對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行靈活標(biāo)定，并自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化計(jì)算，從而精確測量任意方向力的大小。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種自適應(yīng)測量的電阻應(yīng)變片測力方法，所述的測力方法的具體步驟如下：

S6.在受力構(gòu)件上粘貼電阻應(yīng)變片；

S7.假設(shè)有N個(gè)電阻應(yīng)變片，將每個(gè)電阻應(yīng)變片分別接入測量電橋，各測量電橋檢測每個(gè)電阻應(yīng)變片的受力并轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出的電壓經(jīng)放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換后為V_i,i＝1,2,…,N；

S8.對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定，給定被測力的方向，標(biāo)定M次，則M次標(biāo)定的受力為F_m,m＝1,2,…,M,測得相應(yīng)的電壓為V_im,i＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M,則有受力關(guān)系為

其中a_i,a_ij為標(biāo)定的自適應(yīng)參數(shù)，共N+N²個(gè)未知參數(shù)；

S9.計(jì)算自適應(yīng)參數(shù)a_i,a_ij，設(shè)一次測量誤差為

根據(jù)測量誤差ε_m，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為

用梯度最速下降法進(jìn)行計(jì)算，則

計(jì)算得N+N²個(gè)方程如下

根據(jù)方程求解出自適應(yīng)參數(shù)α_i^*,a_ij^*；

S10.根據(jù)計(jì)算出的自適應(yīng)參數(shù)a_i^*,a_ij^*，就可以開始實(shí)測受力的大小。如已測得N路電壓值為V_i,i＝1,2,,…,N，則被測受力為

其中被測力的方向?yàn)闃?biāo)定方向

為簡寫運(yùn)算公式，標(biāo)定公式(1)可用矩陣表示為：

F＝Va+F₂ (8)

其中F＝[F₁ … F_M]^T,a＝[a₁ … a_N]^T，F(xiàn)₂＝[f₁ … f_m]^T，T為矩陣轉(zhuǎn)矩。

本發(fā)明另提供一種自適應(yīng)測量的電阻應(yīng)變片測力系統(tǒng)，包括電阻應(yīng)變片、測量電橋、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及單片機(jī)，

電阻應(yīng)變片：電阻應(yīng)變片粘貼在測量對(duì)象上，在外力的作用下發(fā)生阻值變化；

測量電橋：電阻應(yīng)變片接入測量電橋，測量電橋檢測電阻應(yīng)變片的電阻變化，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后輸出；

放大模塊：放大模塊連接至測量電橋的輸出端，將測量電橋輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大；

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接至放大模塊的輸出端，將放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸出至單片機(jī)的信號(hào)輸入端；

單片機(jī)：連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算標(biāo)定參數(shù)，并根據(jù)標(biāo)定參數(shù)計(jì)算電阻應(yīng)變片所受任意方向力的大小。

進(jìn)一步地，在測量對(duì)象上粘貼一個(gè)或一個(gè)以上的電阻應(yīng)變片，每個(gè)電阻應(yīng)變片對(duì)應(yīng)連接有測量電橋、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成獨(dú)立數(shù)據(jù)采樣通道，各數(shù)據(jù)采樣通道分別連接至單片機(jī)的不同信號(hào)輸入端，由單片機(jī)將采集、放大、轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

進(jìn)一步地，所述的測量電橋?yàn)閱伪垭姌蚧螂p臂電橋或全等臂電橋。

進(jìn)一步地，所述的電阻應(yīng)變片測力系統(tǒng)還包括電源模塊，所述的電源模塊分別連接測量電橋、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及單片機(jī)，用以提供5V或6V或12V或24V的供電電源。

進(jìn)一步地，所述的單片機(jī)連接有顯示模塊，所述的顯示模塊對(duì)單片機(jī)計(jì)算出的受力數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

電阻應(yīng)變片在使用的過程中，對(duì)被測對(duì)象受力大小進(jìn)行標(biāo)定，自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，具有精確測量任意方向受力的功能，不必進(jìn)行受力分析和力學(xué)計(jì)算，使用方便，且易于集成化和智能化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的模塊連接示意圖；

圖2是本發(fā)明的原理框圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的技術(shù)方案進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用于方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

實(shí)施例1

本測力方法能對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行標(biāo)定，自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)，優(yōu)化計(jì)算，從而精確測量任意方向力的大小，具體的測力步驟如下：

步驟1：在測量對(duì)象上粘貼電阻應(yīng)變片，電阻應(yīng)變片的粘貼方式可參見一般的電阻應(yīng)變粘貼說明；

步驟2：將每個(gè)電阻應(yīng)變片分別對(duì)應(yīng)接入測量電橋，各測量電橋檢測每個(gè)電阻應(yīng)變片的受力并轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出的電壓經(jīng)放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換后為V_i,i＝1,2,…,n；

步驟3：對(duì)應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定，給定被測力的方向，標(biāo)定M次，則M次標(biāo)定的受力為F_m,m＝1,2,…,M,測得相應(yīng)的電壓為V_im,i＝1,2,…,N,m＝1,2,…,M,則有受力關(guān)系為

其中a_i,a_ij為標(biāo)定的自適應(yīng)參數(shù)，共N+N²個(gè)未知參數(shù)；

步驟4：計(jì)算自適應(yīng)參數(shù)a_i,a_ij，設(shè)一次測量誤差為

根據(jù)測量誤差ε_m，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)為

用梯度最速下降法進(jìn)行計(jì)算，則

計(jì)算得N+N²個(gè)方程如下

根據(jù)方程求解出自適應(yīng)參數(shù)a_i^*,a_ij^*；

步驟5：根據(jù)計(jì)算出的自適應(yīng)參數(shù)a_i^*,a_ij^*，就可以開始實(shí)測受力的大小。如已測得N路電壓值為V_i,i＝1,2,,…,N，則被測受力為

其中被測力的方向?yàn)闃?biāo)定方向。

由上述步驟對(duì)測力過程中的標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而能夠計(jì)算受力的大小。

實(shí)施例2

本測力系統(tǒng)主要包括電阻應(yīng)變片、測量電橋、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及單片機(jī)，以下結(jié)合附圖對(duì)各模塊進(jìn)行具體介紹，參見圖1。

本發(fā)明中的電阻應(yīng)變片可粘貼在測量對(duì)象上，電阻應(yīng)變片的引線端通過導(dǎo)線接入測量電橋，當(dāng)測量對(duì)象受力時(shí)，測量電橋檢測電阻應(yīng)變片的電阻變化，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后輸出，放大模塊連接至測量電橋的輸出端，將測量電橋輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為數(shù)字信號(hào)，并輸出至單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

電阻應(yīng)變片為一個(gè)或多個(gè)，具體情況根據(jù)被測對(duì)象的測力情況確定。電阻應(yīng)變片是由金屬或者半導(dǎo)體應(yīng)變片，當(dāng)電阻應(yīng)變片在收到外力的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的形變，使得阻值發(fā)生變化，如電阻應(yīng)變片在受壓時(shí)，金屬絲的長度會(huì)縮短，橫截面積變大，導(dǎo)致電阻減少。電阻應(yīng)變片應(yīng)根據(jù)測量對(duì)象的要求，恰當(dāng)?shù)剡x擇精度和范圍度。

電阻應(yīng)變片通過導(dǎo)線接入測量電橋中，一個(gè)電阻應(yīng)變片對(duì)應(yīng)一個(gè)測量電橋，即電阻應(yīng)變片有N個(gè)，則對(duì)應(yīng)構(gòu)成N個(gè)測量電橋。測量電橋是將被測物體受力變化轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)的一種轉(zhuǎn)換調(diào)理電路，含有電阻應(yīng)變片的測量電橋能夠檢測到電阻應(yīng)變片受壓時(shí)微弱的電阻變化，并轉(zhuǎn)換為電壓輸出。出于精確度的要求并考慮到溫度、濕度等的影響，測量電橋可設(shè)置為單臂電橋或雙臂電橋或全等臂電橋，一般采用單臂測量電橋。

由于電阻應(yīng)變片的應(yīng)變是非常微弱的，即使利用測量電橋感知被測力，但還是需要放大模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。放大模塊連接至測量電橋的輸出端，用于將測量電橋輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本發(fā)明中的放大模塊采用市面上常用的放大模塊，需注意的是：放大模塊的放大倍數(shù)可選，如10倍、20倍、30倍等，使得不同應(yīng)變片的放大倍數(shù)可以相同，也可以不同，但要求在標(biāo)定時(shí)一次確定，調(diào)節(jié)放大模塊的放大倍數(shù)使得電阻應(yīng)變片的電壓輸出值達(dá)到1V～5V左右，固定放大倍數(shù)，并保證放大倍數(shù)在后續(xù)標(biāo)定和測量時(shí)是固定的。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊是將經(jīng)放大模塊放大后的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端連接至放大模塊的輸出端，并輸出至單片機(jī)的信號(hào)輸入端。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采用市面上常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，當(dāng)然，也可采用帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)這一功能。

單片機(jī)是用于對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)的帶有多個(gè)數(shù)據(jù)輸入接口，用于連接模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。單片機(jī)計(jì)算標(biāo)定參數(shù)，并根據(jù)標(biāo)定參數(shù)計(jì)算電阻應(yīng)變片所受任意方向力的大小。單片機(jī)還連接有顯示模塊及鍵盤等外部設(shè)備，顯示模塊主要對(duì)單片機(jī)計(jì)算出的受力數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，鍵盤用于輸入數(shù)值等。單片機(jī)的型號(hào)可選用ST系列的51單片機(jī)。

為保證整個(gè)系統(tǒng)的供電，電阻應(yīng)變片的測力系統(tǒng)還包括電源模塊，電源模塊分別連接測量電橋、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及單片機(jī)。電源模塊一般是根據(jù)各模塊的工作電壓要求提供電壓，如5V或6V或12V或24V的供電電源，電源模塊的電路連接結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)有技術(shù)中的相關(guān)電路，在此不做贅述。

實(shí)施例3

本發(fā)明中的每個(gè)電阻應(yīng)變片可對(duì)應(yīng)連接有測量電橋、放大模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊從而構(gòu)成獨(dú)立的數(shù)據(jù)采樣通道，各數(shù)據(jù)采樣通道分別連接至單片機(jī)的不同信號(hào)輸入端，由單片機(jī)將采集、放大、轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

本實(shí)施例中現(xiàn)以4組數(shù)據(jù)采樣通道進(jìn)行舉例說明，參見圖2，本實(shí)施例中的應(yīng)變片系統(tǒng)包括單臂電橋、放大模塊、ST51模塊(單片機(jī))、顯示模塊、電源模塊、鍵盤。由于有四個(gè)應(yīng)變片，對(duì)應(yīng)的有四組測量單臂電橋及四組放大模塊，ST51模塊帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，因此可省略模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，測力步驟可參見實(shí)施例1中的具體步驟，再此不做贅述，僅以4組數(shù)據(jù)采樣通道進(jìn)行說明。

測量單臂電橋共有四組，根據(jù)電橋輸出分別設(shè)置四組放大模塊的放大倍數(shù)。放大后的輸出電壓經(jīng)ST51模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后為V_i,i＝1,2,3,4，而后采用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算受力為：

其中參數(shù)a_i,a_ij,i,j＝1,2,3,4為自適應(yīng)參數(shù),由系統(tǒng)自適應(yīng)標(biāo)定,具體自適應(yīng)標(biāo)定方法如下：

設(shè)M次標(biāo)定數(shù)據(jù)為F_m,m＝1,2,…,M,相應(yīng)的四組電壓分別為V_im,i＝1,2,3,4,m＝1,2,…,M,則受力為

F＝Va+F₂

當(dāng)M≥20時(shí)，可以計(jì)算參數(shù)a_i,a_ij，可以優(yōu)化計(jì)算。

優(yōu)化計(jì)算如下，設(shè)一次測量誤差為

優(yōu)化如下目標(biāo)函數(shù)

用梯度最速下降法計(jì)算標(biāo)定參數(shù)，則

計(jì)算得：

如M＝20時(shí)，則會(huì)有20個(gè)方程，由此可以計(jì)算參數(shù)a_i^*,a_ij^*。

當(dāng)受力比較簡單時(shí)，如只有軸向力或僅有扭矩時(shí)，設(shè)計(jì)設(shè)置a_ij＝0，此時(shí)用矩陣表示為：a＝V^-1F，此處V^-1為V的偽逆。如測軸向力時(shí)，a_i＝0.25,i＝1,2,3,4。

單片機(jī)計(jì)算出電阻應(yīng)變片所受任意方向力的大小，并利用顯示模塊對(duì)單片機(jī)計(jì)算出的受力數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。