（机械电子工程专业论文）动态力测量系统的研究.pdf

摘要 摘要 踏跳力是指跳高运动员起跳瞬间对地面的作用力，对踏跳力的动态测量是为了获取 踏跳力实时变化的数据和曲线。根据实时数据和变化曲线，可以了解运动员踏跳力变化 规律；还可以把踏跳力的测量数据与相应的测试成绩进行比较，分析出影响运动成绩提 高的因素。在训练中教练员就可以依据这些变化曲线，针对不同运动员的实际情况，提 出合理的训练方案。例如，如何完成踏跳中的分解动作，如何调整起跳姿态等。因此踏 跳力测量具有重要的应用意义。 为了实现对踏跳力的动态测量，本课题主要从以下几个方面进行了分析设计。首先， 为了满足对踏跳力动态测量的要求，从理论上分析并提出了一个对踏跳力纵向分量实现 采集的应变式测力平台的设计方案；然后，以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为基础，搭建了可对传 感器输出模拟量完成模数转换并实现数据采集和发送的中间数据采集环节；最后，利用 d e l p h i 应用软件和s p c o m m 控件，实现了采集环节与上位p c 机之间的数据传输，以及 数据管理和曲线绘制等功能。在本课题中，提出了测量踏跳力纵向分量的测力平台的设 计方案。并用材料学中的强度理论和机械振动学的相关理论对平台进行了理论分析。 此踏跳力动态测量系统可实现对踏跳力纵向分量的动态测量。此系统的设计思路和 设计方法对于其他类似测量信号的动态测量也具有一定的参考价值。 关键词：动态测量；测力平台；单片机；数据采集 a b s t r a c t a b s t r a c t b o a r d b e a t i n gf o r c em e a n st h ea c t i n gf o r c eo nt h eg r o u n dd u r i n gt h em o m e n to ft a k e - o f f f o rt h eh i g hj u m p e r t h ep u r p o s eo ft h ed y n a m i cm e a s u r e m e mf o rb o a r d - b e a t i n gf o r c ei st o o b t a i nt h ec h a n g i n gr e a l t i m ed a t aa n dt h ec u r v e s b a s e do nas e r i e so fr e a l t i m ed a t aa n dt h e c h a n g i n gc u r v e s ，t h ev a r i a t i o nl a wo fb o a r d b e a t i n gf o r c ec a nb ec a nb ef o u n da n du s e d m o r e o v e r , c o m p a r e dm e a s u r e dd a t ao nb o a r d b e a t i n g f o r c ew i t h c o r r e s p o n d i n gt e s t s p e r f o r m a n c e ，i tc a nb ea n a l y z e da n do b t a i n e dt h a tw h i c hk i n do fc h a n g el a wo fb o a r d b e a t i n g f o r c eh a se f f e c to ne n h a n c i n gt h es p o r t sp e r f o r m a n c e d e p e n d i n go nt h e s eb e s tc h a n g ec u r v e s ， t h et r a i n e rm a yd r a wu pe x e r c i s ep r e s c r i p t i o n s ，w h i c hv a r yw i t l le a c hi n d i v i d u a li nt h et r a i n i n g f o re x a m p l e ：h o wt oa c c o m p l i s hd e c o m p o s i t i o nm o v e m e m s ，h o wt oa d j u s tt a k e o f fp o s t u r e t h e r e f o r e ，t h i sm e a s u r i n gh a sd e e pm e a n i n gi na c t u a lu s i n gv a l u e t h i sp a p e rh a sm a i n l yc a r r i e do nt h er e s e a r c hf r o mt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t si no r d e r t or e a l i z ed y n a m i cm e a s u r e m e n tf o rb o a r d - b e a t i n gf o r c e f i r s t l y ，t h ed e s i g ns c h e m eo fs t r a i n g a u g ef o r c ep l a t f o r l nh a sb e e na n a l y z e da n dp r o p o s e dt h e o r e t i c a l l y ，w h i c hc a nc o l l e c tv e r t i c a l c o m p o n e n t so fb o a r d - b e a t i n gf o r c e s e c o n d l y ，b a s e do nt h em i c r o c o m p u t e rc 8 0 51f 0 2 0 ， m i d d l ed a t aa c q u i s i t i o nl i n kw a sb u i l t ，w h i c hc a nc o m p l e t et h ea n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r s i o n f o ra n a l o go b t a i n e df r o mt h es e n s o ra n dr e a l i z et h ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o nf o rd a t a f i n a l l y ，谢t l ld e l p h is o f t w a r ea n ds p c o m mc o n t r o l ，t h ef u n c t i o no fd a t at r a n s m i s s i o n ，d a t a m a n a g e m e n ta n dc u r v ed r a w i n gi np cw e r ea l lr e a l i z e d i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g np r o p o s a lo f f o r c ep l a t f o r mf o rv e r t i c a l c o m p o n e n t so fb o a r d b e a t i n gf o r c ew a sp u tf o r w a r d ，a n dt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sw a sp r o c e s s e db ys t r e n g t ht h e o r yo fm a t e r i a ls c i e n c ea n dt h er e l a t e d t h e o r yo fm e c h a n i c a lv i b r a t i o ns c i e n c e t h i ss y s t e mc a nr e a l i z et h e d y n a m i cm e a s u r e m e n t f o rv e r t i c a l c o m p o n e n t so f b o a r d - b e a t i n gf o r c e b e s i d e st h ed e s i g nc o n c e p t i o na n dm e t h o do ft h i ss y s t e mh a sc e r t a i n r e f e r e n c ev a l u ef o ro t h e rs i m i l a rd y n a m i cm e a s u r e m e n ts y s t e m s k e yw o r d s ：d y n a m i cm e a s u r e m e n t ；f o r c ep l a t f o r m ；m i c r o m o n i t o r ；d a t aa c q u i s i t i o n 1 1 1 绪论 绪论 ( 1 ) 课题的来源和意义 有运动队提出，希望能够为其设计一套可以实现对跳高运动员踏跳瞬间的踏跳力进 行实时测量的装置。本课题正是根据这一测量要求提出的。 众所周知，对力的测量无非是静态和动态两种形式。其中，静态测量是指测量期间 其值可认为是恒定的量的测量；而动态测量则是指为确定量的瞬时值及其随时间变化所 进行的测量，即被测量是随时间而变化的【l 】。而很多场合中需要测量的信息又都是随着 时间的变化而具有较明显变化的，这类信号不宜再用静态方式来测量，只能采用动态测 量的方法实现。因此，动态测量在各行各业中都具有广泛的应用。 实现对被测信号的变化的实时测量，可使观察者更加详细地了解到被测信号在整个 变化过程中的变化规律或特性。 具体到本课题所研究的踏跳力测量，实现对踏跳力的动态测量，就能够获得该被测 信号的实时变化数据以及实时曲线。通过对实时数据的观察比较，教练员就能根据所测 数据分析出影响跳高运动员成绩提高主要因素有哪些，并能发现运动员在训练中的不足 之处，从而可以根据每个运动员的不同特点和水平提出合理的训练方案。 ( 2 ) 国内外发展现状及实现方案 从对人体踏跳力的分析可知，踏跳力实际上是一个空间三维力。并且，对踏跳力的 测量是一个动态测量的问题。对于三维力的动态测量，目前，主要是作为生物力学研究 的一个分支，广泛应用于体育，医疗等领域，并发挥着相当重要的作用。对三维力动态 测量的研究，以及用于三维力动态测量的测力平台的开发，国内外很早就有相关的研究， 从事三维测力平台开发及生产的厂家也很多。例如，在国外，瑞士的k i s t l e r 公司是世界 最大的测力平台厂商【2 1 ，其生产的测力台在医疗，运动等领域都有相应的应用，其中在 体育领域主要应用在动作分析和肌肉载荷等方面，在世界范围具有较先进的水平。在国 内，杭州旭宁科技有限公司和上海康为公司都有三维测力平台的相关产品，特别是旭宁 科技有限公司的j p 系列三维测力台具有十几个不同的型号，能够实现对纵向力、横向力 和前后向力，以及不同方向力矩值的测量。而其专门为测量纵跳力的开发的单维测力产 品，具有精度高的特点，还可实现对跳跃高度和动作做出评估的功能。另外，在国内高 校中，大连理工大学的钱敏等老师研制的三维压电测力平台在三维测力领域也具有相当 高的水平。 大连交通大学工学硕十学位论文 通过大量的文献查阅和调研，了解到在三维测力平台的设计中，主要是采用石英压 电晶片式、位置敏感器件式和动态应变式三种形式【引。下面对这三种类型测力平台的原 理及特点进行比较。 石英压电晶片式测力平台以瑞典k i s t l e r 公司的产品为主，其结构形式是，在一个平 板的四个角的位置处安装四个三维力传感器。每个测力传感器一般是将三对不同切型的 石英晶片装入壳体内构成。其中一对采用具有纵向压电效应的切片，只能测量垂直方向 的纵向力；而另外两对晶片由于采用具有切向效应的切型，且二者的灵敏度方向成9 0 0 夹角放置，这样就可以测出横向的两个分力。这就是压电晶片式三维测力传感器的原理。 该类型传感器的特点是，刚度好，灵敏度高，线性好频率响应宽，稳定性好以及调整方 便等。但是只能测5 h z 以上的信号，且价格较贵。 位置敏感器件式测力平台一般是由动子、定子、弹性连接体、光靶、位置检测器件 以及处理电路组成。动子通过弹性体与定子相联，光靶固定在动子之上，位置敏感器件 固定在定子上。当人的脚踏在动子上，人与地面之间作用力使动子相对定子产生移动， 定子上的位置敏感器件可以检测人踏上定子的整个过程中动子上光靶的位移曲线。由于 动子上光靶的位移与人踏在定子上后，对定子产生的压力大小和方向有确定的映射关 系，因此根据整个接触过程中动子上光靶的位移曲线就可以计算处脚底压力的大小和方 向。 电阻应变式测力平台的生产厂家相对较多，最常见的结构形式与瑞典k i s t l e r 公司的 石英压电晶体式测力平台一样，采用在一个平台板的四个角下面安装四个三维测力传感 器，二者的主要区别是，用应变式力传感器取代了石英压电晶体式力传感器。应变式三 维三维测力传感器的形式多种多样，常用的有圆环式、双环式、圆柱式以及轮辐式。这 种测力平台以美国a m t i 公司生产的l g 6 4 系列为代表，其弹性体采用筒式结构。除了上 述所描述的采用四个三维力传感器的应变式测力平台之外，还有利用一个六维力传感器 构成的应变式测力平台，以及利用几个一维和二维力传感器组合而成的应变式测力平 台。电阻应变式测力平台因制造工艺比较成熟，制造成本相对较低，因而应用较为广泛。 通过对上述三种类型测力平台的比较，电阻应变式测力平台从原理和制作成本等方 面比较优越，并且也符合测量需要。所以，本课题中的测力平台采用电阻应变式。 作为三维力动态测量的基础，对三维力的某一单向分量的测量在实际应用中也是非 常重要的。对跳高运动员踏跳过程中的踏跳力的测量，主要是为了获得其纵向分量的量 值，因此，本课题中的测力平台的设计，主要是围绕如何实现踏跳力纵向分量的测量来 进行的。 2 绪论 自然界中广泛存在的各种信息基本上都是在时域中连续变化的模拟量，并且往往是 以非电模拟量的形式存在。对大多数测量装置而言，能够直接进行测量的信号一般都是 电学量，这就要求有一个能将非电量转换为电学量的装置。在现代测量系统中，这一功 能是由传感器来完成的。随着电子计算机迅速发展，并在测量系统中被广泛使用，而电 子计算机处理的对象往往是在时域范围内离散的数字量。这就提出了一个新的问题，如 何将模拟量转换为数字量。正是由于上述问题的存在，在一个完整的测量系统中，不仅 需要有可以将被测模拟信号的非电量转换成电学量的传感器，还需要一套可以对传感器 输出的模拟量进行采集，并将其转换为数字量并存储的数据采集环节。另外，现代测量 系统往往还需要将数据采集环节中存储的大量数据传输到更上层的设备来进行其他的 处理，例如，在许多测量系统中，就是用p c 机来作为上层设备的。这就要求数据采集环 节还应该具有与上位机进行数据通信的功能。 如前所述，在本课题中，测力平台即是用来将踏跳力转换为电学量的传感器。而数 据采集环节在功能上应能够完成实时数据的采集，模数转换，数据存储以及数据通信等。 在系统中加入上位机处理部分的主要目的是，通过上位机实现对采集到的实时数据的管 理，以及实时曲线的绘制和查看。 对与系统的具体实现问题，测力平台的设计主要是围绕如何实现对踏跳力纵向分量 的动态测量来进行，其中，主要是实现测力平台弹性元件的设计，贴片位置以及测量电 路的选取，输入输出关系分析等。数据采集环节是以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心来搭建， 在功能上主要是实现对模拟输入的实时采集，模数转换，保存以及数据通信等。上位机 首先应能够实现与数据采集环节的数据通信，课题中是使用d e l p h i 7 0 应用程序设计软 件，并利用s p c o m m 控件完成数据通信功能的。另外，通过d e l p h i 7 0 软件实现了对实时 数据的管理以及曲线的绘制。 在系统的研究和开发过程中，充分结合了功能要求，对系统的整体框架进行了设 计，并依据框架的具体设计要求进行了结构化和模块化设计。利用模块化设计的优点 是，可提高系统的开发质量，降低开发成本，缩短开发周期，最大程度地满足实际的 需求。 ( 3 ) 课题研究内容 本课题的主要研究内容包括以下几个方面： 第一部分，即绪论，主要介绍本课题的来源、意义；与本课题有关的国内外发展现 状及研究成果，系统实现方案；以及本课题研究的内容。 第二部分，即第一章，主要介绍了系统的整体设计方案。主要从系统结构方面介绍 了设计该系统的依据，并给出了系统的总体框图。 3 大连交通大学工学硕十学位论文 第三部分，即第二章，首先介绍了电阻应变式传感器的原理，测量转换电路及其平 衡* b 偿电路，动静态特性的分析方法。然后从弹性材料选择，结构设计，输出应变和强 度分析，以及其尺寸的确定，贴片位置的选取；测量电路等方面介绍了测力平台的整个 设计过程。 第四部分，即第三章，本章首先对c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机及其存储器进行了简单叙述。 然后对数据采集环节的硬件电路和软件程序的设计进行了介绍。其中，主要包括信号放 大、低通滤波电路，电平转换电路等。最后对数据采集的的整体电路布局，软件程序流 程以及电源模块的设计进行了介绍。 第五部分，即第四章，本部分主要对d e l p h i 应用程序开发环境，s p c o m m 控件的安 装和使用，数据采集环节与上位机数据通信的实现，以及上位机数据管理界面的实现进 行了介绍。 最后，对全文的工作做了总结，并对该测试系统性能的进一步改进做出了展望。 4 第一章系统整体结构 第一章系统整体结构 1 1 测试系统的一般结构 通过对测试系统的了解知道，一般一个完整的测试系统应包括以下几部分：被测参 数的检测部分( 或称被测信息的获取部分) ，信号的放大、变换、运算部分( 或称信息 转换部分) ，参数的显示部分( 或称信息的显示和处理部分) 。测试系统的检测部分直 接与被测对象发生关系，直接感受被测参数的变化，并把被测参数变换为易于传输、处 理、测量的信号，通常称完成这一任务的装置( 或器件) 为传感器，又称之为一次变换 器。信号的放大、变换、运算部分是将传感器的输出信号进行再变换、放大和衰减、调 制和解调、阻抗变换、分析和运算等项处理，使信号变成适于需要而又便于记录和显示 的信号，它是联系传感器和参数显示部分的中间环节，一般称之为中间变换器，又称二 次变换器或测量电路。测试系统的最后部分是参数显示装置，即记录器、显示器，又称 为输出变换器。因此，一个测试系统可由三个基本环节组成，即传感器、中间变换器、 记录显示仪器，如图1 1 所示。 图1 1 测试系统基本组成框图 f i g 1 1t e s ts y s t e mb l o c kd i a g r a m 在踏跳力动态测量系统中，测力平台就是作为一次变换器，即传感器；数据采集环 节则相当于中间变换器；而记录显示环节则是通过上位机中的数据管理程序加以实现 的。在一个具体的测试系统的实现过程中，上述测试系统中的基本组成部分通常又是被 分为若干个小的环节后，再具体地加以实现的。例如，测力平台可分为弹性元件和敏感 元件( 电阻应变片) ，数据采集环节可分为前置放大及滤波电路，模数转换模块，控制模 块( 包括存储) 以及数据通信模块。这些具体的测试环节应根据测试原理和需要来选择， 从而构成测试系统的特殊性。 1 2 动态力测量系统组成 通过对踏跳力的分析可知，对踏跳力的动态测量，实际上是一个关于三维空间力动 态测量的问题，相对比较复杂，作为对踏跳力动态测量的基础研究，本课题中只对踏跳 力纵向分量的动态测量进行研究。对于大多数测量系统而言，其基本组成结构是大同小 5 大连交通大学工学硕士学位论文 异的。因此，在一个测试系统中，除了要有一个或几个传感器外，还应该有一个数据采 集环节，数据采集环节的构成通常是采用由单片机及其外围电路构成。然后，利用基本 三线制的r s 2 3 2 串行口通信将数据传送给p c 机，最后由p c 机中的数据管理软件对数 据进行进一步处理【4 1 。具体到踏跳力动态测量系统，应包含以下三个部分：测力平台、 中间数据采集环节、上位计算机管理( p c 机) 。动态力测量系统的功能框图如图1 2 所示。 放 模数 数 大 转换 据 上 - 笸t ：歹 滤 毒 通 位 波 单片机 讯 机h 测力平台 电 控制模 路 模块 块 。一崎：j；j；i磊。一。 图1 2 系统功能框图 f i g 1 2f u n c t i o nd i a g r a mo fs y s t e m 测力平台作为系统的传感器部分，主要是用来承载并感受被测踏跳力。它是由弹性 元件和测量电路组成，其中，弹性元件由受力踏板和弹性体组成，测量电路则是由弹性 体上的应变片组成。当受力踏板受到外力时就会使弹性体产生相应的变形，此时，弹性 体上的应变片阻值将发生变化，这样，通过应变片组成的测量电路就可以将被测力信号 转换为相应的电压输出信号。 数据采集环节主要有下面几个功能，首先，对传感器输出的微弱电压信号进行放大 滤波，使这一电压信号满足模数转换输入的要求，并滤除高频的干扰信号；然后通过模 数转换器将经过放大滤波后的电压信号转换成数字量，并将其依次保存到数据采集环节 的数据存储器中；所有数据采集并保存后，就可通过数据通信模块实现数据的传输，即 将一系列数据发送到与数据采集环节相连接的p c 机中。系统中的数据采集环节是以 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为核心来搭建的。选择c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机，主要是因为该单片机不仅 具有较高的运行速度，而且，其片内具有一个1 2 位高速的模数转换器，这样，数据采 集环节就可直接使用该单片机自带的模数转换器，而不必外接模数转换器。 上位机的主要功能是，将数据采集环节发送至上位机中的数据进行管理以及将每一 组数据的时域曲线绘制出来。 6 第一章系统整体结构 1 2 1 测力平台介绍 测力平台是用于感受跳高运动员踏跳力变化的直接装置，因此，对测力平台的尺寸 要求应该是，运动员能够在其踏板上完成整个踏跳动作并顺利起跳。根据实际的调研并 参考了市场上现有的一些测力平台尺寸参数，本课题中所设计的测力平台的受力踏板的 尺寸大小确定为6 0 0 m m 4 0 0 m m 。 前面已经介绍了现有测力平台的三种结构类型，经过对这几种类型测力平台的原理 以及特点的比较，本课题中测力平台将采用电阻应变式。这样，在测力平台的设计中， 为了使测力平台能够感受被测力并将其转化为电压输出量，其结构中就必须要有能够感 受被测力，并将其转换成应变片阻值变化的弹性体。根据要求，本测力平台只需实现对 踏跳力纵向分量的感受。因此，在测力平台中，弹性体只需能够反映出纵向分量对其作 用所产生的变形即可。当弹性体受到被测力而产生的变形时，通过其上的应变片所组成 的测量电路，就可将应变片阻值的的变化反映到测量电路的输出中。这样，就实现了非 电量到电学量的转换。 测量电路的功能是把电阻应变片的阻值变化转化为相应的电压输出。转换电路的形 式有多种，其中，惠斯登电桥的优点尤为突出。例如，可以抑制温度变化的影响，可以 抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决测量电路的补偿问题等。这里采用典型的直流恒 压电桥形式。对于该类型电桥电路，全等臂电桥具有灵敏度高，各臂参数一致，各种干 扰的影响容易相互抵销等优点，所以测力平台的测量电路采用全等臂电桥。 1 2 2 数据采集环节 在数据采集环节的设计中，包括硬件电路搭建和软件程序设计两个方面的内容。其 中，硬件电路设计主要包括，前置放大、低通滤波、主控制模块、串行通信中电平转换 以及供电电源等电路的设计。而软件程序的设计主要包括：系统初始化及引脚配置、模 数转换控制、数据存储和数据通信等。下面详细介绍一下各部分的功能。 通常，传感器输出电压都是微伏级的，测量起来很不方便，而且也达不到模数转换 器分辨率的要求。因此，测力平台的输出电压信号必须要经过放大电路放大后，才能满 足模数转换器的输入要求。对于微弱信号的放大，只使用单一运算放大器组成放大电路 一般都难以达到好的效果。为了得到较好的放大效果，必须选用高共模抑制比的放大电 路【5 1 。本设计中采用a d 6 2 0 仪表用放大器。a d 6 2 0 是一个由三个运放组成的高精度放 大器电路，具有低温漂，高共模抑制比的特点，完全适合设计要求。为了使测量电路输 出的电压信号经过放大后能够达到模数转换器分辨率的要求，并且不会出现超过模数 转换器基准电压2 4 3 v 的现象，这就需要合理选择放大器的放大倍数。另外，在对模拟 7 大连交通大学工学硕士学位论文 量进行模数转换之前，为了减小环境中高频干扰信号引起的影响，经过放大电路放大后 的模拟信号还应该经过一个低通滤波电路，再送到模数转换器的输入端。而在动态测量 系统中，为了减小误差还要考虑对输入模拟量的采样保持。c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机中的1 2 位模数转换器a d c 0 本身具有采样保持功能，且满足系统要求，因此不需使用外接的 采样保持电路。 为了实现单片机与上位机的数据通信功能，就需要解决单片机中t t l 电平与p c 机的r s 2 3 2 电平之间的转换。实现这一功能的电路就是电平转换电路，系统设计中是 使用m a x i m 公司的m a x 2 3 2 芯片来实现电平转换功能的。 在数据采集环节的程序设计中，采用了模块化设计思想，模块化设计的优点是功能 明确，出错率低、修改方便、维护容易，便于团队工作，有利于提高产品推出速度等。 1 2 3 上位机 在本动态力测量系统中，引入上位机的目的是为了实现对数据的管理以及实时数据 曲线的绘制。首先，为了实现对数据的管理和曲线的绘制，就必须把数据采集环节中存 储的数据传送到上位机的存储器中。这一功能就是由数据通信模块来完成的。把采集到 的数据送入上位机后，就可通过应用程序的设计，实现对数据的管理，如查询，索引等。 并且还可实现实时曲线的绘制，极值的提取等。 d e l p h i 是新一代可视化开发工具，具有功能强大、简便易用和代码执行速度快等特 点，是全球公认的快速应用开发工具技术的先驱者，越来越在构架企业信息系统方面发 挥着重要作用。由于d e l p h i 这些显著特点，上位机中的应用程序就通过该开发工具实现 的。但是，d e l p h i 存在一个缺点，即它没有自带串口通信的控件，因此需要借助于其他 方法才能实现与外部器件之间的数据通信。 用d e l p l l i 实现串口通信，常用的方法有以下三种：使用控件m s c o m m 或s p c o m m 等控件，使用a p i 函数以及在d e l p h i 中调用其它串口通信程序。其中，s p c o m m 是 s m a l l p i gt e a m 开发的一个第三方d e l p h i 串口控件，该控件具有丰富的与串口通信密切 相关的属性及事件，提供了对串口的各种操作，且编程简单、通用性强、可移植性好。 在d e l p h i 软件开发中已经成为一个被广泛应用的串口通信开发控件1 6 j 。在本课题中，是 利用s p c o m m 控件来实现单片机与p c 机之间数据通信的。 本章小结 本章主要对动态力测量系统系统的整体结构进行了介绍。从一般测试系统的结构组 成展开，并逐步具体到本课题研究的动态力测量系统的构成。从测力平台，数据采集环 节和上位机设计过程中的功能实现出发，介绍了设计要求以及初步的实现思路。 8 第二章传感器原理及测力平台的设计 第二章传感器原理及测力平台的设计 传感器是感受被测量、并将被测量转换为易于测量、传输和处理的信号的装置或器 件。而在实际应用系统中，电信号是最常见也是易于处理的信号。在本课题所研究的动 态力测量系统中，要实现对踏跳力的采集，首先就需要有一个合适的传感器，来实现被 测踏跳力信号到电信号的转换。目前，市场中现有的用于此类力信号测量的测力平台型 号有很多，类型也不尽相同，但是这些测力平台基本上都是在一个平台下面安装若干性 能相同的测力传感器而制成的，并且成本都比较高。在本课题的研究中，希望找到一种 成本较低，并且一体化的测力平台。但是未找到较为合适的产品，因此，需要自己设计 一个满足要求的测力平台。参考一些相关资料，测力平台采用动态应变式。 对于电阻应变式传感器，一般是将应变片粘帖在弹性体上，通过弹性体感知被测信 号并产生变形，进而引起应变片阻值的变化，再通过测量电路将应变片阻值的变化反映 到测量电路的输出中，这样就将非电被测信号变为了电学信号。本章主要对电阻应变式 传感器的原理，测力平台的设计要求以及测力平台的设计进行介绍。 2 1 电阻应变式力传感器 2 1 1 电阻应变片工作原理 电阻应变式力传感器的构造是，在一定形状的弹性元件上粘贴或用其他方法安装电 阻应变敏感元件( 应变片) 。弹性元件是一个有特殊形状的结构件，它的主要作用是将力 转换为形变【j 7 1 。而电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上， 即成为一片应变片。电阻应变式力传感器的原理是，当被测力作用在弹性元件并引起其 中弹性体的变形，进而使弹性体上应变片的阻值发生改变，最后通过测量电路将阻值变 化以电压形式输出，这样，根据输出电压的变化即可得出被测力的大小。电阻应变式传 感器具有精度高；稳定性好；测量电路简单等特点1 8 j 。因此，应变式传感器在力学量的 测量中得到了广泛的应用。 电阻应变片转换原理是基于导体和半导体的“应变效应”和“压阻效应”。应变效应是 指材料在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。而压阻效应是 指电阻材料受载荷作用而产生应力后，其电阻率发生变化的现象。电阻应变片主要有金 属和半导体两类，金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式，其特点是灵敏度较低，但线 性度较好。而半导体应变片具有灵敏度高( 通常是丝式、箔式的几十倍) 、横向效应小 等优点，其缺点是线性度较差。 对导电材料而言，其阻值r 与长度l 成正比，与截面积a 成反比，用公式表示为： 9 大连交通大学工学硕士学何论文 r = p 三 ( 2 1 ) 其中，p 是导电材料的电阻率。 如果导电材料沿着轴线方向受力而产生形变，根据“应变效应 可知，其阻值也随 之改变。这样，对( 2 1 ) 式两边取对数后，再取微分将得到下式： 一d r ：丝一坐+ 塑 ( 2 2 ) rla p 其中，d l ，l 为导电材料纵向相对变化，可用应变表示；d a a 为导电材料截面积 的相对变化。 对圆形截面导电材料为例进行分析有： 坐：a ( 4 d 2 ) ：2 塑) a 万n 2 d 、7 上， 4 其中，d 为导电材料的横截面直径。 当导电材料在单向应力状态时，上式又可以改变为： 百d d = 叫譬 ( 2 4 ) d 三 、 其中，p 是泊松比。 将式( 2 3 ) 代入式( 2 2 ) ，并用替代d l l 得到 警_ ( 1 化) 譬+ 了d p _ ( 1 化) 针c t p , o = ( + 2 ) + 警 s ( 2 s ) 令式( 2 5 ) 中括号内的项为k ，称其为电阻应变敏感材料的灵敏度系数，其物理意义 为单位应变所引起的电阻相对变化。需要说明的是：影响灵敏度系数k 的因素比较复杂， 只能通过试验方法进行标定【10 1 。以上便是电阻应变片的转换原理。 2 1 2 应变式传感器测量电路 在电阻应变式传感器中，测量电路的作用是将应变片阻值的变化转换成电信号。测 量电路最常用的形式有恒压电桥电路、恒流电桥电路及双恒流源电路。这里仅对测力平 台转换电路中使用的恒压电桥电路进行介绍。 ( 1 ) 恒压电桥电路的原理 恒压电桥电路如图2 1 所示，图中四个电阻分别为四个电阻应变敏感元件。电桥a c 两端接恒压直流电源，b d 两端为电桥输出端，系统中输出端将接至内阻为的放大器。 1 0 第二章传感器原理及测力平台的设计 a r 0 图2 1 恒压电桥电路 f i g 2 1c o n s t a n tv o l t a g eb r i d g ec i r c u i t 对于图2 1 中恒压电桥电路，根据克希霍夫定律可以得到输出端的电压为： u 。= i 。r 。= 下了飘i 面河u 面( r i 丽r 4 - 叹r 2 西r 3 ) i 河面网 2 6 ) u 。21 。r 。2 下习两瓦面万瓜面画瓦丽再可丽网 2 石 由式( 2 6 ) 可见，若满足r t r a r 2 r 3 = 0 的关系，此时电桥处在平衡状态，即u o = 0 。 目前，大部分电阻应变式传感器的电桥输出是与直流放大器连接，而直流放大器的 输入阻抗一般是很大的。因此，可将电桥输出端看成开路，即r o = o o ，此时该电桥电 路称为“电压输出桥”。那么，式( 2 6 ) 可简化为： = ”丙r 两, r o - 画r 2 r 丽3 ( 2 7 ) 刮丙砸丽f 可 ) 以全等臂电桥为例，设各桥臂初始电阻r l = r 2 = r 3 = r 4 = r ，则电桥初始处于平衡状态。 当四个桥臂的电阻值分别变为r + a r l 、r + r 2 、r + a r s 、r + a r 4 时，由式( 2 7 ) 可得 垡a r 2 一a r 3 + 些 “ 2 百 ( 2 8 ) 而传感器总是采用相同型号和规格的电阻应变敏感元件，因此，其电阻变化率与应 变之间的关系为： a r 。_ l ：k q ( 其中扛1 ，2 ，3 ，4 )( 2 9 ) r 、。7、。 代入( 2 8 ) 式可得 铲涨横篙翱 q 1 0 ) 大连交通大学工学硕士学位论文 由于f 华+ 华+ 华+ 华1 比1 小得多，可忽略，则( 2 8 ) 式和( 2 1 0 ) 式可简化为 lr 尺 rrj 、 、 一”f 皑峨皑。皑1 u ；= 一l i 一一_ 二+ _ 二i 。4 l 尺 尺r r ( 2 11 ) ：警( q 一岛一岛+ 毛) 2 广【q 一岛一岛+ 毛j 这样电阻变化率( 或应变) 与输出电压之间就近似为线性关系。 由式( 2 1 1 ) 可见，要求输出电压u i 的值大时，可采取下列措施： 增大电源电压u 。但是，当u 大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应 变片所允许通过的最大工作电流时，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数k ，对于金属材料电阻应变片式，它的灵敏系数k - - - 2 ； 而半导体应变片，k 值大得多。 安装敏感元件及接成电桥时，可根据电桥的加减特性，使应变卜e 4 和2 、3 的符号相反，这样式( 2 1 1 ) 中分子的值就大。 ( 2 ) 恒压电桥的平衡电路 理论分析中总是认为电桥四个桥臂上的名义电阻值相同，而实际上各个桥臂电阻值 是存在偏差的。但在应用中，测量前总是希望电桥处于平衡状态，即电桥无输出。解决 此问题的方法是在桥路中加入电阻平衡电路。其中，最常用的电阻平衡电路接法如图2 2 所示，即在电路中增加电阻r 5 和电位器心。图2 2 中r 5 的大小决定了平衡范围，r 5 愈 小，调节平衡的范围就愈大。 a b c 图2 2 恒压电桥中的电阻平衡电路 f i g 2 2r e s i s t a n c ez e r o i n gc i r c u i ta tc o n s t a n tv o l t a g eb r i d g e 经过分析可知，增加电阻平衡电路后会引起非线性误差。而且，当调节电位器 于不同位置时，电桥的输出电压不相同，也就是平衡电路会造成传感器的灵敏度误差。 1 2 第二章传感器原理及测力平台的设计 ( 3 ) 电桥的电路补偿 为了提高传感器的精度，还要应用电路的补偿技术来改善桥路的性能。对桥路的补 偿主要是针对下面几个方面来进行的。 初始不平衡补偿 对于恒压电桥电路，只有当r l r 4 = r 2 r 3 时，电桥才会平衡。但是桥路中的电阻应变 片的阻值总会存在一定的偏差，使得电桥不平衡，这时可以在桥路中串联电阻来进行补 偿，使电桥平衡，这就是桥路的初始不平衡补偿电路。 温度补偿 由于电阻应变片的温度特性不完全相同，当温度变化时，电桥就会有输出，造成测 量误差，它有两种现象，一种是不加载荷时，温度变化，电桥就有输出，称为“零点飘 移”( 简称“零漂”) ；另一种是在有负载时，电桥的输出灵敏度随温度变化而变化，称为“灵 敏度漂移”( 简称“动漂”) 。显然温度补偿电路是桥路中不可或缺的重要一个环节。 影响零点漂移的因素很多，例如，应变片的温度系数随温度变化会产生一定变化： 应变片和弹性材料的线膨胀系数不同；应变片性能不均匀等。利用全臂电桥的加减特性， 可以实现对应变片的温度自补偿，从而使零漂得到较好的补偿。这也是最常用的一种补 偿方法。 造成动漂的主要原因是，弹性材料的弹性模量e 及应变片的灵敏系数k 随温度的 变化而变化。通常情况下，当温度升高时，弹性元件的e 要减小，如果外力不变，则应 变要增加，电桥输出增加，传感器灵敏系数变大。其补偿方法是，在电桥的电源电路 中接入一个温度补偿电阻r e 。一般采用电阻温度系数为正值的温度补偿电阻，当温度 升高时，其电阻值增大，在它两端的压降增加，使得传感器的实际桥压下降，输出电压 减小，当输出电压减小的值与弹性元件e 减小引起输出电压的增加值相等时，即实现了 灵敏度漂移补偿。 图2 3 灵敏度补偿电路 f i g 2 3s e n s i t i v i t yc o m p e n s a t i o nc i r c u i t 1 3 大连交通大学t 学硕十学位论文 为了使测量电路的灵敏度在使用温度范围内得到较好的补偿，通常将补偿电阻与一 个温度稳定性好的精密线绕电阻k 并联，如图2 3 所示。调整r e 。和r p 的阻值比，即可 减少温度变化时测量电路灵敏度的变化值。 2 1 3 传感器的基本特性 传感器的输出输入关系特性是传感器的基本特性。传感器的各项性能指标都是根 据其输出和输入的对应关系进行描述的。传感器的输入可分为稳定状态输入和随时间变 化输入两种情况。通常将被测量处于稳定状态的输入输出关系称为“传感器的静态特 性”；输出量与随时间变化输入量的响应关系称为“传感器的动态特性”。 传感器静态特性是指当输入为静态信号时，传感器输出与输入之间所具有相互关 系。此时输入量和输出量都与时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可 用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标 而画出的特性曲线来描述。本课题研究的是动态测量问题，因此这里主要介绍动态特性。 传感器的动态特性又称动态响应。它研究的是当被测量随时间变化时，传感器的输 出量与输入量之间的动态关系。 动态特性好的传感器，其输出量随时间的变化曲线与被测量的变化曲线一致或相 近。然而实际可实现的传感器由于机械惯性、热惯性、电磁储能元件及电路充放电等多 种原因，输出较输入在波形上会有某些失真，从而造成二者之间的差异。这种差异称为 动态误差。研究动态输入、输出与传感器动态特性的关系，目的是为了确定传感器是否 适合于某动态输入量的测试要求及可能产生的动态误差，或者根据给定的动态误差要求 来设计传感器的动态特性。 在研究传感器特性时，无论是静态还是动态，都必须用数学表达式表示输出输入 的关系。在静态测试时，描述传感器静态特性的是一个代数方程，不考虑迟滞、蠕变效 应时，可表达为下列函数关系： y = c o + c l z + c 2 x 2 + + c x ”( 2 1 2 ) 若零偏c o 被校准( 即c o = o ，对应零输入，有零输出) ，且忽略非线性项，则有： y = c , x ( 2 1 3 ) 在动态测试中，需要考虑的是在过渡过程时间内输出与输入的关系，这时描述传感 器动态特性的数学表达式是一个微分方程，可表示为： 舡少，y “n ，y ，y 】= 粗x ，x ”n ，x ，x 】 ( 2 1 4 ) 其中，上标( n ) 和( m ) 等代表求导的次数。 1 4 第二章传感器原理及测力平台的设计 在动态特性的研究和描述中，尽管传感器一般都含有非线性，并不构成线性系统， 但是传感器是在一定条件下，一定的测试范围内使用的，只要在给定的条件下，非线性 因素不会对分析结果产生本质影响，由此产生的误差满足规定准确度要求，就可以忽略 一些次要的非线性因素，而将其简化为线性的定常系统处理。这样，动态特性的数学表 达式可表示为： a y ”+ 1 y ”。1 + + o a y + 口o y = b x 肿+ 6 1 x ”1 + + 6 l x + x ( 2 1 5 ) 其中，常系数a o ，a l ，a n 和b o ，b 1 ，b m 相当f 1 和最对相应变量的偏导数， 它由传感器内部参数确定【l o l 。 在讨论动态特性时，对于不同形状和性质的输入函数，传感器将有不同的响应。一 般情况下的输出曲线与输入曲线是不相同的。由于力学量传感器使用时，输入量随时间 变化的形式可能是各种各样的，所以只能选择标准的输入信号来分析和标定传感器的动 态响应特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表 示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且对标准输入信号 的响应与对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。 最常用的标准输入信号有正弦信号和阶跃信号两种。前者称为“传感器的稳态响应或频 率响应”，后者称为“传感器的瞬态响应或阶跃响应”。有关内容可参看文献 8 】到 1 0 】。 2 2 测力平台的设计要求 任何传感器都是要根据使用要求来进行设计的。一般情况，对传感器使用要求包括： 量程( 即被测物理量的上限和下限)