CN112150898B - 一种圆盘多功能运动参数试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆盘多功能运动参数试验方法，属于自动化领域。该方法为：应变片贴于试验者握手两端，当试验者握住握手运动时，握手会产生应变，粘贴在表面的电阻片也会产生应变，应变片的阻值会发生变化，并通过电桥测量电路将应变片阻值变化率转换为输出电压，该电压信号先经过运算放大器放大，再由A/D转换电路将电压模拟量转换为数字量信号，然后将其输出给单片机，再将结果传给显示电路显示。可以根据实验要求再圆圈***自由贴若干对小磁钢，磁体数量不同测量的精度和结果也不同。

Description

一种圆盘多功能运动参数试验方法

技术领域

本发明属于自动化领域，涉及一种圆盘多功能运动参数试验方法。

背景技术

在高校电类相关专业中，关于自动检测和传感器应用是机电一体化技术、电气自动化技术和电子信息工程技术等专业所要培养的一种核心技术，其承载了感知工业、环境等参量的捡取、转换与传导等功能，使之运用电气设备对工业设施、环境状况进行有效监测和控制成为可能。器械健身是对肌肉进行锻炼的一种最佳方法研究在器材健身中我们运动量多少、力量大小和热量消耗多少具有重要的现实意义。

在以上问题的基础上，现提出一种基于圆盘多功能运动实验平台，利用传感器来测量各类信息锻炼学生动手能力。该实验装置可以分别利用霍尔传感器和光电编码器来测量圆盘运动角度并求得运动距离，通过应变片来检测力的大小。本实验装置可以通过对单片机编写程序来做圆盘运动角度和位移的两种传感器对比实验，且该实验装置可以显示运动中使用力的大小和消耗的能量。该实验装置优点是开放性，锻炼大家编写程序能力和对传感器的运用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种圆盘多功能运动参数试验方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种圆盘多功能运动参数试验方法，该方法为：

应变片贴于试验者握手两端，当试验者握住握手运动时，握手会产生应变，粘贴在表面的电阻片也会产生应变，应变片的阻值会发生变化，并通过电桥测量电路将应变片阻值变化率转换为输出电压，该电压信号先经过运算放大器放大，再由A/D转换电路将电压模拟量转换为数字量信号，然后将其输出给单片机，再将结果传给显示电路显示；

圆盘转动时带动连轴器来带动光电编码器旋转，光电编码器的脉冲通过单片机中断来直接实现脉冲的鉴相和计数；

当编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INTO，B向脉冲接到I/O端口P1.0，当***工作时，首先要把INTO设置成下降沿触发，并开相应中断；当有效脉冲触发中断时，执行中断处理程序，判别B脉冲是高电平还是低电平；若是高电平，则编码器正转，加1计数；若是低电平，则编码器反转，减1计数；

霍尔器件所处磁场的磁感应强度大小突变时，输出电压也突变，相当于产生一个脉冲信号；单位时间内脉冲数与转速对应，构成数字量传感器；待测转盘上有小磁体，小磁体的对数与分辨率呈正比关系；在小磁钢附近固定霍尔开关；小磁钢转过霍尔开关时，霍尔开关会产生脉冲；待测物体的位移通过所测得的单位时间内脉冲数和握手到圆盘中心的距离进行判断；

应变片阻值变化率：

其中，K为电阻应变片的灵敏度，ε称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，在应变测量中，即微应变；金属应变片的电阻变化范围很小，利用桥式测量转换电路将ΔR/R转换为输出电压U₀；

两臂差动电桥电路的电压输出为：

当初始时R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R则简化为：

经运放放大后的电压:

其中，D-运放放大倍数；求得使用的力的大小F和输出给单片机的电压U_o2的关系为：

E为握手的弹性模量；

当小磁体都贴满16个时霍尔传感器每经过一个磁体，运动的距离为：

则由霍尔传感器测得的运动距离为：

n为总共经过的磁体个数；

光电编码器运动的距离为：

a为圆盘运动的角度。

可选的，所述应变片的运作原理为：

将电阻应变片粘贴在握手上；当握手受到运动压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化；这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化；把电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小；这种变化的对应关系具有近似线性的关系；找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，通过测量共模电压得到压力值；

电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，即电阻应变效应；金属导体的电阻值用下式表示：

式中:

ρ为金属导体的电阻率，单位为Ω·cm²/m；

S为导体的截面积，单位为cm²

L为导体的长度，单位为m。

可选的，所述圆盘上设有运动传感器，运动传感器包括光电旋转编码器和霍尔传感器；

其中，光电旋转编码器中的增量式编码器的输出信号是A，B，Z三组方波脉冲；

码盘上等间距刻录辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间为一个增量周期；检测光栅上刻有A，B两组与码盘相对应的透光缝隙，来达到通过或遮挡光源与光电检测器件之间的光线的目的；检测光栅上透光缝隙的间距和码盘上的间距相等，并且两组透光缝隙之间相差1/4间距，这样使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90度的电度角；编码器工作时检测光栅不动，码盘随被测转轴转动，光线透过码盘和检测光栅上的透光缝隙照射到光电探测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90度的近似于正弦波的电信号，经过电路的转换处理，得到被测轴的转角或速度信息，利用角度和握手到轴心半径求得圆盘运动位移；

霍尔传感器的位置固定，圆盘上有若干圆孔能够自由贴若干对小磁钢，小磁钢越多，精度及分辨率越高；为判断转动方向，采用两个相同的霍尔传感器H1和H2；测量角度时，每当一个磁钢转过霍尔传感器时，引起磁场的变化，传感器便输出一个脉冲，计算脉冲的个数，确定旋转物体转过的角度，利用角度和握手到轴心半径求得圆盘运动位移。

本发明的有益效果在于：

1.基于圆盘多传感器结合实验。本运动实验平台与单一的测量旋转位移和单一的测量力量的装置不同。现在的实验装置标准化生产，可改参数不多，学生做的实验受限，而我们这种实验装置，通过不同的传感器既可以测力量也可以用不同的方式测圆盘运动位移。

2.磁体数量和位置可变。该圆盘可以根据实验要求再圆圈***自由贴若干对小磁钢，磁体数量不同测量的精度和结果也不同。

3.开放式实验结果。本实现装置有标准的传感电路、测量电路、控制器和显示电路推荐也可以由学生自由设计不同的电路来完成实验，现在测力的传感器大多都静态，我们实验装置为动态测量力，需要学生数据分析测量，对其编程实现，根据其精度、编程规范、实现功能、传感器结合运用和数据处理能力等进行评价评分。不同于现有实验装置的确定实验结构和结果。

4.对条件无要求，可做成灵活便携式。现在测圆盘旋转的实验装置大多用电机来带动圆盘，结构较大对实验场地要求较高。而我们这个实验装置无电机等大型设备，主要使用弱电，可以做成便携式，相同目标下对实验条件和场地要求更低。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明装置整体图；

图2为增量式编码器的输出信号波形图；

图3为测量电路连接图；

图4为测量运动电路连接图；

图5为光电编码器连接图；

图6为霍尔传感器连接图；

图7为电桥电路。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

1.应变片测力

如图1所示，将电阻应变片粘贴在握手上。当握手受到运动压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。把电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。一般这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示:

式中:

ρ——金属导体的电阻率(Ω·cm²/m)

S——导体的截面积(cm²)

L——导体的长度(m)

2.测量圆盘运动传感器原理

2.1光电旋转编码器

增量式编码器的输出信号是A，B，Z三组方波脉冲。增量式编码器的输出信号的波形如图2所示。

码盘上等间距刻录了辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间为一个增量周期。检测光栅上刻有A，B两组与码盘相对应的透光缝隙，来达到通过或遮挡光源与光电检测器件之间的光线的目的。检测光栅上透光缝隙的间距和码盘上的间距相等，并且两组透光缝隙之间相差1/4间距，这样使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90度的电度角。编码器工作时检测光栅不动，码盘随被测转轴转动，光线透过码盘和检测光栅上的透光缝隙照射到光电探测器件上，光电检测器件就输出两组近似于正弦波的电信号(相位相差90度)电信号经过电路的转换处理，即可得到被测轴的转角或速度信息，利用角度和握手到轴心半径即可求得圆盘运动位移。

2.2霍尔传感器

传感器的位置固定，圆盘上有若干圆孔可以自由贴若干对小磁钢，小磁钢越多，则精度及分辨率越高。为了判断转动方向，采用了两个相同的霍尔传感器H1和H2。测量角度时，每当一个磁钢转过霍尔传感器时，引起磁场的变化，传感器便输出一个脉冲，计算脉冲的个数，即可确定旋转物体转过的角度，利用角度和握手到轴心半径即可求得圆盘运动位移。

3.电路连接图

如图3所示进行电路连接。应变片贴于握手两端，当我们握住握手运动时，握手会产生应变，粘贴在表面的电阻片也会产生应变，应变片的阻值会发生变化，并通过电桥测量电路将应变片阻值变化率转换为输出电压，该电压信号先经过运算放大器放大，再由A/D转换电路将电压模拟量转换为数字量信号，然后将其输出给单片机，再将结果传给显示电路显示，如图4和图5所示。

如图6所示，圆盘转动时带动连轴器来带动光电编码器旋转，光电编码器的脉冲可以通过单片机中断来直接实现脉冲的鉴相和计数，例如编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INTO，B向脉冲接到I/O端口P1.0，当***工作时，首先要把INTO设置成下降沿触发，并开相应中断。当有效脉冲触发中断时，执行中断处理程序，判别B脉冲是高电平还是低电平。若是高电平，则编码器正转，加1计数；若是低电平，则编码器反转，减1计数。

霍尔器件所处磁场的磁感应强度大小突变时，输出电压也突变，相当于产生一个脉冲信号。单位时间内脉冲数与转速对应，构成数字量传感器。待测转盘上有小磁体，小磁体的对数与分辨率呈正比关系。在小磁钢附近固定霍尔开关。小磁钢转过霍尔开关时，霍尔开关会产生脉冲。待测物体的位移可通过所测得的单位时间内脉冲数和握手到圆盘中心的距离进行判断。

4.算法计算公式

应变片阻值变化率：

其中，K为电阻应变片的灵敏度，ε称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，ε通常很小，在应变测量中，也常将之称为微应变。金属应变片的电阻变化范围很小，常利用桥式测量转换电路将ΔR/R转换为输出电压U₀，如图7所示。

两臂差动电桥电路的电压输出为：

当初始时R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R则可以简化为：

经运放放大后的电压:

其中，D-运放放大倍数。

求得使用的力的大小F和输出给单片机的电压U_o2的关系为：

E为握手的弹性模量。

当小磁体都贴满16个时霍尔传感器每经过一个磁体，运动的距离为：

则由霍尔传感器测得的运动距离为：

n为总共经过的磁体个数。

光电编码器运动的距离为：

a为圆盘运动的角度。

圆盘不限于横着摆放，可以竖起来等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种圆盘多功能运动参数试验方法，其特征在于：该方法为：

应变片贴于试验者握手两端，当试验者握住握手运动时，握手会产生应变，粘贴在表面的电阻片也会产生应变，应变片的阻值会发生变化，并通过电桥测量电路将应变片阻值变化率转换为输出电压，该电压信号先经过运算放大器放大，再由A/D转换电路将电压模拟量转换为数字量信号，然后将其输出给单片机，再将结果传给显示电路显示；

圆盘转动时带动连轴器来带动光电编码器旋转，光电编码器的脉冲通过单片机中断来直接实现脉冲的鉴相和计数；

当编码器输出的A向脉冲接到单片机的外部中断INTO，B向脉冲接到I/O端口P1.0，当***工作时，首先要把INTO设置成下降沿触发，并开相应中断；当有效脉冲触发中断时，执行中断处理程序，判别B脉冲是高电平还是低电平；若是高电平，则编码器正转，加1计数；若是低电平，则编码器反转，减1计数；

霍尔器件所处磁场的磁感应强度大小突变时，输出电压也突变，相当于产生一个脉冲信号；单位时间内脉冲数与转速对应，构成数字量传感器；待测转盘上有小磁体，小磁体的对数与分辨率呈正比关系；在小磁钢附近固定霍尔开关；小磁钢转过霍尔开关时，霍尔开关会产生脉冲；待测物体的位移通过所测得的单位时间内脉冲数和握手到圆盘中心的距离进行判断；

应变片阻值变化率：

其中，K为电阻应变片的灵敏度，ε称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，在应变测量中，即微应变；金属应变片的电阻变化范围很小，利用桥式测量转换电路将ΔR/R转换为输出电压U₀；

两臂差动电桥电路的电压输出为：

当初始时R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R则简化为：

经运放放大后的电压:

其中，D-运放放大倍数；求得使用的力的大小F和输出给单片机的电压U_o2的关系为：

E为握手的弹性模量；

当小磁体都贴满16个时霍尔传感器每经过一个磁体，运动的距离为：

则由霍尔传感器测得的运动距离为：

n为总共经过的磁体个数；

光电编码器运动的距离为：

a为圆盘运动的角度；

所述应变片的运作原理为：

将电阻应变片粘贴在握手上；当握手受到运动压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，表现为电阻值的变化；这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化；把电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小；这种变化的对应关系具有近似线性的关系；找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，通过测量共模电压得到压力值；

电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，即电阻应变效应；金属导体的电阻值用下式表示：

式中:

ρ为金属导体的电阻率，单位为Ω·cm²/m；

S为导体的截面积，单位为cm²；

L为导体的长度，单位为m；

所述圆盘上设有运动传感器，运动传感器包括光电旋转编码器和霍尔传感器；

其中，光电旋转编码器中的增量式编码器的输出信号是A，B，Z三组方波脉冲；

码盘上等间距刻录辐射状透光缝隙，相邻两个透光缝隙之间为一个增量周期；检测光栅上刻有A，B两组与码盘相对应的透光缝隙，来达到通过或遮挡光源与光电检测器件之间的光线的目的；检测光栅上透光缝隙的间距和码盘上的间距相等，并且两组透光缝隙之间相差1/4间距，这样使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90度的电度角；编码器工作时检测光栅不动，码盘随被测转轴转动，光线透过码盘和检测光栅上的透光缝隙照射到光电探测器件上，光电检测器件就输出两组相位相差90度的近似于正弦波的电信号，经过电路的转换处理，得到被测轴的转角或速度信息，利用角度和握手到轴心半径求得圆盘运动位移；

霍尔传感器的位置固定，圆盘上有若干圆孔能够自由贴若干对小磁钢，小磁钢越多，精度及分辨率越高；为判断转动方向，采用两个相同的霍尔传感器H1和H2；测量角度时，每当一个磁钢转过霍尔传感器时，引起磁场的变化，传感器便输出一个脉冲，计算脉冲的个数，确定旋转物体转过的角度，利用角度和握手到轴心半径求得圆盘运动位移。

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