一、发展现状

随着现代电子技术的发展，一些传统的测量方法发生了根本性的变化^[1]。在普通的大学物理实验中，惠斯登单臂电桥主要用来做测量电阻的工作，在工业测量中，惠斯登单臂电桥则是普遍使用的仪器。本次实验主要期望通过电阻应变片的引入，拓宽惠斯登单臂电桥的应用，使其能够测量重量和微小位移。同时可以将单片机引入系统，将电阻应变片变化的电信号导入单片机，并将处理的结果通过显示器显示，比较两次测量的结果，从而对惠斯登单臂电桥有全新的认识。

单臂电桥是由英国发明家克里斯蒂在1833年发明的，惠斯通第一个用它来测量电阻。它是用比较法测量各种参数的仪器，早期用来精确测量电阻值，无需精确的电压基准或高电阻仪表。图1是它的实验原理图。在它的四个臂上，R1,R2,R3的电阻是已知道的。当电路中通电后，调节R1,R2,R3的值使得检流计中电流为0，则被测电阻。在实际应用中，电阻电桥很少按最初的目的使用，而是广泛应用于传感器检测领域，在工程实际中电桥有很大的应用^[2][3]。在工程中，被测量的量往往都是非常微弱的，必须用专门的电路来测量这些微弱的变化，最常用的电路就是电桥电路，在测试系统中电桥是不可或缺的一部分，是信号处理的关键。精确度高，灵敏度高，非线性误差小，可抑制工模干扰信号，可测差动变化方向和消除温度误差是电桥的特点，在工程实际中有广泛的应用。

图1：单臂电桥 图2：金属应变片

测微小位移和侧重是电桥在实际工程中比较常见的应用。常见的测微小位移的方法有光杆放大法、千分表法、传感器法显微放大法、光干涉法等。而测重技术经历了从机械读数到光电读数，再到电子数字读数的过程。大规模电子集成电路的发展使得测重和测微小位移技术得到了较大的发展。在测重和测微小位移中，传感器把被测非电学量转变为与其成一定关系的电学量，常用的传感器有应变电阻传感器、电感传感器、电容传感器、热传感器和霍尔传感器等，工作环境对传感器影响很大，关系到传感器能否正常工作，影响仪器的测量精度^[13]。电阻应变片传感器是应用最为广泛的一种传感器，图2是一种电阻应变片的结构图。在基底上粘贴金属电阻丝，加一覆盖物并给出引线构成电阻应变片。我们知道金属电阻丝电阻值除了与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。其主要原理是把电阻应变片贴在弹性敏感元件上，组成电桥，用压力引起的电阻变化反映重量或位移^[9][12]。应变片粘贴在被测构件上，当构件受力变形时，应变片内金属丝的长度和横截面积也随着构件一起变化，进而发生电阻变化。电阻变化的值与构件的形变位移成正比。因此，只要测量电阻的值，就可以知道形变的位移大小。而如果通过加载重量使得构件产生形变，又因为重量变化与形变成正比。因此通过测量电阻也可以测量重量。工程实际中，为了测量桥梁等的形变，可以把电阻应变片安装在桥梁等构件上^[10]。假设桥梁受力形变，则电阻应变片的阻值Rx会发生变化，调整电桥的其他电阻阻值，使得电桥平衡，检流计G没有电流通过，那就可以计算出Rx的变化，也就可以计算出桥梁的形变。电阻应变片是电阻应变片传感器的核心部分，它直接影响传感器的各种性能指标。

单片机技术是计算机发展史上一个重要的里程碑，体积小，功能全，性价比高等优点作为单片机的特点使其在工业控制、尖端武器、通讯设备、信息处理、家用电器等嵌入式领域具有较多的应用，各种产品一旦用上单片机，就能在性能上获得很大的提高^[23]。随着电子技术，控制技术和计算机软硬件技术的快速发展，使单片机应用系统开发设计包含了十分丰富的内容和技术，并且面临着知识与技术更新日新月异的局面。单片机应用技术是现代智能化，数字化重要组成部分，随着计算机软硬件技术，电子技术等的飞速发展，使单片机的应用内容也越来越丰富，相关知识与技能也更新很快。单片机开发板给应用者提供了很大的方便，不需要焊接所要制作的测量和控制设备的主板，只要选择适合自己的开发板即可，计算机接口和液晶接口都集成在开发板上^[25]，而且相关传感器接口和控制电路问题随着深入的研究也能很好的解决^[22]。在控制系统的编程方面，单片机从以前的用汇编语言进行编程到现在可以通过c语言编程，相对于以前需要用汇编语言进行编程，非常方便^[16]，而且现在的单片机可重复编程，可以根据需要不同的功能需求修改程序，更加灵活和方便。特别是可在线编程单片机出现后，使得单片机在现代许多工业控制系统发挥越来越大的作用。本课题还将利用单片机通过实时测量回路的电阻变化引起的电流电压变化，通过编写的计算程序由单片机计算出相应的位移和重量的值，并且把这两种方法获得的结果进行比较。使得实验内容知识丰富综合。

二、拟完成任务

整个毕业设计工作，除了完成理论研究，还要完成硬件制作。硬件具体工作分成二部分。一是制作一个模拟形变的构件与单臂电桥连接通过单臂电桥测量构件形变与被测重量等；另外制作一个电路回路通过测量电路中电信号变化，并且把电信号的变化通过单片机处理，由显示设备直接显示测量结果来完成相同的测量目的。要求提出测量系统的硬件设计思想，并且给出设计电路图等。购置元器件并且完成各部分器件的制作、连接和调试。将要求完成桥式传感器测量的信号送入数据采集卡，并且经A/D转换后送入单片机处理，由显示设备直接显示测量结果。完成的装置可以作为学生做提高性综合性实验使用。

三、参考文献