MSP430F149在微型测力仪中的应用

　　1 引言

　　应变式力传感器的弹性敏感元件在被测微小力的作用下产生变形，其表面产生应变，粘贴在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件而产生应变，因此电阻应变片的阻值也产生相应变化，再通过电桥将电阻的变化转换成电压的变化，这样就建立了力与电压之间的联系，实现了对微小力的测量。但在测微小力时，由于敏感元件的灵敏度等问题，比较难于测量，如在测量钻削微小孔时产生的钻削力非常小，对应变式测力仪的灵敏度和动态性能要求比较高。

　　目前，工程中主要依赖于压电式测力仪，但其成本很高，难于在实际加工中普遍使用。本文提出一种S 型敏感元件，其灵敏度和动态性能比较好，可以较好地运用在微小力如钻削力等的测量中。

　　根据单片机简单灵敏的特性，将其应用于微小力的测量中，本智能测量系统是以德州 TI 仪器公司的MSP430F149 单片机为核心的。它不仅实现了测量结果的显示与存储，还能与上位机通信，进行数据的分析与处理。

　　2 敏感元件结构和组桥电路

　　2.1 敏感元件结构

　　作为传感器的关键部分弹性敏感元件，是连接被测量与应变片的纽带，其结构将直接影响整个传感器的测量精度和稳定性。

　　设计的敏感元件结构如图 1 所示。

　　左右拉手用于传感器的连接定位，避免在敏感元件上存在连接孔而引起敏感元件的变形，从而影响传感器的性能。在敏感元件圆孔内表面对称直径方向粘贴两组应变片组，每个应变片组由两个互相垂直的应变片组成。

　　2.2 组桥电路

　　应变片组 1、2 的敏感方向与 Z 轴平行，用于检测钻削力 FZ。应变片组 1、2 的 4 片应变片分别定义为 R1、R2、R3和 R4。组桥电路采用全桥式接法，使用+5V 直流电源，输出压差 U，如图 2 所示。

　　在初始状态电桥应处于平衡，即 Ua=Ub，但由于应变片的初始电阻值不完全相同，再加上连接导线电阻的串入，在未施加力时，电桥就存在初始的不平衡，即输出电压不为零。如果初始值偏置太严重，会影响后面的放大电路，甚至不能正常工作，所以需要对电桥调零。

　　电桥调零电路由固定电阻 Rb和多圈微调电位器 Ra组成。

　　2.3 测量原理

　　在测量钻削力 FZ时，应变片的阻值变化不同，其中 R1、R3受压阻值变小，R2、R4受拉阻值变大，此时：

　　R1R3< R2R4

　　电桥不平衡，输出压差 U。这个输出是由于钻削力引起的，它代表的是钻削力的信号。

　　3系统的硬件设计

　　智能测力仪系统如图 3 所示。系统的工作原理是：钻削力信号经过传感器转换为模拟电信号，再经信号调理电路后进入单片机。由单片机处理后一方面送到显示控制部分，显示力值;另一方面由通信接口将数字量传输到上位机，进行数据分析和处理，另外还可以由存储部分进行保存。