摘 要：应力测试仪广泛应用于移动车辆、大型工程机械等工程装备领域。目前采用有线的方式进行应力测试时，易产生接线复杂、电线断裂、移动测试困难等情况，文章设计了基于无线传输的应力测试仪总体框架，包括信号采集装置和信号接收装置，两个装置之间通过ZigBee进行无线通信。推导了应变片电压信号转化方程，然后设计了供电电源管理模块、信号放大模块、ZigBee无线传输模块电路等关键电路，并采用Arduino UNO R3单片机设计了相应程序，最后，对应力测试仪的结构进行了三维设计和样机加工，并进行了初步测试，验证了设计方案的可行性。
关键词：应力测试仪；应力信号；模块电路；ZigBee
中图分类号：TP211 文献标示码：A 文章编号：2096-4706（2024）13-0024-05
Design of Stress Tester Based on Wireless Transmission
SONG Feng
（Stainless Steel Branch of Gansu Jiugang Group Hongxing Steel Co.， Ltd.， Jiayuguan 735100， China）
Abstract： Stress testers are widely used in the field of engineering equipment such as mobile vehicles， large construction machinery and so on. At present， it is easy to encounter complex wiring， wire breakage， difficulty in mobile testing and other situations when using wired stress testing. This paper designs the general framework of the stress tester based on wireless transmission， including a signal acquisition device and a signal receiving device， and the two devices communicate wirelessly through ZigBee. It derives the voltage signal conversion equation for strain gauges. Then， key circuits such as power supply management module， signal amplification module， ZigBee wireless transmission module circuit are designed， and corresponding programs are designed using Arduino UNO R3 single-chip microcomputer. Finally， the structure of the stress tester is designed in 3D and the prototype is processed， and preliminary testing is conducted to verify the feasibility of the design scheme.
Keywords： stress tester; stress signal; module circuit; ZigBee
0 引 言
国家在设施建设工程和大型工程项目方面取得了历史性的成就，推动了大型工程机械、高铁建设装备、桥梁检测设备等大型工程装备的制造水平快速提升[1-3]。为了实现工程装备智能制造，必须对其结构强度、应变模态、结构变形、抗冲击力等性能指标进行检测，并根据检测结果进行分析、设计与改进。应力测试仪是一种测量机械零件、构件或试样应变的仪器，在大型工程装备的试验测试中有着广泛的应用[4-5]。
目前主流的应力测试仪大多数没有无线数据采集功能，只能通过数据线来采集和处理信号。这在移动车辆、大型工程机械、桥梁机械等工程装备的作业过程中会带来很多困难，比如现场接线复杂、电线容易断裂等[6-7]。
相较于有线传输而言，采用无线通信终端建立专用无线数据传输方式具有如下优点：成本造价低廉；建设工程周期短；设备灵活性高；组网安装简单，维护方便；易于多媒体通信与组网[8-10]。
因此，将无线传输技术引入到应力测试仪的设计中，可以简化现场接线，避免电线断裂等问题，提高应力测试仪的稳定性和效率，具有很好的市场前景。
1 总体框架设计
根据移动车辆、大型工程机械、桥梁机械等工程装备在作业过程中需要进行无线应力测试需求，设计了基于无线传输的应力测试仪总体框架，如图1所示。分为应力应变信号采集装置和应力信号接收装置，应力应变信号采集装置安装在大型机械的本体结构上，应力信号接收装置放在几十米以外的位置，采集装置和接收装置之间采用ZigBee技术进行通信。应力应变信号采集装置的主要功能是通过贴在机械本体结构上的应变片采集应变信息，并将其转化为模拟量信号，经过信号放大器后，采用Arduino开发板1通过串口通信将其信号读入，然后再次通过串口通信，经过ZigBee通信模块1将采集的应变信息传出；应力信号接收装置的主要功能是采用Arduino开发板2将应力应变信号采集装置所采集到的信息通过ZigBee通信模块2读入，然后通过CAN通信模块将其发送给计算机，计算机接收到信号以后，将其分析、处理后，从而转换成与之对应的应力应变信息。
2 应力测试原理分析
应力测试仪的基本原理是通过测量外力对物体的作用，以及外力作用下物体的变形和应力，来计算物体的强度和结构特性。应力测试仪会根据测量出来的应力和应变值来评估材料的强度，从而可以知道材料在特定力的作用下的变形和强度。应力测试仪的常见类型有电阻应变片式、光纤光栅式和压电传感等。电阻应变式由于其结构简单、成本低、精度高等优点应用较为广泛，因此，本文采用电阻应变式进行设计。
电阻式应变片的结构如图2所示，它主要由基底、敏感栅、覆盖层和引线等部分构成。基底是保持敏感栅固定的支撑层，通常由纸或胶制成，覆盖层是保护敏感栅的隔离层，通常由纸或胶制成，引线是连接敏感栅和测量电路的导线，通常由铜或锡制成。
电阻应变片的工作原理是基于电阻应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形的变化而发生变化，这种现象可以用式（1）来表示：
式中ΔR为电阻的变化量，R为原始电阻，K为应变片系数，ε为应变。
当电阻应变片粘贴在被测对象上时，它会与被测对象一起伸长或收缩，从而改变其电阻值。为了测量这种微小的电阻变化，通常需要使用一个电桥电路和一个放大器等电子器件，将电阻变化转换为电压信号的输出，进而实现对应力或应变的测量和控制。
常用的测量电路有直流电桥和交流电桥两种，由于大型工程装备的电控系统多以直流为主，因此，本文采用常用的直流惠斯通电桥，如图3所示。电桥是由连接成环形的四个桥臂组成的，每个桥臂上是一个电阻，分别为R1、R2、R3及R4，它们都可以是应变片。
由图3可知，其输出电压为：
当被测物体没有发生形变时，电桥平衡，输出电压U为0，电阻关系为：
当物体发生形变时，电阻应变片的电阻值也发生变化。惠斯通电桥的作用就是将其转化为电压的变化，再使用一个放大器进行信号放大，进而实现对应力或应变的测量，此时输出电压发生变化为：
当这四个电阻阻值相同时，可将上式Rn替换为R，由于电阻变化量远小于电阻值本身，所以忽略掉高阶小量，上式可化简为：
再将电阻应变效应公式带入得：
上式表明，当应变片感受到的应变发生变化时，最终会被转化为电压信号，这个公式适用于全桥测量电路，其中四个应变片的电阻变化量相等的情况。
3 关键电路设计
3.1 供电电源管理模块设计
本文设计的应力测试仪中，考虑到应变片的桥压为2.5 V，ZigBee无线传输模块的工作电压为3.3 V，信号放大模块的输入电压与Arduino单片机的工作电压均为5 V。并且，本系统主要通过Arduino单片机进行数据的A/D转换，采集等功能，其转换精度的高低会影响整个系统的精度，基准电压的稳定决定了Arduino单片机的转换精度，所以设计时候要考虑到基准电压的稳定及抗干扰。综上所述，选取直流电压5 V容量1 000 mAh锂电池作为系统电源，工作时间超过10 h。5 V通过信号放大模块内置的TL431稳压电路，得到2.5 V的桥压，又通过Arduino单片机上的3.3 V引脚向ZigBee无线传输模块供电。
3.2 信号放大模块设计
信号放大模块电路由应变放大电路与TL431稳压电路组成，其差分放大电路原图如图4所示。应变电阻桥式电路输出差分电压信号在µV级，2.5 V桥压下一个µε对应的电压变化是2.6 µV。基于该信号的特点，放大器的设计主要考虑高增益、高共模抑制比、低噪声。信号放大模块电路实现对电桥输出微弱信号的放大，其放大倍数可通过计算得出。
V1与V2为应变片两端的输入输出电压，VOUT1为经过第一次差分放大后的电压输出值，VOUT2为最终的电压输出值。理论上分析的关键是放大器的虚短和虚断，首先从V2经R3和R4到接地这一回路严格来说，经过R3的电流应等于流进放大器正相输入端的电流和经过R4电阻的电流之和，但是放大器的输入端汲取的电流一般是很小的，可以忽略，也就是所谓虚断（放大器输入端电流视为0，类似断路）。于是以上回路形成了分压电路，可得运放的正输入端电压V+公式为：
由于运放一般工作在线性区，其正负两个输入端的电位几乎相同，就如同是短路（短路时电压一致）。那么此时运放的负输入端电压V-就等于运放的正输入端电压V+。通过对V1，R1和R2的这一回路分析，可得：
移项，合并可得：
当运放的负输入端电压V-等于运放的正输入端电压V+时，可得：
当R4 = R2，R3 = R1，并且R2 / R1 = R4 / R3时，可得：
由此，可以通过公式得出VOUT1对应的值，并将此值作为第二次差分放大的输入电压值，通过滑动变阻器RP改变第二次差分放大中运放的正输入端电压V+从而调整最终的电压输出值VOUT2的放大倍数。
3.3 ZigBee无线传输模块电路设计
本应力测试仪中集成了ZigBee无线传输模块，实现测试数据的无线传输。该模块是为实现嵌入式系统的无线网络通信应用而设计的一款低功耗模块。通过该模块选择无线透传模式，实现两个UART之间的无线数据传输。此模块通信工作电压选择3.3 V，通过Arduino上的3.3 V接口提供电源，两者直接通信时只需要将ZigBee无线传输模块的TXD、RXD分别加到Arduino的TXD、RXD上即可。
4 Arduino软件程序设计
数字信号只有高电平和低电平（非0即1，没有中间电压）；模拟信号则存在连续的电压，它的变化是连续的，不会总从一个高电压跳崖式地陡降到低电压，当然也不会陡然爬升。他们的区别很明显，数字信号只有两种电压，且仅仅在这两种电压间变化，模拟信号是真实的自然电压信号，其信号为连续的电压变化。
由于Arduino Uno自带的A/D转换器，使得其能够从指定的模拟引脚读取值。其主板有6个通道（Mini和Nano有8个，Mega有16个），10位AD（模数）转换器。这意味着输入电压0～5 V对应0～1 023的整数值。这就是说读取精度为：5 V/1 024个单位，约等于每个单位0.049 V（4.9 mV）。输入范围和进度可以通过函数“analogReference（）”进行修改。所以根据通信原理图及使用要求，采用与Arduino UNO R3单片机开发板对应的Arduino IDE编程软件进行编程，编程界面如图5所示，编写程序使其能够接收来自信号放大模块的信息，并向ZigBee无线通信模块发送串口信息。
5 应力测试仪结构设计
完成应力测试仪的电路设计以及Arduino单片机的变成后，需要对其结构进行三维设计，如图6所示，包括Arduino单片机、ZigBee无线传输模块、信号放大模块、应力测试仪外壳、天线、外壳盖、螺栓及螺母组成。
在应力测试仪外壳的结构设计中，应尽量把应力测试仪的体积缩小，这就要求对内部模块的排布尽可能集中，并且各个模块安装时每个模块之间都留有安装间隙，这样也便于以后的维修，同时还需要考虑应力测试仪的整体安装方案。
设计完成之后通过3D打印得出其实物图，并采购相关电子元器件，进行各模块安装，如图7（a）所示。本文所设计的应力测试仪能够使用绑带，其外壳盖上的两个长方孔将其固定在需要测量的工程装备上，免去打孔的过程，也可以通过其外壳底部的四个耳孔进行固定，该设计为满足便于各种情况下的安装。经过对长250 mm、宽50 mm和厚2 mm的板类零件进行应力测试实验，如图7（b）所示，在指定位置进行测试，并采用ANSYS有限元分析软件进行有限元分析，分析结果如图8所示。应力实验结果与有限元分析结果如表1所示，从表1中可以看出，应力实验测试结果与有限元分析结果基本吻合，说明测试方案具有一定的可行性。
6 结 论
根据移动车辆、大型工程机械、桥梁机械等工程装备在作业过程中需要进行无线应力测试需求，本文设计了基于无线传输的应力测试仪总体框架，分为应力应变信号采集装置和应力信号接收装置。本文分析了应变片的测试原理，并设计了应力测试仪的供电电源管理模块、信号放大模块、Zigbee无线传输模块等，并采用Arduino UNO R3单片机设计了相应程序。根据所选择的电子元器件，本文对应力测试仪的结构进行了三维设计，其设计原则是紧凑、可靠，并采用3D打印的方式加工了测试仪的外壳，安装了相关的电子元器件，并进行了初步测试，验证了设计方案的可行性。
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作者简介：宋峰（1987—），男，汉族，甘肃嘉峪关人，工程师，本科，研究方向：机械设计制造及其自动化。
