#1. 設(shè)計(jì)背景
在RM競賽中，在制作能量機(jī)關(guān)的時(shí)候，存在著如何實(shí)現(xiàn)對彈丸擊打的檢測，經(jīng)調(diào)查，可能會(huì)存在著如下的方案：
（1）震動(dòng)傳感器：精度有限，可能會(huì)發(fā)生誤判，難以區(qū)分打到了哪個(gè)葉片；
（2）加速度傳感器：可能會(huì)由于擊打產(chǎn)生的加速度比較小，而且時(shí)間短，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行較多處理；
（3）電阻式應(yīng)變片檢測被擊打區(qū)域的形變。
在帖子2019大風(fēng)車能量機(jī)關(guān)制作開源——哈工大威海HERO戰(zhàn)隊(duì)：https://bbs.robomaster.com/forum.php?mod=viewthread&tid=8217&extra=page%3D1%26filter%3Dtypeid%26typeid%3D167中，使用的方案是加速度傳感器。

經(jīng)過方案研究，覺得電阻式應(yīng)變片的檢測也是可以完成設(shè)計(jì)要求的，并且在設(shè)計(jì)出合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)和信號(hào)調(diào)理電路之后，能極大簡化檢測邏輯，并在理論上有較高的檢測精準(zhǔn)度。

#2. 設(shè)計(jì)原理
測試使用的能量機(jī)關(guān)如圖1所示，圖中標(biāo)注了需要檢測彈丸擊打的位置，在此位置里面可以按照實(shí)際情況，在合適的板材（例如較薄的金屬板）上面粘貼電阻式應(yīng)變片。檢測區(qū)域內(nèi)如果被彈丸擊中，則對應(yīng)的金屬板會(huì)產(chǎn)生形變，隨之電阻式應(yīng)變片的電阻會(huì)發(fā)生改變，通過檢測電阻值的變化量可以對擊打動(dòng)作進(jìn)行判斷。

圖1 電阻式應(yīng)變片在檢測區(qū)域內(nèi)的安放示意圖

對于電阻式應(yīng)變片所粘貼的金屬板特性的選取可以考慮如下幾個(gè)方面：
（1）需要滿足足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即在多次擊打之后不產(chǎn)生較大的非彈性形變；
（2）盡量小的彈性系數(shù)，即在被擊打之后能產(chǎn)生較大的形變程度；
（3）易于設(shè)計(jì)和安裝。

#3. 檢測方案
以網(wǎng)上某廠家生產(chǎn)的電阻式應(yīng)變片為例，其命名規(guī)則如圖2所示：

圖2 某廠家生產(chǎn)的應(yīng)變片命名規(guī)則

如圖3所示為電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)示意圖：

圖3 電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)示意圖

暫時(shí)選取應(yīng)變片型號(hào)為：BF120-100AA，即該應(yīng)變片在不產(chǎn)生形變時(shí)，阻值為120Ω，如果因外力導(dǎo)致形變，其電阻值會(huì)隨形變的大小而發(fā)生變化。根據(jù)此原理即可對金屬基板的形變進(jìn)行檢測，從而判斷是否被擊中。

由于電阻式應(yīng)變片在形變之后其電阻值變化比較小，可能有較大形變的情況下阻值也只變化5Ω左右，所以難以直接通過歐姆定律直接對其電阻值變化。因此可以使用平衡電橋電路來對應(yīng)變片的電阻變化進(jìn)行檢測，即將電阻應(yīng)變片的微小阻值變化轉(zhuǎn)換為一個(gè)微小的電壓變化量。另外使用儀用放大電路將微小的電壓變化量進(jìn)行放大，最終可以由單片機(jī)的ADC直接對放大之后的電壓變化量進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理，即可判斷出來能量機(jī)關(guān)的對應(yīng)區(qū)域是否被擊中。

下面將使用仿真軟件對檢測電路進(jìn)行仿真分析。
設(shè)定如下假設(shè)：
（1）未發(fā)生形變時(shí)，電阻應(yīng)變片的阻值為120Ω，被擊中之后產(chǎn)生最大形變的時(shí)候其電阻值變?yōu)?25Ω，在仿真環(huán)境中直接使用電阻來模擬；
（2）忽略其它非理想因素。

使用Multisim來仿真電路，3中結(jié)果如下（反映電阻應(yīng)變片電阻由115Ω~125Ω變化范圍內(nèi)，電路輸出電壓的變化情況）：

圖4 電阻應(yīng)變片未發(fā)生形變時(shí)（電阻為120Ω）的仿真結(jié)果

對于圖4而言，在實(shí)際系統(tǒng)中，因?yàn)閷?shí)際的器件參數(shù)均會(huì)隨時(shí)間變化，所以在使用一段時(shí)間之后會(huì)發(fā)現(xiàn)電阻應(yīng)變片沒發(fā)生形變時(shí)，輸出電壓也不再是1.65V了。
因此可以把電阻R5換成一個(gè)可調(diào)電阻。在每次測試之前通過調(diào)節(jié)電位器R5的阻值，使輸出電壓重新為1.65V，即電橋的調(diào)零操作。

圖5 電阻應(yīng)變片發(fā)生形變時(shí)（電阻為125Ω）的仿真結(jié)果

圖6 電阻應(yīng)變片發(fā)生形變時(shí)（電阻為115Ω）的仿真結(jié)果

對于圖6而言，在理論情況下，電阻應(yīng)變片的阻值是不會(huì)小于120R的，但是在實(shí)際過程中，對于電阻應(yīng)變片而言是有可能比標(biāo)稱的120R小一些的。圖6的仿真只是體現(xiàn)了這個(gè)測試電路在應(yīng)變片電阻小于120R的時(shí)候也具備檢測能力。

#4. 檢測結(jié)果分析
由之前的仿真結(jié)果可知：
? 當(dāng)電阻應(yīng)變片未到形變，電阻變?yōu)?20時(shí)，輸出電壓（電壓表XMM1）為1.648
? 當(dāng)電阻應(yīng)變片受到形變，電阻變?yōu)?25Ω時(shí)，輸出電壓（電壓表XMM1）為2.706V
? 當(dāng)電阻應(yīng)變片受到形變，電阻變?yōu)?15Ω時(shí)，輸出電壓（電壓表XMM1）為0.557V

因此，可以表明該電路具備相應(yīng)的將電阻應(yīng)變片的形變量轉(zhuǎn)換為0-3.3V之間電壓的能力。即在使用過程中，可以通過檢測電路電壓的輸出來判斷當(dāng)前的形變量，從而判斷能量機(jī)關(guān)是否被擊中。
另外，甚至可以對該電路的輸出電壓進(jìn)行高速檢測，并且可通過電壓波形來分析能量機(jī)關(guān)是被何種子彈擊中的。

對于上述電路，給出其理論輸出電壓隨電阻應(yīng)變片電阻值變化的公式：

可以根據(jù)該公式對比仿真結(jié)果，是一致對應(yīng)的。

仿真資源詳見：https://download.csdn.net/download/suiji2442/85043183

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的使用电阻应变片实现对弹丸击打的检测的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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