#1. 設(shè)計(jì)背景
在RM競(jìng)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(duì)彈丸擊打的檢測(cè)，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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行較多處理；
（3）電阻式應(yīng)變片檢測(cè)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(cè)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(jiǎn)化檢測(cè)邏輯，并在理論上有較高的檢測(cè)精準(zhǔn)度。

#2. 設(shè)計(jì)原理
測(cè)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(cè)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(cè)區(qū)域內(nèi)如果被彈丸擊中，則對(duì)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(cè)電阻值的變化量可以對(duì)擊打動(dòng)作進(jìn)行判斷。

圖1 電阻式應(yīng)變片在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的安放示意圖

對(duì)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(cè)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(duì)金屬基板的形變進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)其電阻值變化。因此可以使用平衡電橋電路來(lái)對(duì)應(yīng)變片的電阻變化進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)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(lái)能量機(jī)關(guān)的對(duì)應(yīng)區(qū)域是否被擊中。

下面將使用仿真軟件對(duì)檢測(cè)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(lái)模擬；
（2）忽略其它非理想因素。

使用Multisim來(lái)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(cè)試電路在應(yīng)變片電阻小于120R的時(shí)候也具備檢測(cè)能力。

#4. 檢測(cè)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(cè)電路電壓的輸出來(lái)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(duì)該電路的輸出電壓進(jìn)行高速檢測(cè)，并且可通過電壓波形來(lái)分析能量機(jī)關(guān)是被何種子彈擊中的。

對(duì)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(duì)比仿真結(jié)果，是一致對(duì)應(yīng)的。

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

總結(jié)

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