毕业设计（论文）-8通道纤维铺放张力控制系统设计.doc

1 摘 要 纤维与树脂复合材料的强度与重量比明显优于金属，其产品同时具有机构性能可 设计及耐腐蚀等优点，因此在航天、国防和民用工业中正发挥越来越重要的作用。张 力控制是纤维和树脂复合材料生产工艺中极其重要的技术环节，生产过程中能否获得 稳定可控的张力是纤维材料制品是否高强可靠的关键所在。我国现有的纤维铺放机中 所是使用的张力控制仪的控制精度和张力可调节性能都比较低，为此，本文进行了 8 通道纤维铺放张力控制系统的方案设计。 通过分析张力控制的特点和要求，本文研究设计了金属应变式张力传感器，包括 金属应变效应介绍、应变信号调理转换电路设计，张力传感器的结构特点分析和结构 参数设计。同时还研究了张力控制执行机构直流力矩电机和工作特性和控制器的 设计等方面的内容。文中同时涵盖数据采集和处理，增量式数字 pid 控制方法的内容 并给出张力控制系统方案设计的系统框图以及张力控制部分的相关电路图设计。 关键词：张力控制仪，张力传感器，直流力矩电机，pid 控制 2 abstract due to the better strength-weight ratio compared with that of metal, and because it has advantages like erosion endurance, the tow and resin-compound materials are becoming more important in spaceflight, tension control is the crucial technique in the manufacturing process of the tow and resin-compound materials. key words：tension-control equipment, tension sensor, the dc torque motor, the pid control mode 3 目 录 第 1 章 概述5 1.1 引言.5 1.2 纤维铺放设备中张力控制国内外研究现状.5 1.3 本文研究意义及内容6 第 2 章 张力控制系统总体设计8 2.1 系统设计要求.8 2.2 系统设计方案.8 2.2.1 系统框图.8 2.2.2 硬件电路设计.9 第 3 章 张力检测机构设计.16 3.1 电阻应变片工作原理及横向效应.16 3.1.1 金属的电阻应变效应及应变片结构.16 3.1.2 横向效应简介.18 3.2 电阻应变片的动态响应特性.19 3.3 电阻应变片的温度误差及补偿.20 3.4 张力传感器调整电路.22 3.4.1 电桥原理.22 3.4.2 张力传感器结构设计.24 第 4 章 执行结构直流力矩电机.27 4.1 直流力矩电机工作原理.27 4.2 直流力矩电机特点.28 4.3 直流力矩电机特性.29 4.3.1 直流力矩电机输入输出特性.29 4.3.2 带控制器的直流力矩电机特性.30 4.4 张力控制算法.31 4.4.1 比例调节器（p）.32 4.4.2 比例积分调节器（pi）.33 4.4.3 比例微分调节器（pd）33 4.4.4 增量式 pid 控制算法 33 第 5 章 总结.36 参考文献37 4 致 谢.38 5 第第 1 章章 概述概述 1.1 引言引言 在工业生产的诸多行业中，经常会遇到卷绕控制问题，如在纸张、纺织品、塑料 薄膜、电线、印刷品、等的生产过程中，带料或线材的收放卷的张力对产品的质量至 关重要，张力过大会造成加工材料的拉伸变形，张力过小会使卷取材料的层与层之间 的应力变形，造成收卷不整齐，影响加工质量。为此要求进行恒定张力控制，即在卷 绕的过程中使产品承受最佳压力，且自始至终保持不变。尤其是在纤维复合材料的应 用中，由于纤维的强度与重量比明显优于金属，产品又具有结构性能可设计及耐腐蚀 等优点，所以在航天、国防和民用工业中正发挥着越来越重要的作用。因此，提高纤 维以及一些树脂复合材料的质量就尤为重要1。 在复合材料的成型工艺中，纤维缠绕成型工艺是指采用连续纤维在浸渍树脂粘合 剂后，在张力的作用下按照一定的线型有规律的排布在芯模上，然后通过加热是粘合 剂固化而制成一定形状的工艺方法。纤维铺放技术全称是自动丝束铺放成型技术，也 称自动铺丝技术(automatic fiber placement, afp)。该技术是 20 世纪 70 年代作为纤维 缠绕和自动铺带技术的改革而发展起来的全自动复合材料加工技术，也是近年来发展 最快效率最高的复合材料自动化成型制造技术之一。纤维铺放技术既可以铺凸面也可 以铺凹面，还可以铺放复杂的双曲率构件，并具有在铺层时切割丝束的功能，可以满 足对铺层惊醒剪裁以适应局部加厚，铺层递降和开口铺层的需要，因此相比纤维缠绕 技术和自动铺带技术具有更广泛的应用价值。在复合材料的成型工艺中，合理的控制 张力可以提高纤维的工作应力，充分发挥纤维材料的高强特效2。复合材料制品的最终 性能与其生产过程中的工艺参数密切相关。在铺放发动机壳体、压力容器时，铺放张 力的大小，各束纤维间的张力的均匀性及各铺放层间纤维张力的量级变化对制品强度 影响极大。研究证明，张力选择不当或张力不稳定，可使纤维缠绕制品的强度损失 2030%。可见，性能优良的纤维铺放机必须配上准确控制张力的张力控制器，才能对 系统的高效可靠提供保障3,4。 为了满足高品质纤维制品的生产要求，本课题就纤维铺放过程中恒定张力的控制 方法进行了研究。在分析了系统的要求及动态响应等各方面的要求后，对张力控制系 统现象具有自动报警功能的可控张力控制仪。 1.2 纤维铺放设备中张力控制国内外研究现状纤维铺放设备中张力控制国内外研究现状 6 资料显示，国内早期纤维线绳张力控制采用的是单纯的加重锤法，这种方法不能 根据张力的实际情况调节放线速度，可调节精度差。 从 20 世纪 80 年代开始，出现了具有有限反馈调节功能的机械式线绳张力控制装 置，这也是目前国内主要使用的精度较低的机械式张力器，此装置在线绳辊后部增加 了一个摩擦片，可以一定程度上调整线绳张力，但反映不灵敏，调节范围有限，控制 精度也不太高，不易保证铺放过程中的张力精确控制要求。其实控制纱线张力的实质 是控制纱线轴的转动阻力矩，一个理想的张力控制系统应能给出稳定、可调的铺放张 力。 20 世纪 80 年代后期开始，一些进口成型机中常见的张力控制系统的线绳导开装置 常采用的恒定张力自动控制系统，其线绳辊采用直流电机驱动，控制系统采用 pwm 调速，这样的装置有电流反馈、张力反馈等多环反馈环节，并且由此之后出现了以磁 粉离合器、磁粉制动器为执行机构的张力控制系统。 目前国内已研制的一些张力控制系统主要是采用工业控制机为控制核心，磁粉离 合器为执行元件，半径跟随臂实时反馈纱团半径变化。可是，磁粉离合器的磁通增长 速度取决于激磁线圈的电感量，磁通建立后，磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉 链时有延时过程；同时，纤维由于自身的伸展性也会延迟张力的建立，这使磁粉离合 器带有滞后的特性，因此，这种系统必须解决滞后问题，提高其响应速度，否则将影 响整个控制系统的稳定性和精度1。 调查表明，力矩电动机在低转速、大转矩拖动系统中有广泛的应用，所以，如果 把力矩电动机用在张力控制系统中，作为自动控制装置来改进张力控制系统的时间滞 后性，可以有效地提高系统的控制精度6,7,8。 当前国外在整个项目上正在向集成模块发展，其充分利用计算机技术，把测量、 控制、显示等进行一体化设计，尤其是在织机的张力控制系统中，国外的一些张力控 制系统都具有极高的性能和智能化，如意大利的舒美特织机有限公司的“天马”超优 秀织机、瑞士的苏尔寿系列织机、日本津田驹系列织机等等。这些织机都实现了电子 卷取和电子送经控制，具有较高的智能化控制水平，在国际市场上占据重要的地位。 所以，智能化的张力控制器也正是我们该产业努力发展的方向。 1.3 本文研究意义及内容本文研究意义及内容 为了适应现代智能化控制的发展方，使控制系统向一体化方向发展，同时，方便 进行复合材料制品的质量跟踪，提高纤维产品质量，张力控制系统的研究有很重要的 现实意义。根据所选的检测元件和转矩调节元件不同，可以有各种不同的张力控制方 案，例如，可以根据带料或线材收卷直径的变化来控制张力，也可以根据带料或线材 7 的长度变化来控制张力，当然也可以用测力传感器直接测量张力来实现控制。一般按 照不同的工艺要求，有间接张力控制和直接张力控制两种方法。间接控制是通过控制 维持张力恒定的传动系统的电参数(往往是速度调节器的输出限幅)实现张力控制，一 般采用最大力矩控制或恒功率控制等方式，适用要求不高的场合，可实现一般的简单 张力控制要求。直接张力控制系统采用张力传感器并构成张力闭环调节，视传感器结 构不用，可分为位置式控制和反馈式控制，一般用在高精度，高速度的张力控制场合。 这几种方法各有优缺点，如何选取技术方案要综合考虑技术与工艺要求、可靠性和经 济性等因素。 由于纤维铺放时纱线总是处于运动控制中，并且要求张力恒定，因此要求张力控 制系统在动态，尤其是加、减速过程中能有效控制张力，也就是要求系统能够准确补 偿由于加、减速及摩擦所带来的动态力矩，所以本文采用直接控制中的反馈式张力控 制 。所谓反馈式张力控制是指采用微处理器为控制核心，实现复杂的控制算法，硬件 采用张力传感器实时监测张力，构成张力的反馈以实现闭环控制。因此，文中张力控 制系统将直接采用张力传感器实时监测张力，以直流力矩电机执行机构，利用直流力 矩电机工作时提供的阻力矩恒定缠绕纤维上的张力，通过 at89c52 微处理器控制直流 力矩电机转矩，以达到控制张力的目的。以下对张力控制装置的主要结构进行介绍， 让读者对本文的主要研究内容有个基本了解。 (1) 纤维铺放张力控制仪： 张力控制仪正面是控制界面，控制仪正面左上方有 6 个 5 寸红色数码管组成的现 实 区域，可以实时现实张力值及设置的各个参数之；在面板的右面是功能按键和数字按 键区域，可以按照要求完成一系列设置、检测、控制的功能。在控制仪的后面有八个 航空插头，用于接入八路控制信号。该张力控制仪将在本文第 2 章作详细的介绍。 (2) 张力传感器： 传感器底部贴有金属应变片，应变信号由信号线通过张力控制仪后的航空插头送 入张力控制仪进行数据处理。全套系统共有 8 个这样的传感器结构，用来检测 8 路张 力。本文的第 3 章将重点介绍应变效应，应变传感器的工作原理、基本结构，电阻应 变片温度误差和补偿，应变信号调理电路及张力传感器参数设计等方面的内容。 (3) 直流力矩电机： 在每个传感器的正下方都对应有一个直流力矩电机。直流力矩电机是该控制系统 执行机构，它工作时提供的阻力距用于维持纤维线绳上的张力。在整个系统执行过程 中，对直流力矩电机的控制将直接影响到整个系统的控制精度和可靠性问题，它是整 个系统的运行核心和控制关键，因此对它的透彻研究和准确分析将是重点。本文的第 4 章将就此问题展开详尽的讨论，从直流力矩电机的工作原理着手，结合实验讨论直流 8 力矩电机的特性和输入输出控制关系，目的在于找出张力和控制电压之间的数量关系， 是张力控制仪可以通过运算得到稳定张力需求的输出控制电压。 在介绍完整个张力控制系统的相关检测和执行部分之后，在此基础上，本文将按 照这个顺序依次展开详细讨论。 第第 2 章章 张力控制系统总体设计张力控制系统总体设计 2.1 系统设计要求系统设计要求 该系统将用于复合材料预浸纱铺丝设备在铺丝时的张力控制，以达到充分发挥纤 维材料的高强度特性的目的。系统要求根据上位机输入的张力控制阀值，对 8 根丝的 张力同时进行控制，将铺丝过程中的张力控制结果实时记录、显示并且储存，对断丝 进行实时报警，以便质量跟踪。要求该控制系统能够达到以下这些性能指标： (1)量程 03kg； (2)控制精度要求在纱速为 0.050.3m/s； (3)分辨率 0.03kg； (4)实时显示 8 根丝的张力值(或通过通道切换，显示其中任意一路)，当张力小 于或超过限定值时，进行断纱的声光报警，并显示断纱的通道号； (5)具有串口通讯的功能； (6)检测精度 1%。 在这样一套张力控制系统中，结合上述系统的性能指标，如要很好的完成这样一 套 设备，需要解决以下一些关键技术： (1)丝的张力检测，主要是解决系统中张力传感器的动态检测精度问题和提高响 应频率的问题，从结构上保证丝的张力检测的结果稳定。 (2)8 个通道之间的信号干扰问题，主要措施是在前置放大器的输入端采用屏蔽。 (3)微弱信号的非失真放大问题。 (4)对制动装置(直流力矩电机)的控制问题，包括控制系统的方案选取以及控制 参数的整定。 (5)此噪声放大器的设计问题。 2.2 系统设计方案系统设计方案 9 2.2.1 系统框图系统框图 整套张力控制系统实行的是闭环反馈控制。系统运行时，首先通过张力传感器实 时监测并显示纤维线绳上的张力，然后再通过控制系统执行机构直流力矩电机的阻力 矩来稳定纤维线绳上的张力，达到恒定张力，提高纤维复合材料质量的目的。在铺放 过程中共，系统随时监测纤维丝上的张力大小，经过 cpu 与设定值进行比较计算后， 由 d/a(数字量信号转换成模拟信号)输出模拟控制电压信号，再由功率放大器放大后 制动直流力矩电机，让其恒定运转，提供恒定的阻力距，从而稳定纤维丝上的张力大 小以控制张力。整个系统的基本组成如图 2-1 所示。 丝丝卷卷1 1 计计算算机机系系统统 放放大大器器8 8 控控制制器器 力力矩矩电电动动机机8 8 力力矩矩电电动动机机1 1 丝丝卷卷8 8张张力力传传感感器器8 8 张张力力传传感感器器1 1放放大大器器1 1 多多 路路 转转 换换 器器 断断丝丝报报警警 a a/ /d d d d/ /a a 功功放放8 8 上上位位机机 功功放放1 1 d d/ /a a r rs s2 23 32 2 张张力力输输入入 图 2-1 系统组成框图 2.2.2 硬件电路设计硬件电路设计 本节将重点介绍这套张力控制系统的各个相关环节的硬件电路设计，这些电路都 被封装在张力控制仪的内部。下文就是电路中电源、滤波、放大等各个相关环节的电 路设计、所采用的电器设备以及电路连接等方面逐个进行介绍。 (1) cpu 使用 at89c52 单片机，程序容量 8k，晶振使用 11hz。这是整个张力控制系统的 运算和控制中心。at89c52 是美国 atmel 公司生产的低电压、高性能 cmos 8 位单片 机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器和 256bytes 的随机存取数据 存储器(ram)，功能强大的 at89c52 单片机适用于较多较为复杂的控制应用场合。空 闲方式时停止 cpu 的工作，但是允许 ram、定时/计数器、串口通讯口及终端系统继 续工作。掉电方式时保存 ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作 直到下一个硬件复位。鉴于以上种种性能优点，因此，本文中的张力控制系统选用 at89c52 作为系统 cpu。 10 (2) 外部存储器： 使用 eeprom2864。用于存储设定的 8 根丝的张力值、各个通道的 pid 控制参数 以及其他一些参数。eeprom(electrically erasable programmable red only memory,电 可擦除可编程只读存储器)的擦除不需要借助其他设备，它是以电子信号修改内容的， 而是以 byte 为最小修改单位，没有必要将原来的资料全部洗掉才能写入，这样的性能 彻底的摆脱了 rom(read only memory，只读存储器)、eprom 在编写和擦除时各种 束缚，得到很广泛的使用。eprom2684 是可读写掉电能保存的存储器，可以被保护单 元中存储定值和调试所需的参数。但是在更换主机板时 eeprom2864 只能对应原来的 保护单元，否则将造成保护单元的不能正常工作。 (3) 通讯： 采用 rs232 通讯方式，芯片为 max232。其中包含两路接受器和驱动器的 ic 芯 片，适用于各种 eia-232 和 v.29/v.24 的通信接口。从 max232 芯片中两路发送接收 中任选一路作为接口。使用时要特别注意其发送、接收的引脚的对应关系，如 t2in 引 脚接单片机的发送端 txd，则 pc 机得 rs232 的接收端 rxd 一定要对应 t2in 引脚； 同时,r2out 接单片机的 rxd 引脚，pc 机得 rs232 发送端 txd 对应接 r2in 引脚。其 接口电路如图 2-2 所示 9 10 11 12 13 14 15 16 8 7 6 5 4 3 2 1 vcc c5 c3 + c4+ c2 + + c1 89c52 rxd txd gnd 上位机 gnd rs232 rxd txd max232 r2out vcc gnd t1in t2in r2in t2out r1out v+ c2+ v- r1in c1+ c1- c2- t1out 图 2-2 采用 max232 的串行通信连接电路图 这里有一点说明：由于器件对电源噪声很敏感，vcc 必须对地加去藕电容 c5，其 值为 0.1f。电容 c1c4 取同样数值的钽电解电容 1.0f/16v,用以提高抗干扰的能力， 电容连接时要尽量靠近芯片 max232。 (4) 复位电路： 11 初步选用上电复位两种方式。复位功能是单片机的初始化操纵，其主要作用是把 pc 初始化为 0000h，使单片机从 0000h 单元开始执行程序。除了进入系统正常初始化 之外，当由于程序运行出错或操纵错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要 按复位键重新启动。复位功能的信号是通过 89c52 单片机的 reset 引脚输入的，复位 信号是高电平有效，其有效时间持续 24 个振荡周期以上，本张力控制系统使用的晶振 频率是 11mhz，那么复位信号要持续 2.2s 左右才能完成复位操纵。 复位操作由上自动复位和按键手动复位两种方式：上电自动复位是通过外部复位 电路的电容充电来实现的，只要电源 vcc 的上升时间不超过 1ms 就可以实现自动上电 复位，即接通电路完成了系统的复位初始化。按键手动复位又可以分为电平方式和脉 冲方式两种。前者是通过使复位端经电阻与 vcc 电源接通而实现的；后者则是利用 rc 微分电路产生的正脉冲来实现的。图 2-3 中，包含了上点自动复位和按键手动复位两 种方式。 或非门 接89c52信号 reset引脚 vcc 1 3 2 51k1k s1 reset122uf/16v reset2 1uf/16v 74ls28 图 2-3 复位电路图 复位电路虽然简单，但是它的作用相当重要。一个单片机系统能否正常运行，首 先要检查的就是能否复位成功。可通过示波器探头监视 reset 引脚，按下复位键后， 观察是否足够幅度的波形输出(瞬时的)；还可通过改变复位电路的电阻电容值进行试 验9。 (5) 报警电路： 采用声光报警，光报警拟利用数码闪烁显示的方式。当系统在运行过程中出现断 丝(即测量张力值小于设定的阀值下限)或者丝线缠绕(即测量张力值大于设定阀值上线)时， 立刻通过声音提示和显示闪烁的方式通知使用者系统出现故障，让其尽快解决问题， 使系统恢复正常运行。 12 (6)a/d(模/数)转换： 使用内部带有 20khz 采样频率的采样保持芯片 ad1674，结合模拟多路开关 ad7501，实现 8 路张力电压信号的采样。 ad1674 是美国 ad 公司推出的一种完整的 12 位并行(模/数)转换单片集成电路。 该芯片内部自带采样保持器(sha)、10 伏基准电压源、时钟源以及可和微处理器总线 直接接口的暂存/三态输出缓冲器。ad1674 的内部结构紧凑，集成度高，工作性能(尤 其是高低温稳定性)较好，而且可以使设计板面积大大减小，因而可降低成本并提高系 统的可靠性。在张力控制系统中，ad1674 可以实时的采集各个传感器的模拟参量，进 行快速、精确的数据转换并传给 cpu 进行数据处理，从而有效地控制整个张力控制系 统的检测精度。正因为 ad1674 具有以上这些特点，在本套张力控制系统中，选用 ad1674 作为 a/d 转换的核心装置，其连线原理如图 2-4 所示。 +12v -12v 1 12 4 8 + - 3 2 0.1uf 0.1uf -12v tp1 lmout lm358 12 +12v 0.1uf 14 3 v- v+ vcc 16 1 4 2 a b c s1 s2 s4 s3 s7 s8 s6 s5 24 23 22 21 20 19 18 17 gnd a2 a1 a0 out en ad7501 s5 s6 s8 s7 s3 s4 s2 s1 0.1uf 0.1uf +12v -12v anout 1 vcc qd4 gnd wrq iorw a0q qd6 qd5 qd7 qd0 qd7 qd5 qd6 qd2 qd1 qd3 qd4 10 9 12 13 14 8 7 112 5 6 4 26 25 27 28 20 19 17 18 22 21 23 24 16 3 vcc ref-in +vs refout -vs 20vspn an-gnd bplrof 10vspn ad1674 cs isbdb0 db8 db7 db5 db6 db2 db1 db3 db4 status msb-11 db9 db10 a0/sc ce r/c 12/8 图 2-4 ad1674 连线图 本文所述系统中要同时进行 8 路纤维铺放设备中的张力控制，当系统中有多个变 化较为缓慢的模拟量输入时，常常采用模拟多路开关，利用它将各路模拟量轮流与 a/d 转换器接通，这样使用一片 a/d 转换器就可完成多个模拟输入信号的依次转换， 从而节省了硬件电路。目前已有多种型号的模拟多路开关集成芯片，它们的功能基本 相同，仅在某些参数和性能指标上有所差异。本文使用的是一种具有代表性的模拟多 13 路开关芯片 ad7501，他是一种 8 路输入，1 路输出的集成芯片。当 en 高电平有效时， a0、a1、a2 三个输入端状态的组合决定接通 8 路输入模拟信号 s1s8 的某一路 si， 即将 si 于 out 端接通输出，真值表见表 2-1，ad7501 的连线如图 2-4 所示。这里同 时指出，由于模拟多路开关的引入也引入了误差和延时，在选择模拟多路开关时，要 结合具体要求，综合考虑这些性能指标，从而进行选择 表 2-1 ad7501 真值表 a0a1a2a3 接通 si 0 001 s1 0 011 s2 0 111 s3 0 111 s4 1 001 s5 1 011 s6 1 101 s7 1 111 s8 x xx0 无 (7) d/a(数/模)转换： 采用 8 片 8 位的 dac0832，分别驱动 8 路控制器。 dac0832 是采用 cmos 工艺制造的 8 位单片 d/a 转换器，主要由两个 8 位寄存器和 一个 8 位 d/a 转换器组成，使用两个寄存器(输入寄存器和 dac 寄存器)的好处是能 简化某些应用中的硬件接口电路设计。dac0832 采用二次缓冲方式，这样可以在输出 的同时，采集下一个数据，从而提高转换速度；更重要的是能够在多个转换器同时工 作时，实现多通道 d/a 的同步转换输出。dac0832 分辨率位 8 位；只需在满量程下调 整其线性度；可与所有的单片机或微处理直接接口，需要时亦不可与微处理器连接而 单独使用；电流稳定时间为 1；可双缓冲、单缓冲或直通数据输入；功耗低，约为s 200mw。dac0832 的输出是电流型。然而在控制系统中，需要使用的是电压信号，因 此，需要通过运算放大器将其转换成单极性输出，接线如图 2-5 所示，对应数字量 14 00ffh 的模拟电压 v0 的输出范围是 0-vref，但是系统需要输出电压是 +1.2+3.7v，因此通过反相器调整输出电压 vout的范围是+1.2+3.7v。 - + vout gnd 10k 5k50k v0 -12v +12v - + +5v gnd 2 18 10 19 8 9 12 11 +5v 20 3 gnd gnd vcc agnd dac0832 wr2 wr1 vref dgnd ile rfb iout2 iout1d0(isb) d1 d3 d2 d6 d7(msb) d5 d4 xfer cs 1 17 16 15 13 14 5 4 6 7 图2-5 dac0832接线图 (8) 放大与滤波： 滤波器是一种能使用频率信号通过而同时抑制(或衰减)无用频率信号的电子电路 或装置，实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等。以往滤波器主 要采用无缘元件 r、l 和 c 组成，目前一般由集成运放、r、c 组成(常称为有源滤波 器)。有源滤波器具有输出阻抗约为 0，电压放大倍数大于 1，体积小于重量轻等优点。 因集成运放的带宽有限，有源滤波器的工作频率最大可达 1mhz。通常用频率响应来描 述滤波器的特性。 对于滤波器的幅频响应，常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或 衰减的信号频率范围成为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。滤波器在通带 内应具备零衰减的幅频特性和线性相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。 若按照受阻或衰减的信号频率范围，滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通 滤波器以及带阻滤波器等几大类。本文中张力控制系统采用的是带通滤波器。在滤波 15 器的设计过程中，采用集成运放、r、c 组成有源滤波器。 在张力传感器采集到原始应变信号后，经过应变电桥的相应处理转换成模拟电压 信号时其输出信号比较微弱，而且其中还包含工频、静电和电磁耦合等共模干扰，首 先需要通过运放 ad624 进行信号放大，再将被放大的信号通过由集成运放 op-07 组成 的带通滤波器进行滤波处理之后才将信号输出，以供后续数据处理使用。在滤波器前 置放大器的目的是为了提高信号的信噪比。接线原理如图 2-6 所示。 输出 op-07 6 4 2 3 - + 817 +12v -12v 0.1pf 0.2pf 10k 10k 10k 6 9 10 458 +12v nullout-12v 15147 0.1pf 0.1pf 2000pf 输 入 模 拟 信 号 20k +in -in20k - + innull 5 3 1 6 2 4 2 3 16 11 12 13 1 ad624 + rg1 rg2 x500 x200 x100 - 图 2-6 放大、滤波电路接线图 在这个电路设计中，为了保证信号放大之前的应变电桥线性度，要求负载电阻足 够大，也就要求放大电路具有很高的共模抑制比、高增益、低噪声和高输入阻抗，普 通的放大电路很难实现，通常采用集成测量放大器来实现传感器信号的放大。本文选 用 ad 公司生产的 ad624 芯片，它是一种高精度、低噪声、高增益精度、低增益温度 系数和高线性度的测量放大器，是应用于高分辨率数据采集系统的理想器件。它主要 包含这些特点：良好的噪声特效，在 1khz时输入噪声的典型值小于 4nv/hz；芯片内提 供 1、100、200、500、1000 倍的引脚可设增益，其他增益可通过一个外接电阻实现； 所有预增益设置均保证失调电压、失调电压漂移、增益精度和增益温度系数；具有完 全独立的输入和输出失调调零端，从而减少了增益调整过程中的失调电压影响；带有 一个检测端，使用户能够减少长引线导致的误差，还有一个参考端以便调整输出点偏 移。而 op-07 则是一种性能优良。价格低廉的低漂移型运算放大器，其输入级为共射- 共基组态的差动放大器，采用直接耦合型多级放大电路，其温度漂移主要由输入级决 16 定。 (9) 张力控制仪电源：采用 5v，12v，-12v 供电。 第第 3 章章 张力检测机构设计张力检测机构设计 在测试技术中，除了直接用电阻应变丝(片)来测定试件的应变和应力外，还广泛 利用它制成各种应变式传感器来测定各种物理量，如力矩、压力、加速度等，应变式 传感器是目前应用最广泛的传感器之一。应变式传感器的基本构成通常分为两部分： 弹性敏感元件及应变片(丝)。弹性敏感元件在被测物理量的作用下产生一个与物理量 成正比的应变，让后用应变片(丝)作为传感元件转换为电阻变化。应变式传感器与其 他类型传感器相比具有以下特点： (1) 测量范围广：如应变力传感器可测 10-2107的力，应变式压力传感器可测 10- 1106pa 的压力； (2) 精度高：高精度传感器的误差可达 0.1%或更高； (3) 输出特性的线性好。 (4) 性能稳定，工作可靠。 (5) 能在恶劣环境、大加速度和振动条件下工作，只要进行适当的构造设计及选 用合适的材料，还能在高温或低温、强腐蚀及核辐射条件下可靠工作10。 由于应变式传感器具有以上特点，因此它在控制技术中心占有很重要的地位，在 航 空航天、机械、电力、化工、建筑、医学、汽车工业等多种领域中有很广泛的应用。 本章就从电阻应变片的应变效应及工作原理开始，详细介绍应变式传感器，并重点说 明在这套纤维铺放张力控制系统中张力传感器的设计。 3.1 电阻应变片工作原理及横向效应电阻应变片工作原理及横向效应 3.1.1 金属的电阻应变效应及应变片结构金属的电阻应变效应及应变片结构 17 在介绍电阻应变效应之前，先从电阻应变片的基本结构说起。电阻应变片的结构 繁多，形式各异，但其基本结构大体相同，它一般由敏感栅、基底、粘合剂、引线、 盖片等组成。敏感栅为应变片的敏感元件，通常用高电阻率金属细丝支撑，直径 0.10.05mm，并用粘合剂将其固定在基底上。基底的作用应保证将构件上的应变准确 的传递到敏感栅上去，因此它必须很薄，一般为 0.030.06mm，另外，它还应有良好 的绝缘性能、抗潮和耐热性能，一般采用纸具、角膜基底、玻璃纤维布。 纸具有柔软、易于粘贴、应变极限大和价格低等优点，但耐热耐湿性差，一般工 作在 70以下，若浸以酚醛树脂类粘合剂，使用温度可提高到 180，且时间稳定性 好，适用于测力等传感器。胶膜基底是由环氧树脂、酚醛树脂和聚酰亚胺等有机粘合 剂支撑的薄膜。胶膜基底具有比之更好的柔性、耐湿性和耐久性，适用温度可达 100300。玻璃纤维布能耐 400450高温，多用作中温或高温应变片基底。敏感栅 上面粘贴有覆盖层，敏感栅电阻丝两端焊接引出线，用以好外接电路相连接。 应变片基长为敏感栅轴向测量变形的有效长度，对具有圆弧端得敏感栅，是指圆 弧外侧之间的距离，对具有较宽横栅的敏感栅，是指两侧内侧之间的距离。应变片宽 度是指最外两敏感栅外侧之间的距离。 金属电阻应变效应金属丝的电阻大小会随它所受到的机械变形(拉伸或压缩) 而发生变化，因为金属丝的电阻 r 与材料的电阻率及其几何尺寸(长度 l 和截面积 s)有 关，当金属丝承受机械变形时，这些参数发生变化，因为引起金属丝的电阻变化。用 公式表示为： (3-1) s l r 式中： r电阻值 电阻系数 l金属丝长度 s金属丝横截面积 由此式可推导得： (3-2) xx drdr / )21 ( / 式中： 金属丝轴向应变= x x l dl 金属丝材料的泊松系数 令上式等于 k0，k0称为金属丝的灵敏系数，其意为金属丝产生单位变形时电阻相对变 18 化的大小。显然，k0越大，单位变形引起的电阻相对变化越大，即越灵敏。从(3-2)可 以看出，影响 k0的两个因素中第一项(1+2)是材料受力后其几何尺寸发生变化引起 的；第二项则是材料发生变形时，其自由电子的活动能力和数值均发生变化所 x d / 致，该项无法用解析式表达。因此，只能依靠实验求得 k0值。大量实验证明，在金属 丝弹性变形范围内，电阻的相对变化 dr/r 与应变成正比，因此 k0为一常数，则(3- x 2)可表达为： (3-3) x k r r 0 然而，当将金属丝材料做成的敏感栅后，其电阻应变特性与金属单丝时有所不同，必 须按统一标准重新进行试验测定。测定时规定，将电阻应变片贴在一维应力作用下的 试件上，例如受轴向拉压的直杆或纯弯梁等。试件材料规定为泊松系数的钢，285. 0 用一定加载方式使直杆或梁发生应变，用精密电阻电桥或其他仪器测出应变片相对应 的电阻变化，便可得到电阻应变片的电阻应变特性。实验证明，应变片的与的 r r x 关系在很大范围内仍然有很好的线性关系，即： = 或 (3-4) r r x k x rr k / 式中 k 为电阻应变片的灵敏系数。应变片的灵敏系数是通过抽样法测定的，应变片一 旦粘贴到试件上，就不能取下再用，所以，只能在每批产品中按一定比例(一般为 5%)抽 样测定灵敏系数 k 的值，然后取其平均值作为这批产品的灵敏系数，称为“标称灵敏 系数” 。实验表明，应变片的灵敏系数 k 总小于同种材料金属丝的灵敏系数 k0。这是 受到所谓横向效应的影响。 3.1.2 横向效应简介横向效应简介 横向效应是指金属直丝在受到单位拉伸时，其任一微段所感受的应变都相同，且 每一段都是伸长，因而，每一段电阻都将增加，线材总电阻的增加为各微段电阻增加 的综合，但是，将同样长度的线材弯曲成应变片后，情况就不一样了。若将这样的应 变片粘贴在单向拉伸的试件上，这是个直线段上的电阻丝只感受轴向拉伸应变，故 x 各微段电阻都将是增加的；但是，各微段沿轴向(即微段圆弧的切向)的应变并非， x 所产生的电阻变化与直线段上同长微段的不一样，在的微圆弧段处最为明显。2/ 由于单向拉伸时，除了沿水平方向有拉应力外，同时在垂直方向按泊松关系产生应变- 19 ，因此，该微段的电阻不仅不增加，反而会减少，而在圆弧的其他各微段上，其轴 x 向感受的应变由-变化到+。因此，圆弧段部分的电阻变化必然小于其等长电阻丝 x x 轴向的电阻变化。所以直的线材绕成敏感栅后，即使总长度相同，应变状态一样，应 变片敏感栅的电阻变化仍要小些，灵敏系数有所释放。这就是应变片的横向效应现象。 由此可知，敏感栅感受应变时，其电阻相对变化应由两部分组成：一部分与纵向应变 有关，另一部分与横向应变有关。 由于横向效应的存在，当电阻应变片垂直方向应变不符合泊松比关系时，如果仍 按标称灵敏系数计算，必将造成误差。要减少横向效应所造成的误差，一般来说，敏 感栅窄、基长愈长的应变片，其横向效应引起的误差就小。因此，适用大基长应变片， 横向效应引起的误差小，但是当应力分布变化大时，必须使用小基长的应变片，因为 应变片所测得的是在它基长内应变平均值。 3.2 电阻应变片的动态响应特性电阻应变片的动态响应特性 前面详细介绍了金属电阻的应变效应，金属应变片的结构和工作原理以及横向效 应。同时，电阻应变片测量变化频率较高的动态应变时，要同时考虑他的动态响应特 性。实验表明，在动态测量时，机械应变以相同于声波速度的应变波形式在材料中传 播。应变波有试件材料表面经粘合剂，基底到敏感栅，需要一定时间。前两者都很薄， 可以忽略不计，但是当应变波在敏感栅长度方向上传播时，就会有时间的滞后，对动 态应变测量就会产生误差。应变片的动态响应特性就是其感受随时间变化的应变时的 响应特性。 应变以波的形式从试件(弹性元件)材料经基底、粘合剂，最后传播到敏感栅，各 个环节的情况不同。应变波在他你信哪个材料中传播时，其速度为： e v 式中： e试件材料的纵向弹性模量； 试件材料的密度。 应变波由试件表面粘合剂、基底到敏感栅，需要的时间非常短，如应变波在粘合 剂中的传播速度为 1000m/s，粘合剂和基底的总厚度为 0.05mm，则所需时间为 5 - 10 6s，因此可以忽略不计。而当应变波在敏感栅长度方向上传播时，情况与前三者不一样。 由于应变片反映出来的应变波形是应变片丝栅长度内感受应变量的平均值，即只有当 应变波通过应变片全部长度后应变片所反映的波形才能达到最大值，这就会有一定的 20 时间延迟，对动态测量产生影响。故影响应变片频率响应特性的主要因素是应变片的 基长10。 应变片的可测频率或者称截止频率可分成正弦应变波和阶跃应变波两种情况来分 析。 正弦应变波响应特性：应变片反映的应变波形是应变片线栅长度内所感受应变量 的平均值，因此应变片所反映的应变波幅将低于真实应变波，这就造成一定的误差。 应变片的基长增大，该误差也增大。设应变波的波长为，应变片的基长为，其两 0 l 端的坐标为，此时应变片在其基长内测得的平均应变为 24 0 1 l x 24 0 2 l x 0 l 最大值为： p (3-6) 0 0 0 12 0 sin 2 sin 2 1 l lxx xdx x x p 故应变波幅差为 ：e (3-7)1sin 0 00 0 l l e p 由上式可知，测量误差 与应变波长对基长的相对比值有关，n 愈大，误差愈e 0 /ln 小，一般可取 n=1020，其误差小于 1.6%0.4%。 阶跃应变波的情况：由于应变片所反映的波形有一定的时间延迟才能达到最大值， 若输出从 10%上升到 90%的最大值这段时间作为上升时间，则，应变片 k tvltk/8 . 0 0 可测频率。 0 /44 . 0 /35 . 0 lvtf k 3.3 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 电阻应变片由于其动态响应特性限制了其使用的频率范围，同时，作为感应应变 的电阻应变片，我们希望它的电阻只随应变而变，不受任何其他因素影响，但实际上 应变片的电阻变化受温度影响很大。例如把应变片安装在一个可以自由膨胀的试件上， 使试件不受任何外力作用，此时如果环境温度发生变化，应变片的电阻将随之发生变 化。电阻应变片由于温度所引起的电阻变化比试件应变所造成的电阻变化几乎具有相 同的数量级，如果不排除这种影响，势必给控制带来很大误差，应变片将无法正常工 作。 21 这种由于环境温度带来的误差称为应变片的温度误差，主要由两方面原因造成： (1) 敏感栅的金属电阻丝电阻本身随温度将发生变化，电阻和温度的关系可用下 式表示： )1 ( 0 trrt (3-8)trrrr tta 00 式中：温度为 t 时的电阻值； t r 温度为 t0时的电阻值； 0 r 温度的变化值；t 温度变化时的电阻变化； ta r 应变丝的电阻温度系数，表示温度改变 1时的电阻的相对变化。 (2) 试件材料与应变丝材料的线膨胀系数不同，使应变丝产生附加变形，从而造 成电阻变化。取一段长为的应变丝，当温度改变时，应变丝受热膨胀到，而 0 lt st l 应变丝下的构件伸长为与温度关系如下： 0 l gt l = st ltlltl s 000 )1 ( tllll ssts 00 tlltll gggs 000 )1 ( (3-9)tllll ggtg 00 式中：温度为 t0时的应变丝长度； 0 l 温度为 t 时的应变丝的自由膨胀长度； st l 、应变丝与构件材料的线膨胀系数，温度改变 1时长度的相对变化； g s 、应变丝与构件的膨胀量。 s l g l 22 由 3-9 这组式子可知，如果与不相等，则与就不等，但是应变丝与构件是 g s s l g l 粘合在一起的，因此应变丝被迫从拉长到，这就使应变丝产生附加变形，从 s l g ll 而使应变丝受到附加应变而产生电阻变化，其中： t r tllll sgsg 0 )( t sg )( (3-10)tkrkrr sgt )( 0 0 式中：应变丝与构件材料的线膨胀系数，温度改变 1时长度的相对变化； sg 、 k电阻应变片的灵敏系数； 因此，由温度变化而引起的总额电阻变化为： t r (3-11)trktrrrr sgttat )( 0 折合成应变量为： (3-12)t k t k rr sg t t )( / 0 由上式可知，因环境温度改变而引起的附加电阻变化所造成的虚假式应变，除与环境 温度变化有关外，还与应变本身的性能参数(k、)以及被测构件的线膨胀系数有、 关。实际上，温度与应变片特性的影响远非上述两个因素所能概括。温度变化还可通 过其他途径来影响应变片的工作。例如温度变化会影响粘合剂传递变形的能力，从而 对应变的特性产生影响，过高的温度甚至使粘合剂软化而完全丧失传递变形的能力。 但是在一般常温和正常工作条件下，上述两个因素还是造成应变片温度误差的主要原 因10。 要想正常使用电阻应变片，它的温度误差要首先排除的。温度补偿方法通常有桥 路补偿法和应变皮自补偿两大类。 所谓的桥路补偿也称为补偿片法，是效果较好而常用的一种发放。通常应变片工 作时是作为平衡电桥的一个桥壁测量应变的，将工作应变片粘贴在试件上需要测量应 变的地方，补偿片粘贴在一块不受力而与试件材料相同的补偿件上，补偿件不受应变， 自由的放在试件上或附近，工作片和补偿片分别为电桥的相邻两臂。当温度发生变化 23 时，工作片和补偿片的电阻都发生变化，而他们由于温度引起的电阻阻值变化也相同， 桥路输出不受温度影响，只与被测件应变有关，就起到了温度补偿作用。桥路补偿法 的优点是方法简单，在常温下不长效果较好，缺点是在温度变化梯度较大的条件下很 难保证工作片和补偿片所处的温度环境完全一致，从而影响补偿效果。 应变片自补偿法是指在被测部位粘贴一种特殊的应变片来实现的温度补偿方法， 当温度变化，产生的附加应变为零或相互抵消，这种特殊应变片称为温度自补偿应变 片。上述三种补偿片各有各自的有点和使用范围，应根据实际情况进行选择使用。 3.4 张力传感器调整电路张力传感器调整电路 3.4.1 电桥原理电桥原理 前面介绍的电阻应变片通常是一个传感器系统中的传感元件，当传感元件把各种 被测非电量转换为 r、l、c 的变化后，必须进一步把它转换成电流或电压变化，才有 可能用电测仪器来进行测定，电桥测量线路正是进行这种变换的一种最常用的方法， 下面从不平衡电桥的基本原理入手，分析本控制系统中运用的传感信号测量桥路。 在测量动态应变时，由于电阻变化较快，一般采用不平衡电桥法，即偏转法来检 测应变电阻变化。这时交流或直流供电均