（机械制造及其自动化专业论文）汽车安全带紧急锁止性能综合试验台的研制.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，汽车安全带紧急锁止性能综合试验台的研制 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名：避牮上月坐日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留井向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名：j 煎型! ! 年上月笾目 指导导师躲霍鲻丝坚年上月旦a 摘要 针对目前国内汽车生产厂商及相关科研单位的应用需求，设计了汽车安全带紧急 锁止性能试验台的机械系统及测控系统。该安全带紧急锁止性能试验台，可进行各种 型号汽车安全带包括带感式、车感式和复合敏感式紧急锁止性能测试。通过改变直线 电机动头运动加速度，可模拟汽车行驶中乘客在不同工况下所系安全带的紧急锁止功 能，本试验台采用工控机作为上位机，配以p a r k e r l 5 0 5 控制卡实现闭环控制，以 v c + + 60 为软件开发平台设计了检测与控制系统。可实现对不同型号汽车安全带紧急 锁止性能的检测。试验台采用模糊p i d 控制算法，降低了干扰和参数变化对系统的影响， 从而增强了控制系统的鲁棒性。本文研制的试验台特点是：加速度由微机闭环伺服控 制，测控精度高，重复性良好：对复台敏感式安全带首次实现一次装卡自动完成全部 检测：对带感式和车感式安全带具有灵活的多功能组合检测。该试验台具有美观，友 好，快捷t 方便的人机对话测控界面，可完成全自动或组合检测实时显示加速度曲 线，加速度峰值及其斜率，锁止状态和距离等参数，可存储打印输出标准检测报告。 经实际使用验证该试验台性能达到相应国家标准 关键词：安全带锁止性能测试综合试验台工况模拟人机界面 a b s t r a c t t h i sp a p e ri l l u s t r a t e sas m a l ln d f e bp e r m a n e n tm a g n e tm a t e r i a l so ft h ew o r k p i e c e s u r f a c ed e f e c tc h a r a c t e r i s t i c s a n a l y z e st h er e a s o n s ，d e s i g n st h ew o r k p i e c es u r f a c ed e f e c l d e t e c t i o ns y s t e ma n dr e a l i z et od e t e c tr e a l - t i m ea u t o m a t i ct ot h es u r f a c e a c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g na u t o m a t i c a l l yd e t e c t st h es u r f a c e d e s i g n st h em e c h a n i c a ld r i v e s y s t e ma u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m 1 i g h t i n gs y s t e m ，i m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e m a m o n gt h e m t h ed e s i g no fm e c h a n i c a 】t r a n s m i s s i o ns y s t e mo ft h ew o r k p i e c e b yt h e m o v e m e n ti nt h et r a z a s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so t h ep r o c e s sa n df o r c ea n a l y s i so ft h e s i t u a t i o ni sd o n eam a t h e m a t i c a lm o d e la n di t ss i m u l a t i o nu s i n ga d a m sw i t hc a t l a t h r e e l i m e n s i o n a im o d e l i n gi so b t a i n e d ，a n dd e s i g nt oo p t i m i z et h ed e s i g n ；a u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e mu s e sas i n g l ec h i pc o n t r o lp r o g r a m s ；l i g h t i n gs y s t e md e s i g ni so fc h o i c et h e p z r a m e t c r so f t h ev a r i o u sc o m p o n e n tp a r t sa n do p t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ar e a s o n a b l e c h o i c eo f p a r a m e t e r s ，o p t i m a ld e s i g ni m a g ea c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gs y s t e mf r o mt h ep a r t o f t h es u r f a c ef e a t u r e s d e f e c t sd e t e c t i o na l g o r i t h mt y p ea n dp r o c e e d st h r o u g ht h ed e f e c t so n t h es u r f a c et e x t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，t oa c h i e v et h ed e s i g no fs o f t w a r ea l g o r i t h m s f i n a l l x t h r o u g ht h eo f fa n g l e ，s m a l lh o l e ，s c r a t c h e s ，c r a c k sa n dt r a c h o m ap i e c eo ft e s ti m a g e st o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h es o f t w a r ea l g o r i t h ma n dh a r d w a r es y s t e mr e l i a b i l i 吼 k e yw o r d s ：c o m p u t e r v i s i o n s u r f a c e h 日：曲o p i a m a l d e s i pi m a g e p r o c i n g 目录 摘 要i a b s t r a c t 第一章绪论 1 汽车安全带的结构及工作原理 2 课题来源及研究的目的和意义 3 研究主要内容 4 本论文主要内容 第二章试验系统的总体方案 21 g b l 4 1 6 6 2 0 0 3 对安全带的要求 22 试验系统技术要求 8 8 8 8 1 0 23 试验系统检测参数的确定 24 试验台总体方案 24 本章小结 第三章试验台整体结构设计 31 试验台主体结构设计 32 安全带试验夹具设计 33 试验动力驱动系统设计 34 试验台气动回路设计 35 工况模拟试验介绍 36 本章小结 第四章试验台测试系统设计 4 】测试系统硬件设计 42 测试系统软件设计 第五章试验台实际应用 总结与展望 致谢 参考文献 u n n峙坫“博埔船坫弱”帅 第一章绪论 1 1 汽车安全带的结构及工作原理 安全带是汽车内普遍安装的一种安全装置，出于汽车安全带在保证乘员安全、减 轻乘员在汽车事故中的伤害等方面具有重要作用所以在各类车型上都得到了广泛的 应用，它能有效减少事故中驾乘人员的伤亡如图11 。典型的汽车安全带由一个围在 骨盆处的安全腰带和一个跨过胸部的肩带组成。这两段安全带紧紧固定在汽车框架上， 以便将乘客保持在座椅上。目前应用最广泛是型安全带( 紧急锁止式) ，安全带与一 个卷收器相连，眷收器的核心是锁定机构，可在汽车发生碰撞时停止卷轴的旋转，紧 急锁止，在事故发生的第一时刻毫不犹豫地把人“按”在厘椅上。这种设计的核心元 件是一个离心式离合器，一种安装在旋转卷轴上的加重摆杆。当卷轴缓慢旋转时，摆 杆并不摆动。一个弹簧使它保持在原来的位置。但当猛拉安全带时，卷轴将快速旋转， 离心力驱使摆杆的加重端向外摆动。伸长的摆杆会推动卷收器壳上的凸轮。凸轮通过 滑动销与一个概转棘爪相连。当凸轮移到左侧时，滑动销会沿棘爪的槽口移动。这会 将棘爪拖入与卷轴相连的旋转棘轮。棘爪镄入轮齿中，禁止逆时针旋转，实现紧急锁 止如图1 2 。从某种意义上说，安全带的重要性超越了安全气囊，所以现在大多数汽车 都强制要求驾驶员系安全带如果安全带系统有问题的话，被动安全的效果会流失大 半，重要性不言而喻，而在发生紧急状况对，安全带的紧急锁止性能尤为关键 1 m 。 图11 安全带的作用 图12 卷收器紧急锁止原理 1 2 课匿来源及研究的目的和意义 汽车业是现今世界的第一大制造产业，它诞生于欧美，距今已超过1 0 0 多年，所 以西方的汽车业高度发达。安全带作为汽车不可缺少的关键组件，其重要性毋庸多言， 日本、美国、澳大利亚和欧洲国家均制定了安全带相应的技术标准，规范安全带的生 产、安装。对各种安全带的锁止性能、耐寒性、耐热性、耐水性、耐磨性、染色坚固 性以及带扣的面积、收卷装置的卷入力、耐久性、锁紧时的拉伸强度等均有严格的规 定。我国汽车工业起步较晚但随着机动车保有量的迅速增加，我国正处于交通事故 高发期，根据交管局数据，近年来我国每年道路交通死亡数平均约1 0 万，居世界第一， 急需采取有针对性的策略和措施来抑制道路交通伤的高发势头。我国已通过安全带使 用的相关法律规定绝大多数小型客车也已安装安全带并且我国从1 9 8 9 年起，就参 照国外标准相继制定了一系列有关安全带性能的标准g b l 4 1 6 6 2 0 0 3 。安全带的紧急锁 止性能，是标准中强调的汽车安全带的关键性能之一，而安全带紧急锁止性能测试设 备是检测安全带可靠性的关键。基于欧洲汽车工业的发达，意大利a t o s 公司研制的安 全带检测设备比较有代表性，其试验台测试精度高、稳定性强，但试验台是单动力头 结构分别测试带感和车感时每次需更换不同的夹具和装备，过程比较繁琐。目前 国内对该设备以引进为主，自主开发研制还相当滞后。据调查引进一台进r n 安全带检 测试验台须花费人民币1 0 01 2 0 万元，所以研制高精度、高可靠性、高自动化程度的 安全带试验台是适应我国汽车业高速发展的必然要求。针对这种状况我们在经过长期 调研和技术论证后决定自主开发研制具先进技术指标及自动化程度的安全带紧急锁 止性能试验台此举不但打破国外产品的技术垄断，亦可提高我国民族工业的自主创 新和研制水平。经严格测算我们立项研制的安全带试验台直接成本仅1 j 万元，研发成 果转化为产品后，其市场价位大约在4 0 ；o 万元左右，由此可见，其经济散益和社会 效益都十分可观”】。 1 3 研究主要内容 i 兼容车感、带感的主机结构形式，同时满足标准规定的试验过程和要求，降低 运动机构无效载荷对试验过程的影喇。 2 解决安全带车感、带感试验过程对共具的特殊要求，即织带锁止前的可靠闭锁 及织带锁止后的释放缓冲。 3 车感试验中，要求在动子( 运动组件) e 实现安全带卷收器3 6 0 度位置调整。 4 加速度斜率在l o g s l o o g s 范围内保证到达设定加速度时间在2 5 _ + 5 m s 内。 i 3 2 采取的关键技术 1 创新的主机结构设计，采用“b ”型机械结构，双动子伺服直线电机安装在试 台中部，试验中的主体运动部件采用全铝合金材质，强度高，质量小有敬降低无效 载荷影响最大化发挥伺服电机的加速性能。主机左端凸台实现车感试验，右端凹部 用来进行带荩试验。织带固定点与试验时运动方向在一条直线上减少倾覆力矩对试验 的影响，稚局台理车感试验与带感试验可同时进行，也可各自独立试验。在兴具的 设计中利用汽缸的调压及缓冲原理，引入汽缸、精密调压阀、直线导轨等组成专用夹 具。通过气体压力设定，实现即织带锁止前的可靠闭锁及织带锁止后的释放缓冲”】，如 图i3 。 2 利用蜗轮蜗杆减速转盘机构，实现试验过程中卷收器的水平任意角度自动调整， 整体结构体积小，占用空间少，安全带安装方便。 3 该试验台拟采用进1 ：3 高性能直线电机及控制器，其最大速度可达o 8 3 r a s 经计 算，其高速率高啊应品质保证了单位时间内( t j j i l 速度递增。 酗13 试验台简圈 1 4 本论文主要内窖 设计开发适用于国标g b l 4 1 6 6 2 0 0 3 美国联邦法规2 0 9 号，欧标e e c 指令，德国大 众t l v w 4 7 0 等国内外标准和法规的相应条款的实用型安全带产品紧急锁止性能试验 台，主要研究内容舍三方面： 1 设计适用于检测各类汽车安全带，包括带感式和车感式试验功能的试验台主机 结构： 2 设计可实现加速度、位移、负荷控制的硬件测控系统： 3 设计开发在同一界面内显示加速度一时间、负荷一时间、位移一时间曲线，的计算 机软件控制系统并实现测试结果列表显示，包括加速度、上升斜率、锁止距离等测 试结果，试验结果可形成e x c e l 报表，井可打印输出。 第二章试验系统的总体方案 2 1g b l 4 1 6 6 2 0 0 3 对安全带的要求 l 紧急锁止式安全带是指在j 下常行驶条件下不限制安全带佩戴着活动自由的卷收器， 这种卷收器有长度调解元件，可根据佩戴者的体形自动调整织带的长度。并有一锁止 机在紧急情况下因下列因素而起作用：车辆减速或织带从卷收器中拉出或其他自动困 素( 单敏感性) ：或这些因素的任意组台( 复合敏感性) 。 2 当安全带卷收器车感加速度小于等于03 9 时，安全带无锁止：带感加速度小于等于 1 o g 时t 安全带无锁止：即安全带加速度临界值分别是车感03 9 、带感lo g ：加速度 超过临界值时安全带必须是锁止。 2 2 试验系统技术要求 本安全带试验台适用于检测各类汽车安全带的紧急锁止性能，可实现带感和车感两 种试验。试验台适用于国标g b l 4 1 6 6 2 0 0 3 美国联邦法规2 0 9 号欧标e e c 指令，德国大 众t l w 4 7 0 等国内外标准和法规的相应条款。试验台采用了先进的直线电机及其伺服 控制器，在微机控制下可以按照各种技术标准和法规设定的加速度值及其斜率自动完 成对汽车安全带紧急锁止性能的检验和评价”。 2 3 试验系统检测参数的确定m l 2 3 1 加速度范围 车感分8 挡即0 3 9 04 5 90 5 90 o g 0 7 90 8 9 1o g12 9 带感分6 挡即0 3 9 08 9 1 o g1 2 9 1 5 92o g 2 3 2 加速度状态 加速度的重复性偏差oo l g 加速度的测量精度i 0 fs 加速度斜率在l o g s l o o g s 范围内保证到达设定加速度时问在2 5 5 m s p b ，加速度 的最大超调量小于设定加速度值的l 傩。 2 3 3 锁止状态 双动头行程为3 0 0 m m ，可按用户要求设定各自行程，锁止距离测量精度0o l m m 。 锁止状态由负荷传感器判定负荷传感器量程峙 2 5n ，即大于织带自由拉仲力。 上迷气缸选型目的是，当试验开始至安全带卷收器锁止前。织带处于自由拉伸状态， 拉力不大于2 5 、小于气缸最低使用压力下的拉力值此时气缸锁死不动，与整个夹 具体一起随电机动子加速，当试验中安全带卷收器锁止后，织带交然锁死( 至此试验 已结束) ，力值陡然上升此时气缸杆拉出，电机动子得到缓冲并减速停止。这里设计 的气动回路要求在试验进行中需保持气压稳定避免气缸压力波动对试验进程的影响， 所以在外部气源进入气动回路后，在缓冲气缸与气动减压闻间串联一个容积0 孔的气 容罐，这样即使外部气源有压力波动产生时，不会影响后部的缓冲气缸工作。另由于 本实验台的工作机理是模拟安全带卷收器的实际工况，相关央具体在电机动于的加速 驱动下冲击，并戛然停止的试验特点，不排除织带断裂、运动件伤人等意外情况的发 必，所虬试验软件操作系统增设门锁丌闭功能项，即试验开始的条件项包含门锁项， 推拉门关闭并锁死，试验方可进行，否则试验无法开始，所以试验台设计初始既考虑 试验操作的安全性，设计的锅合会有机玻璃推拉门，安装有气动门锁，试验操作者在 做完相关试验准备后，关上推拉门，鼠标点击人机界面门锁项( 绿色虚拟按钮) 气动 锁即将门锁死试验开始。整个试验过程安全直观( 有机玻璃) 。图37 为包含缓冲气 缸、门锁气缸的完整气动回路图。 凹37 气动原理图 35 工况模拟试验介绍 根据国家汽车行业标准6 8 1 4 1 6 6 2 0 0 3 汽车安全带性能要求和试验方法1 本试 验台能检测各种娄型汽车安全带的紧急锁止性能，可实现带感试验和车感试验两种。 以下参照图2l 简单介绍两种试验的工作原理及操作过程。 车感试验使用左侧的动头( 7 ) 。动头上安装手动转台( 6 ) 。试验前，先将安全带 卷收器固定在手动转台( 6 ) 上，然后将安全带的织带缓慢拉出通过车感卷收器兴具 体上方安装上的转轴后，水平压附于负荷传感器( 3 ) 上。并由车感波纹央具( 2 ) 央 紧，整个波纹央具体固定于直线导轨( 4 ) 上，在夹具座尾端串联一缓冲汽缸( 1 ) 。( 这 旱需提示由于波纹夹具只央持安全带织带，织带前方还有锁扣及钮钉等总成，织带央 紧后，同时应用胶带将上述锁扣等牢固固定在缓冲央具上，避免试验过程中产生不必 要的干扰) 。试验时由计算机控制直线电机带动动头( 7 ) 按指定加速度运动由于缓 冲汽缸( 1 ) 的作用，安全带锁止前，安全带卷收器夹具( 5 ) 与直线电机一同动作 动头( 7 ) 达到指定加速度时，如果安全带锁止，则汽缸伸出，实现缓冲，完成一次试 验。 带感试验使用右倒的动头( 8 ) 。试验前。先将安全带卷收器固定在转角央具( 1 3 ) 上，通过其上的导轮，将安全带织带缓慢拉出并水平压附于负荷传感嚣r1 1 ) 上并 由带感波纹夹具( 1 0 ) 夹紧，整个夹具体固定于直线导轨( 1 2 ) 上，在夹具座尾端串 联一缓冲汽缸( g ) ，上述总成固定于( 8 ) 号动头上。试验开始后，电机带动夹具按给 定加速度运动，在安全带锁止前在缓冲气缸( 9 ) 的作用下，安全带也按给定加速度 伸出。当安全带锁止后，气缸伸出，实现缓冲，完成一次试验。 车感潦i 试中卷收器与运动方向的位置改变通过手动转台( 6 ) 来实现，该转台可以 在水平面上携带安全带卷收器( 5 ) 进行0 。、9 0 。、1 8 0 9 、2 7 0 。四个角度旋转，相 应角度位置由锁销固定：带感测试中，转角夹具( 1 3 ) 可携带安全带卷收器( 1 4 ) ， 在垂直平面内进行0 9 0 任意旋转，调整试验设定的角度后，旋紧锁紧钉即可保持该 角度在试验中无变动。 36 本章小结 本章重点对汽车安全带紧急锁止性能检测试验台的机械系统整体结构设计进行详 细阐述。介绍试验台系统包括试验台主体结构、车感卷收器试验夹具、带感卷收器试 验夹具、织带缓冲夹具、动力驱动系统、气动系统构成等。同时结合试验台结构原理 图，介绍模拟工况的操作和试验过程。 第四章试验台测试系统设计 本文设计的是安全带卷收器紧急锁止性能检测试验台，试验台的主要功能特点是 快速高喇应直线电机模拟眷收器的工作情况，对应g b l 4 1 6 6 2 0 0 3 试验要求分别模拟卷 收器不同加速度条件下的锁止性能，试验系统设计有人机交互软件界面，试验操作自 动化，整个测试系统主要包括数据的采集和处理、直线电机运动控制，具有专用性强、 实时性高的特点，可以直观地观察加速度一时间、负荷一时问、位移一时间等测试曲线及 各项测量参数的实时值，还可以实现历史数据重现，随机调用某一次测试结果，实现数 据转换，可以用图线形式和e x c e l 数据形式输出试验结果。基于以上功能，试验台的 测试系统设计包含以下内容： 1 试验系统的自动化，针对试验的整个过程进行控制和管理； 2 试验结果的图形化，针对各类测试信号计算处理，自动绘制试验曲线： 3 试验操作的人机界面化，主要是试验参数的设置，各类数据的读写。均由人机 界面实现。 结合上述几方面，测试系统的主要设计任务是： 1 功能器件选择。包括工控机、直线电机、加速度传感器、负荷传感器、位置传 感器； 2 硬件系统设计，以研华p c i 一1 7 1 6 l 采集卡为核心的数据采集通讯系统； 3 人机交互软件操控系统。 4 1 测试系统硬件设计 设计的测控系统采用美国p a r k e r 公司出品的1 5 0 5 控制卡，控制卡是作为自动化 系统中的上位控制系统中的一个单元零件，运动控制卡是一种基于工业p c 机、用于各 种运动控制场合( 包括位移、速度、加速度等) 的上位控制单元。控制目标性表现在： ( 】) 为了满足新型数控系统的标准化、柔性、开放性等要求；( 2 ) 在各种工业设备( 如 切割、雕刻、喷涂、点胶、焊接等) 、国防装备( 如跟踪定位系统等) 、智能医疗装置 等设备的自动化控制系统研制和改造中，急需一个运动控制模块的硬件平台；( 3 ) p c 机在各种工业现场的广泛应用，也应配备相应的运动控制卡以充分发挥p c 机的强大功 能。控制卡通过与采集卡实现与上位工控机间的通讯。 测控系统设计采用的是研华p c i 一1 7 1 6 l 采集卡，实现数据通讯时进行a d 、o a 转 换以及开关量的控制，a t 控机发出指令，通过1 5 0 5 控制卡，控制直线电机驱动控制 器t 指令电机的运动。这里加速度传感器、负荷传感器、位置传感器均通过采集卡实 现与上位机的信号通讯。 幽4 1 测控系统原理幽 如图4i 测试系统原理图测试系统采用闭环控制，整个硬件系统设计围绕系统信 号的采集、转换、处理以及控南指令的发出，归纳起来就是为充分发挥数字信号( d s p ) 的处理能力，需要有合理的硬件设计。测试系统的通道主要有以下几条：负责运算、 阔理、指令的上位机( 工控机) ；负责信号模拟量输入通道，即模拟量采集卡( 其采集 的模拟量包括加速度传感器、负荷传感器、位移传感器) ：数字量输入通道即控制直线 电机运动的驱动系统。 4 1 i 工控机选型 试验系统选择工控机作为上位机，工控机与家用p c 机原理一样，不同是工控机有 特殊的接口，由软件来控制接口状态，从而控制相应的设备动作，其最大特点是稳定。 主板是工控机的核心，其性能直接影响工控机的工作好坏，主板选择主要遵循下列几 点： 1 采用公版设计的工控机主板： 2 c p u 与芯片组的布局，由于c p u 与c h i p s e t s 相连的电路比较重要，而且芯片组有 特殊的设计要求，所以设计布局采用公版设计： 3 除开扩展槽和c p u 、c h i p s e t s 之外，其他部件应该设计远离c p u 风扇，让机箱内 得到更好的散热效果； 4 工控机主板的布局要求合理性，避免影响其他组件的安装。 本试验台采用的是研样i p c 一8 1 0 工控机，研样工控机的主要特点是： 1 其主要的组成部分为工业机箱、无源底板及可插入其上的各种板卡组成，如 c p u 卡、i 0 卡等。并采取全钢机壳、机卡压条过滤网，双正压风扇等设计及e m c ( e l e c t r o m a g n e t ic c o m p a t i m l i t y ) 技术以解决工业现场的电磁干扰、震动、灰 尘、高低温等问题。 2 可靠性：工业p c 具有在粉尘、烟雾、高低温、潮湿、震动、腐蚀和快速诊 断和可维护性，其m t t r ( m e a n t i m e t o r e p a i r ) 一般为5 m i n i t t f i o 万小时以上， 而普通p c 的n i t t f 仅为1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 小时。 3 实对性，工业p c 对工业生产过程进行实时在线检测与控制，对工作状况的 变化给予快速响应，及时进行采集和输出调节( 看门狗功能这是普通p c 所不具 有的) ，遇险自复位，保证系统的正常运行。 4 扩充性，工业p c 由于采用底板+ c p u 卡结构，因而具有很强的输入输出功能， 最多可扩充2 0 个板卡，能与工业现场的各种外设、板卡如与道控制器、视频监 控系统、车辆捡测仪等相连，以完成各种任务。兼容性，能同时利用i s a 与p c i 及p i c m g 资源，并支持各种操作系统，多种语言汇编，多任务操作系统。 研祥i p c8 1 0 工控机配置如下( 表4 1 ) ； 表4 - l 研祥i p c8 1 0 j ：控机配置 底扳i p c 一6 1 1 3 l p 4 ( 4 个p c i 2 个全匕岬个i s a ) 主板f s c 1 8 1 4 v n a ( 9 4 5 芯片主扳) c p ut 7 5 针c p u 支持双棱p 4 28 1 c o r e 30 内存 埂盘3 2 0 g 光驱o v d r w 4l2 传感器选型 国家标准对传感器的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信 号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器是一种检测装置，能感受 到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需 形式的信息输出，咀满足信息的传输、处理、存储、显示、i 己录和控制等要求。它是 实现自动检测和自动控制的首要环节i ”i 。本试验台系统需要两种传感器：负荷传感器、 加速度传感器，另位移的测量通过光栅( 直线电机配置) 完成。本节主要介绍负荷传 感器、加速度传感器的选型。 1 负荷传感器 也称压力传感器，压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使 用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的。这里用到的传感器用来测量安全带 卷收器锁止后织带张力，但主要用来判断卷收器的锁止。传感器的选型标准主要参照 下面5 点： ( 】) 线性度：指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离拟合直线的程度。 定义为在全量程范围内实际特性曲线与拟台直线之j w 的最大偏差值与满量程输出值之 比。 ( 2 ) 灵敏度：灵敏度是传感器静态特性的一个重要指标。其定义为输出量的增量与 引起该增量的相应输入量增量之比。用s 表示灵敏度。 ( 3 ) 迟滞：传感器在输入量由小到太( 正行程) 及输入量由大到小( 反行程) 变化 期间其输入输出特性曲线不重合的现象成为迟滞。对于同一大小的输入信号，传感器 的正反行程输出信号大小不相等，这个差值称为迟滞差值。 ( 4 ) 重复性：重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所 得特性曲线不一致的程度。 ( 5 ) 漂移：传感器的漂移是指在输入量不变的情况下，传感器输出量髓着时间变化， 次现象称为漂移。产生漂移的原因有两个方面：一是传感器自身结构参数：二是周围 环境( 如温度，湿度等) 。 本试验台引入负荷传感器的主要目的是判断试验申安全带卷收器的锁止按照试 验要求及上述选型条件。该系统选择是量程2 0 0 n 的压力传感器，其主要技术指标如下 表4 - 2 量程2 0 0 n 的压力传感器主要技术指标 特性指标量程范围灵敏度( m v v )线性度( fs )重复性( fs ) 参数l o n 一2 0 0 n 20 00 1o5 r0 特性迟滞( fs )飘穆惭s 3 0 = i n )使用温度范围是犬安全过载 参数 o5 r0o0 22 0 、7 0 ( 21 5 。rc 2 加速度传感器 加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过 程中作用在物体上的力，就好比地球引力。加速力可以是个常量比如g ，也可以是变 量。加速度计有两种：一种是角加速度计，是由陀螺仪( 角速度传感器) 的改进的。 另一种就是线加速度计，本试验台应用的加速度传感器是线加速度计，下面就将线加 速度计的工作原理、应用领域、选用事项等分别介绍。 概括起来，加速度传感器可应用在控制手柄振动和摇晃，仪器仪表，汽车制动 启动检测，地震检测，报警系统，玩具，结构物、环境监视工程测振、地质勘探、 铁路、桥梁、大坝的振动测试与分析：鼠标，高层建筑结构动态特性和安全保卫振动 侦察上。 目前最新i b mt h i n k p a d 手提电脑里就内置了加速度传感器，能够动态的监测出笔 记本在使用中的振动，并根据这些振动数据，系统会智能的选择关闭硬盘还是让其继 续运行，这样可以最大程度的保护由于振动，比如颠簸的工作环境，或者不小心摔了 电脑做造成的硬盘损害，最大程度的保护里面的数据。另外一个用处就是目前用的数 码相机和摄像机里，也有加速度传感器，用来检测拍摄时候的手部的振动，井根据这 些振动，自动调节相机的聚焦。 线加速度计的原理是惯性原理，也就是力的平衡a ( 加速度) = f ( 惯性力) m ( 质量) 我们只需要测量f 就可以了。怎么测量f ? 用电磁力去平衡这个力就可以了。 就可以得到f 对应于电流的关系。只需要用实验去标定这个比例系数就行了。当然中 间的信号传输、放大、滤波就是电路的事了。 加速度传感器有压电式、压阻式、电容式等形式。 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。敏感芯体质量受振动加速度作用后产生 一个与加速度成j 下比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电 荷信号。压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰 小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用 的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长， 但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同娄传 感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最 大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥，其结构动 态模型仍然是弹簧质量系统。现代微加工制造技术的发展使压阻形式敏感芯体的设计 具有很大的灵活性以透台各种不同的测量要求。在灵敏度和量程方面，从低灵敏度高 量程的冲击测量，到直流高灵敏度的低频测量都有压阻形式的加速度传感器。同时巫 阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流信号到具有刚度高测量频率范围到几十 千赫兹的高频测量。超小型化的设计也是压阻式传感器的一个亮点。需要指出的是尽 管压阻敏感芯体的设计和应用具有很大灵活性，但对某个特定设计的压阻式芯体而言 其使用范围一般要小于压电型传感器。压阻式加速度传感器的另一缺点是受温度的影 响较大，实用的传感器一般都需要进行温度补偿。在价格方面，大批量使用的压阻式 传感器成本价具有很大的市场竞争力但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压 电型加速度传感器。 电容型加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统。当质量受加速度作用 运动而改变质量块与固定电极之间的间隙进而使电容值变化。电容式加速度计与其它 类型的加速度传感器相比具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好等特点，尤其是受 温度的影响比较小；但不足之处表现在信号的输入与输出为非线性，量程有限，受电 缆的电容影响，以及电容传感嚣本身是高阻抗信号源，因此电容传感器的输出信号往 往需通过后继电路给于改善。在实际应用中电容式加速度传感器较多地用于低频测量， 其通用性不如压电式加速度传感器，且成本也比压电式加速度传感器高得多。 在选购加速度传感器的时候，需要考虑以下几种事项 1 模拟输出v s 数字输出：这个是最先需要考虑的。这个取决于你系统中和加速 度传感嚣之间的接口。一般模拟输出的电压和加速度是成比例的，比如2 5 v 对应0 r 的加速度，2 6 v 对应于0 5 9 的加速度。数字输出一般使用脉宽调制( p 州) 信号。如 果使用的微控制器有模拟输入口。比如p i c a v r o o p i c ，可以非常简单的使用模拟接口 的加速度传感器，所需要的就是在程序里加入一句类似。a c c e l e r a t i o n = r e a d a d c0 的 指令，而且处理此指令的速度只要几微秒。 2 测量轴数量：对于多数项目来说，两轴的加速度传感器已经能满足多数应用了。 对于某些特殊的应用，比如u a v r o v 控制，三轴的加速度传感器可能会适合一点。 3 最大测量值：如果你只要测量运动部件相对于地面的倾角那一个1 强加速 度传感器就足够了。但是如果你需要测量运动部件的动态性能2 9 也应该足够了。 要是你的运动部件会有比如突然启动或者停止的情况出现，那你需要一个5 9 的传惑 器。 4 灵敏度：一般来说，越灵敏越好。越灵敏的传感器对一定范围内的加速度变化 更敏感，输出电压的变化也越太，这样就比较容易测量，从而获得更精确的测量值。 5 带宽：这里的带宽实际上指的是刷新频率范围。也就是说每秒钟，传感器会产 生多少次读数。对于一般只要测量倾角的应用，5 0 h z 的带宽应该足够丁，但是对于需 要进行动卷性能，比如振动，你会需要一个具有上百h z 带宽的传感器。 6 电阻缓存机制：对于有些微控制器来说，要进行a d 转化，其连接的传感器阻 值必须小于l o k n 。比如a n a l o gd e v j c e s sa n a o g 加速度传感器的阻值为3 2 k o ，在 p i c 和a v r 控制板上无法正常工作，所以建议在购买传感器前仔细阅读控制器手册， 确保传感器能够正常工作 以上分别对加速度传感器的原理、应用、选用特点等逐一进行阐述，接下来结合 本试验台的测试条件要求，选配适用的加速度传感器：首先基于试验台测试条件和工 作场合的要求，测试用的加速度传感器应尽量小型化，而小型化设计是压阻式加速度 传感器的一大特点：测试系统设计有模拟量采集卡，从成本出发选用模拟量输出型传 感器；目前出品的加速度传感器标准配置均为两轴，本试验测试只有单方向( 即直线 电机单轴运动) ，足以满足测试要求：根据试验标准g b l 4 1 6 6 2 0 0 3 提出的加速度测试 范围0 2 9 ，选用测试范围5 9 的传感器即可满足：模拟量采集后需进行a d 转化，所 以选用的传感器阻值必须小于】o k o 。 综合上述技术条件，本试验台选用美国i c s e n s o r s 加速度传感器3 0 2 2 ，如图4 2 所示。该型传感器是维斯特通桥结构的硅加速度计，小型化的加速度计封装在环氧树 脂的陶瓷基座上使用时采用表面贴封的方式安置于测试设备上，该型加速度传感器 广泛适用于地震监测，低频应用，测试仪器，机械控制等。表4 - 3 为3 0 2 2 型传感器性 能参数： 萱赣 图42i c s e n s o r s 3 0 2 2 压阻式加速度计 表4 - 33 0 2 2 型传感器性能参数 动态参数 测量范用g 灵敏度m y g频率响应h z非线性f s o阻尼比率 参数孤60 1 5o02 5 0o5 f 电气参数零输出m v输入阻抗k n输出阻抗。微励电压v d c 参数2 525 6525 65 4l _ 3 采集卡原理及应用 数据采集( d a q ) ，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集 非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集系统是结台基于计算机 或者其他专用测试平台的测量软硬件产品柬实现灵活的、用户自定义的测量系统。数 据采集卡，即实现数据采集( i ) a q ) 功能的计算机扩展卡，可以通过u s b 、p x 、p c i 、p c e x p r e s s 、p c m c i a 、i s a 、c o m p a c tf l a s h 、4 8 5 、2 7 2 、以太网等总线接入p c 机。在工 业现场，我们会安装很多的各种类型的传感嚣，如压力的、位移的、温度的、速 度的等等，受现场环境的限制传感器信号如压力传感嚣输出的电压或者电流信号 不能远传或者因为传感器太多布线复杂，我们就会选用分布式或者远程的采集卡 ( 模块) 在现场把信号较高精度地转换成数字量，然后通过各种远传通信技术把 数据传到计算机中进行处理m 憎l 。 采集卡的技术参数大致有下面几点： 1 通道数：就是板卡可以采集几路的信号，分为单端和差分。常用的有单端3 2 路 差分1 6 路、单端1 6 差分8 路 2 采样频率：单位时间采集的数据点数，与a d 芯片的转换一个点所需时间有关， 例如； d 转换一个点需要t = l o u s ，则其采样频率f = 1 t 为l o o k ，即每秒钟a d 芯片可以转换i o o k 的数据点数。它用赫兹( h z ) ，常有l o o k 、2 5 0 k 、5 0 0 k 、8 0 0 k 、i m 、 4 0 m 等 3 缓存的区别及它的作用：主要用来存储 d 芯片转换后的数据。有缓存可以设景 采样频率，没有则不可以。缓存有r a m 和f i f o 两种：f i f o 应用在数据采集卡上，主要 用来存储加芯片转换后的数据。做数据缓冲，存储量不大，速度快，r a m 是随机存取内 存的简称。一般用于高速采集卡，存储量大，速度较慢。 4 分辨率：采样数据最低位所代表的模拟量豹值，常有1 2 位、1 4 位、1 6 位等 ( 1 2 位分辨率，电压5 0 0 0 m v ) 1 2 位所能表示的数据量为4 0 9 6 ( 2 的1 2 次方) 即5 0 0 0 m v 电压量程内可以表示4 0 9 6 个电压值，单位增量为( 5 0 0 0m v ) 4 0 9 6 = i2 2m v 5 精度：测量值和真实值之间的误差，标称数据采集卡的测量准确程度，一般用 满量程( f s r ，f u l ls c a l er a n g e ) 的百分比表示，常见的如0 0 5 f s r 、01 f s r 等，如 满量程范围为o l o v 其精度为0 i f s r ，则代表测量所得到的数值和真实值之间的差 距在1 0 m v 以内。 6 量程：输入信号的幅度，常用有5 v 、i o v 、0 5 v 、0 l o v ，要求输入信号 在量程内进行 7 增益：输入信号的放大倍数，分为程控增益和硬件增益，通过数据采集卡的电 压放大芯片将 d 转换后的数据进行固定倍数的故大。由两种型号p g a 2 0 2 ( 1 、1 0 、1 0 0 、 1 0 0 0 ) 和p g a 2 0 3 ( 1 、2 、4 、8 ) 的增益芯片。 8 触发：可分为内触发和外触发两种，指定启动a d 转换方式。 由于本试验台测控系统 0 点数少，控制现场数据量不大，采用研华p c i 1 7 1 6 l 采 集卡实现数据通讯。表4 - 4 为主要参数： 表44 研华p c i1 7 1 6 l 采集卡主要参数 2 5 0 k s s ，1 6 位1 6 路高分辨率多功能数据采集卡 1 6 位高分辨率 采样额率可站2 5 0k s s d c l 总线数据传输 1 6 位模拟量输入，带l kf i f o 1 6 路差分或8 路单端模拟最输入或组台输入方式 自动校准功能 414 直线电机系统 1 直线电机选择 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构 的传动装置。它可以看成是一台旋转电机按径向剖开，井展成平面而成( 如图43 ) 。 由定子演变而来的一侧称为初级由转子演变而来的一侧称为次级。在实际应用时 将初级和次级制造成不同的长度以保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保 持不变。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、 运行费用，目前一般均采用短初级长次级。 ”潞 、 图43 赢线电机的转变过程 直线电动机的工作原理与旋转电动机相似以直线感应电动机为倒：当初级绕组 通入交流电源时，便在气隙中产生行渡磁场，次级在行波磁场切割下，将感应出电动 势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。如果初级固定，则次 缎在推力作用下做直线运动；反之，则初级做直线运动。直线电机可以作为单独的部 件，也可以作为完整的系统。电机部件( 或者称为套件) 其中包含一个电机线圈和 分离的磁轨。线圈组件称为施力部件。，在某些情况下也称为”主缓”元件。施力部件 一般包括电机线圈此外还有一个附板或安装条，可以把线圈连接到载物台上去。直 线电机的应用近年来应用日益广泛，最著名磁悬浮列车就是用直线电机来驱动的。直 线电机除了用于磁悬浮列车外，还广泛地用于其他方面，例如用于传送系统、电气锤、 精密测试系统等。在我国，直线电机也逐步得到推广和应用。 2 直线电机的特点：1 ) 高速响。应由于系统中直接取消了一些响应时间常数较 大的机械传动件( 如丝杠等) ，使整个闭环控制系统动态响应性能大大提高，反应异 常灵敏快捷。2 ) 精度直线驱动。