（机械设计及理论专业论文）基于虚拟仪器开发技术的便携式拉压试验系统的设计与研究.pdf

旗十虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设h _ 研究摘要 摘要 随着工业测试领域对非金属材料测试的需求不断提升和明确化，便携式( 小型) 拉压试验系统的发展呈现出加快的趋势。便携式拉压试验系统能在试验台上满足各种 非金属材料试件测试试验的要求。所以对其设计与应用涉及到的各种技术进行研究和 探索，对便携式拉压试验系统在我国的发展可以起到推动的作用。 随着电子技术、计算机技术和网络技术的发展及其在电子测量领域中的应用，新 的测试仪器技术不断出现，虚拟仪器技术就是当今测试仪器的新技术和新概念。利用 虚拟仪器技术在开发和扩展方面的优势，可以对便携式拉压试验系统的开发进行有效 的探索。 虚拟仪器技术涉及到了电子测量技术各个方面，包括机电接口硬件和软件、系统 软件。该课题以便携式拉压试验系统为对象，采用l a b v i e w 虚拟仪器设计软件，设计 和分析了测试系统的传感器数据采集模块、步进电机细分驱动模块、底层机电接口软 件和虚拟测试系统软件，并对部分机电接口和步进电机驱动模块进行了仿真测试。 关键词：拉压试验系统虚拟仪器l a b v i e w 步进电机机电接口 作者：张维 指导教师：卫瑞元 a b s t r a c t d e s i g na n dr e s e a r c ho np o r t a b l em e c h a n i c a lt e s ts y s t e mb a s e d o nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y d e s i g na n dr e s e a r c ho np o r t a b l em e c h a n i c a lt e s t s y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o nf i e l dt h er e q u i r e m e n t so f t e s te x p e r i m e n to i ln o n m e t a l m a t e r i a la r eg r o w i n ga n dm o r ea n dm o r es p e c i f i c a sar e s u l tm u c hm o r ea t t e n t i o ni sp a i d o nt h er e s e a r c ho f p o r t a b l eo rm i n i t y p em e c h a n i c a lt e s ts y s t e m t h i sk i n do f t e s ts y s t e m c a nm e e tt h er e q u i r e m e n to f n o n m e t a lm a t e r i a lt e s ti nt h el a b o r a t o r y ，s or e s e a r c ha n d e x p l o r eo nt h et e c h n o l o g i e su s e di nt h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no f t h e t e s ts y s t e mc a n a d v a n c et h ed e v e l o p m e n to f p o r t a b l em e c h a n i c a lt e s ts y s t e mi no u rc o u n t r y w i t ht h ee l e c t r o n i c a lt e c h n o l o g y ，c o m p u t e rs c i e n c ea n dn e t w o r kt e c h n o l o g ya l eu s e d i ne l e c t r o n i c a lt e s tf i e l d ，n e wi n s t r u m e n tt e c h n o l o g i e sa n dc o n c e p t sa r eb e i n gd e v e l o p e d v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi st h ea d v a n c e do n eo f t h e m u s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g yi nt h ep o r t a b l et e s ts y s t e mc a nb e n e f i tt h ed e s i g na n dd e v d o p m e n to f t h et e s t s y s t e m 、 v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yc o v e i sa l lt h ea s p e c t so f e l e t r o n i c a lt e s tf i e l d ，l i k et h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e r f a c e ，v i r t u a li n s t r u m e n tt e s ts y s t e m p r o g r a m t a k i n gt h ep o r t a b l em e c h a n i c a lt e s ts y s t e ma sa l io b j e c t ，w ed e s i g na n da n a l y s e t h es e n s o rd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e , s t e p m o t o rm i e r o s t e pd r i v em o d u l e , e l e c t r o m e c h a n i c a l d r i v ep r o g r a ma n dv i r t u a li n s t r u m e n ts ”t e ms o f t w a r ew i t hl a b v i e w i na d d i t i o n ，t e s t s o m ep a r to fe l e c t r o m e c h a n i c a ld r i v em o d u l ea n ds t e p m o t o rm i c r o s t e pd r i v em o d u l ew i t h s i m u l a t i o np r o g r a m k e yw o r d s ：m e c h a n i c a lt e s ts y s t e m v i r t u a li n s t r u m e n tl a b v i e w s t e p m o t o r e l e c t r o m e c h a n i c a li n t e r f a c e w r i t t e nb yz h a n gw e i s u p e r v i s e db yw e ir u i y u a n y 7 8 1 5 2 6 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，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 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 研究生签名：熟2 睦日期：趔翌兰i 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论 文合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许沦文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：缒 日期：2 鲤! 垒z 导师签名：显缝丑 日期：型= 鲨 耩于虚拟仪器拽术的便携式拉压试验系绩的瑷计与研究热一章缃论 第一章绪论 1 1 基于虚拟仪器开发技术的便携式拉压试验系统概述 该课题是以轻小型拉压试验系统为对象，以虚拟仪器技术为开发平台，对测试系 统进行了设计和重点问题的分析。 拉压试验系统描述： 轻小型、便于携带的拉压测试系统 载荷在+ 5 0 0 n 一5 0 0 n 之间 总行程5 0 0 m m 最大加载速度2 0 0 m m m in 最小加载速度5 m m i n 快速返回速度5 0 0 m m m in 、1 0 0 0 m m m i n 测试数据输出：力值、位移、力一位移曲线、应力一应变曲线 加载头 f 羚， 曰 l 步进电机口 图1 1 拉压试验系统示意图 拉压试验系统包括硬件和软件两部分。硬件包括测控与通信电路系统、动力加载 和机械加载系统；软件包括虚于! ：l 仪器测试软件系统和测控与通信电路软件。图】i 为拉压试验系统动力加载和机械加载系统示意图。 试验系统控制核心为p c 机。p c 机通过机电接口电路( 测控与通信电路) 与动力 第一帮结论举十虚j ! ：c 仪器技术的便携式拉撤试验系统的设计与研究 加载和机械力载系统建立联系，采集被测信号、控制执行部件运动。被测信号是由力、 位移传感器产生，经测试变送电路数字化处理后发送给p c 机。执行部件即为动力加 载和机械加载系统的各组成部件，其完成产生动力、传递机械力、机械加载的动作。 对于轻小型系统动力部件采用电机较合适；力传递部件要求要有较高的效率及很好的 位移精度，采用丝杆传动部件很合适；机械力的加载则由加载头和底座夹具完成。 论文着重在设计测控与通信电路系统、动力加载系统、虚拟仪器测试软件系统和 测控与通信电路软件；分析如何以较低廉的成本达到系统的设计要求，并对计测控与 通信电路系统和动力加载系统进行了仿真分析，以检测和分析设计中的问题。 虚拟仪器测试软件系统以l a b v e w 虚拟仪器开发软件为平台开发，采用有别于传 统文本式高级语言的图形化开发环境，以测试系统的数据流描述和控制程序的顺序、 时序和结果。采用数据流的编程方法能实时的兼顾到测控过程和用户的数据要求。数 据流中包含了控制数据、测试数据和各软件模块的错误信息数据。每个测控和用户界 面模块接受数据流的输入、产生数据流的输出，完成了采集所需数据和对数据流进行 修改的操作。基于数据流的编程能有效的保证仪器测试软件系统开发过程清晰透明， 运行稳定，有利于已有系统基础上进行功能扩展。 1 2 小型拉压试验系统国内外发展的现状 1 2 1 现代材料力学试验技术及其发展1 4 9 i 对材料力学性能的研究起始于欧洲工业革命时期，当时主要是采用机械测试设备 进行静态试验，以便评价材料在拉压和弯曲载荷作用下的力学特征。两次世界大战促 进了多利r 技术的发展，同时也对材料的力学性能提出了更高的要求，需要更轻而又更 强的材料来制造飞机、火箭及各种武器。战后世界上的军备竞赛一直没有停止，上世 纪中叶开始又发展到太空的竞争，新的科学技术的发展为材料力学性能研究开辟了新 的天地。 l 、发展主要领域有：高温然汽轮机；热核反应发电站；轻质航天飞机、火箭、 卫星：各种节能轻质地面车辆：探井钻探及高压贮罐；医学仿生材料；电子、光电子、 超导材料。 基于虚拟仪器技术的便携式拉j 矗试验系统的设计与研究第一章绪论 2 、新材料：主要有超级合会；复合材料：聚合材料；陶瓷材料。 3 、现代科学技术的材料工作条件非常复杂、非常恶劣，对材料性能提出更高的 要求：超高压、超高温、超低温、超真空、超高纯、超高速冷、超高强、超辐射、耐 腐蚀。 4 、所以现代科学对材料实验技术提出更高的要求：快速省力、准确可靠、安全 经济、多能而善变。 随着对材料力学性能测试要求不断更新，出现了各种功能的试验设备，但不论什 么类型，一般可分成下列三个独立的子系统。 i 、机械一动力加载系统 这是试验设备的主要工作部分。机械部分包括机架、试件夹持结构等固定装置： 动力部分包括原动机及其控制元件( 如液压源、伺服阀、液压作动器、加力电机机构、 压电晶体、电磁振荡机构及其联络电路) ，这是设备的心脏。 2 、传感器系统 一般力和位移都是用阻抗式传感器测量的，例如载荷传感器、引伸仪和线性位移 传感器l v d t 。在一些新的试验系统也用上了光学和电视图像装置。 3 、控制一数据采集一分析系统 集成电路、微处理机及模拟技术等方面的成就促进了试验设备方面的发展。控制 系统在试验设备中般有两套，一是功能简单的手控系统，一是多功能的计算机控制 系统。 现代材料实验技术发展的特点： 发展快，更新快 机械液压电液伺服微机控制全数字化控制；表盘电子数显液晶数显。 通用化、系列化、 元件模块化通用接口系统：积木式功能组合，一机多用。 特种化 大型机：液压、多缸、卧式、立式。最大立式实验机：p 11 0 0 0 t ，h 1 6 m ，b 3 0 m ， 行程 2 m 。小型机：生物力学( 皮肤的张力) ，n a n o 显微力学探针，棉花纤维p m i n o o i n 特殊用途机：变形大、力小；双轴、多轴复杂应力状态。 智能化 第帚 肯论壮于虚拟仪器技术的便携武拉胝试验系统的设计与研究 整机自动化、自动切换、自动控制、自动记录、自动处理数据、全数字化控制。 1 2 2 小型拉压试验系统国内外发展的现状 随着对工业产品安全性和质量的要求不断提升和明确化以及非金属材料科研试 验的需要不断增多，便携式( 轻小型) 拉压试验系统的发展呈现出加快的趋势。较早 的小型拉压试验机多采用机械式加载和示值显示机构。如弹簧拉压试验机，它采用手 动加载或砝码加载，示值机构采用测力弹簧和指针实现。这种机械式试验机频繁使用 后容易出现示值超差、变动性大和仪器指示机构故障高等问题。1 2 】 7 0 年代，测试技术产生了一个飞跃，就是试验机在加载电机和液压伺服控制装 置上加进了电子计算机。利用计算机可以对动态测试过程进行实时监督，计算复杂的 可变控制方式，大大简化了收集和分析数据的过程。使用计算机，用程序来操纵与纪 录试验可以实现许多以前人工不可以完成的试验。 计算机和传感器技术的快速发展使得国外的小型化拉压试验系统的研究与生产 发展非常迅速，已经形成了校完善的技术。此类系统多采用全数字伺服控制器、伺服 电机、伺服加载滚珠丝杠、加载架、力传感器、位移传感器等，并配合计算机通信模 块完成与计算机的通信。此外，有些试验系统还向着智能仪器的方向探索，例如m t s 的a l l i a n c e 系列电子拉力机。 国内小型( 便携式) 拉压试验系统起步较晚，在相应的应用领域没有得到充分的 重视。随着我国逐步成为全球各大跨国企业重要的新产品研制和生产的基地，大量的 新材料和测试技术被引入我国。其中对非金属材料产品的力学性能的测试越来越被国 内厂商所重视。国内已有几家仪器制造企业在引进国外技术的基础上开始了便携式 ( 轻小型) 拉压试验系统的研制和生产，但在功能和精度上与国外产品还有一定差距。 从传统的观念出发，仪器的功能是在用户需求得到生产厂商的注意和考虑后，被 “固化”到仪器中。现在也出现了厂商在客户已有仪器上进行二次开发和升级功能的 情况，但这样的成本高和可操作性差。在要求仪器通用化、系列化、智能化的今天， 借助计算机和软件的帮助，仪器测试技术的另一次创新和革命是必然的，虚拟仪器技 术在这次技术突破中引领了发展的方向。 4 基于虚拟仪器技术的他携式拉慷试验系统的设计与研究第一章绪论 1 3 虚拟仪器技术的概述 测量仪器发展至今，大体经历了四代发展历程，即模拟仪器、分立元件式仪器、 数字化仪器和智能仪器。 由于电子技术、计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与仪器领 域中的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出 现。电子测量仪器的功能和作用已发生质的变化，其中计算机处于核心低位，计算机 软件技术和测量系统更紧密地结合成一个有机的整体，导致仪器的机构、概念和设计 观点等也发生突破性的变化。在上述的背景下，出现了新的仪器概念虚拟仪器。 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是在以通用计算机为核心的 平台上，功能由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由系统测试软件实现的一种 计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器无所不能的显示功能来模拟、 拓展传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功 能实现信号数据的运算、分析和处理；利用t o 接口设备完成信号的采集、测量与调 理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面 板，就如同使用一台专用测量仪器一样。因此，虚拟仪器的出现，使测量仪器与计算 机的界线模糊了。f 4 2 】 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。 第一，虚拟仪器的面板是虚拟的。 虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种“器件”所完成的功能 是相同的。如由各种开关、按钮、显示器等控件实现仪器电源的“通”、“断”；被 测信号的“输入输出”、“放大倍数”等参数的设置；及测量结果的“数据显示”、 “波形显示”等。 传统仪器面板上的器件都是“实物”，而且是由“手动”和“触摸”来进行操作 的，虚拟仪器前面板是外形与实物相像的“控件”每个控件的“通”、“断”、“放 大”等动作通过用户操作计算机鼠标或键盘来完成。因此，设计虚拟仪器前面板就是 在前面板设计窗口中摆放所需的控件图标，然后对控件的属性进行设置。 第二，虚拟仪器测量功能是通过图形化软件流程图的编程来实现的。 在以p c 计算机为核心组成的硬件平台支持下，通过软件编程来实现仪器的功能。 第一秆绪论撼f 虚拟仪器技术的便携式拉雁试验系统的设计与研究 因为可以通过不同测试功能软件模块的组合束实现多种测试功能，所以在硬件平台确 定后，就有“软件就是仪器”的说法。这也体现了测试技术与计算机深层次的结合。 对虚拟仪器而占，硬件的主要功能是数据采集和转换，在此基础上，用户用与之 相配套的软件根据实际需臻作二次歼发得到所需的功能，因此软件才是虚拟仪器的核 心。虚拟仪器与传统仪器相比具有很多特殊的优点：低成本、易于扩展、可根据自己 的需要来设计自己的仪器系统、可将多种功能的仪器绑定在一起、基于标准的数据库 技术，数据易于存储和恢复。而基于虚拟仅器的可视化编程的软件有美国n i ( n a t i o n a l i n s t r u m e n t ) 的l a b v i e w 和l a b w i n o o w s v i ( cf o rv i r t u a li n s t r u m e n t s ) ，h p 的v e e ， l o t e c h 的v is u a l l a b 等。它们均提供了3 个功能：集成的开发环境、与仪器硬件的高级 接口和虚拟仪器的用户界面。本课题采用的是n i 推出的l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) ，它是种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ， 图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具。1 4 1 1 4 本论文研究内容 2 、 完成系统测试硬件与计算机接口电路的分析和设计，其中包括：机械一 动力加载系统的设计和仿真测试、传感器的变送电路的设计和仿真、控 制备部分协同工作的前端控制器的软件设计等。 基于虚拟仪器软件l a b v i e w ，对整个测试系统进行分析和设计，并对 l a b v l g w 软件的以数据流为基础的测控程序设计方法进行探讨和实践。 对测试系统重要的动力加载部分进行分析和仿真。 6 摹于虚拟仪器技术的便携式拉雁试驼系统的设计1 j 研究 第二：章便携式拉胍试验系统硬件的殴计i 研究 第二章便携式拉压试验系统硬件的设计与研究 2 1 试验系统组成和功能 测试系统的基本组成包括传感器、中间变换和传输单元、计算处理单元和显示记 录单元。传感器，将被测对象一力、位移、速度等原始信号转换为其他形式的物理信 号：中间变换和传输单元，根据信号传输、分析处理、显示记录的要求，将传感器输 出的信号进行二次变换；计算处理单元，将中间变换单元输出的信号进行所需要的运 算、校正、分析处理以获得更为精确的测量结果或便于显示记录的输出方式，通常由 测量系统中的计算机软硬件来实现；显示记录单元，将测量结果显示、记录和储存。 拉压试验系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件主要有：驱动与传动部件、 控制计算核心、传感器及变送电路、加载机构、通信电路。软件主要有：试验系统的 操作界面、数据采集及通信、数据处理与分析、结果显示、输出及存储等。1 3 i 在测试过程中，力与位移传感器同时检测拉压力值和试件变形量，将待测的各种 物理量转换为电信号传给数据采集部分。信号经二次仪表放大、滤波等处理后，转换 成数字信号，通过c 0 m 串行口输入通用计算机，实现计算机实时数据采集和通讯，并 将数据保存为文本文件。计算机根据实时传输的数据，对数据进行各种处理：去除由 于人为误差，或数据传输过程中仪器误差等因素引起的粗大误差，对数据进行判断， 确定数据的有效性，进行误差分析；并将结果可视化显示、记录并保存至文件中，为 试验过程的再现保留完整的数据。 试验系统的功能： 同时高精度、可靠地检测力和位移； 测力氡程：- - 5 0 0 n 5 0 0 n ，精度0 1 n ，与计算机实时通讯，进行可视化显 示： 位移测量量程：o 5 0 0 m m ，精度0 0 0 1m i l l ，与计算机实时通讯，与力值同时 进行可视化显示； 拉压速度：5 n u n m i n 2 0 0 m m m i n 行进速度：5 0 0 m m m i n 1 0 0 0 m m m i n 第一章慢携式拉艟试验系统硬件的设计与研究 耩于虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设计与研究 同时测量力与位移，可以获得力一位移( 应力应变) 关系的实时变化，得到被 测部件在受力情况下的特性。 2 2 拉压试验系统的构成 微机控制拉压试验系统的原理是微机控制加载机构对试件施加拉力或者压力，同 时测量试件所受力的大小和相应的变形量。国内外微机控制拉压试验系统大致可分为 两类，一类是大型化、大载荷试验系统。这一类拉压试验设备多采用电液伺服系统， 利用全数字控制器作为主控核心配备液压泵、高性能的电液伺服阀、力传感器、位移 传感器等，构成能测试大载荷试件的测试系统；另一类是采用伺服电机加载的中小型 系统。该系统采用全数字伺服控制器、伺服电机、伺服加载滚珠丝杠、加载架、力传 感器、位移传感器等，并配合计算机通信模块完成与计算机的通信。 本课题研究的是便携式( 轻小型) 拉压试验系统， 采用的与后者相似的硬件组 成。动力部件采用步进电机代替伺服电机。相对于伺服电机，步进电机有控制精度低、 非恒力输出、不具有过载能力、堵转和失步以及相应速度低的缺点，但是可进行开环 控制使步进电机的运行控制电路较伺服电机简单、成本低。对速度要求不高的情况， 运用新型的步迸电机控制技术可有效的弥补以上缺点。采用步进电机作为动力部件， 就可使用通用性强、扩展性好的单片机作为步进电机的运行控制中枢。 3 1 硬件组成：通用计算机、单片机、步进电机及其驱动器、丝杆传动机构、拉压力 传感器、光电编码器( 位移传感器) 、加载夹具、机架。硬件组成结构示意图如图2 1 所示。 ( 1 ) 控制、计算、显示核心： 通用计算机为控制和数据处理的核心。l a b v e w 安装在通用计算机上，完 成全系统控制、信号采集、数据分析、结果显示及记录的虚拟试验系统的 功能。 ( 2 ) 通信中枢； 单片机为通信的中枢，向上，通过串口与通用计算机通信，完成数据传输 和控制命令接受的功能；向下，采集拉压力传感器和光电编码器的信号并 进行预处理、解析控制命令控制步进电机转速。 基于虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设计j 研究第二牵便携式拉席试验系统碗件的世计i 研究 ( 3 ) 驱动、传动部件： 步进电机为驱动机构，其精度高、容易实现计算机控制。在较小的加载力 要求下( 一5 0 0 n + 5 0 0 n ) 能够减轻试验系统的重量和成本。 丝杆传动机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置。它是利用螺旋 传动原理进行工作的。尽管丝杠螺母副由于其无法消除的间隙，造成伺服 系统的失步和反向时的死区，但其具有独特的优点，在进行精密制造和装 配后，仍不失为传动、定位和测量合一的优良的基准部件。 ( 4 ) 传感器： 拉压力传感器是用来测量加载过程中试件受到的拉力或压力，并通过信号 调理模块将电信号实时的传送给通用计算机。 光电编码器是用来检测步迸电机的角位移。通过计算可得到试件在受力情 况下的变形量( 直线位移) 。使用光电编码器可以避免开环控制步进电机 失步造成的误差。 ( 5 ) 加载机构和机架： 加载夹具是为适应各种试件加载而设计的夹具，机架是除通用计算机以外 的机电部件的基座。 图2 1 硬件结构示意图 2 3 传感器检测原理与实现电路 拉压试验系统采用的传感器为s 型拉压电阻应变式传感器，此种传感器可测试 9 第章便携文拉j 矗试验系统硼件帕设计，研究坫十虚拟仪= 8 控术的便携式拉血试验系统的设汁与耐f 究 拉、压两个方向的力值，精度较高。 9 1 位移检测传感器使用的是旋转式增量光电编码 器，通过检测丝杆的转动角度，从而计算出直线位移。 2 3 1 力值检测原理与电路 2 3 1 1 电阻式传感器原理 该拉压试验系统采用的是量程为一5 0 0 n 5 0 0 n 的s 型拉压电阻应变式传感器。 电阻应变式力传感器有着悠久的历史，它具有体积小、动态响应快、测量精度高、使 用简便等优点。其工作的原理是首先把被测力转变为弹性元件的应变，再利用附着在 弹性体上的电阻应变片通过形态的改变反应出力的大小。弹性元件是这类传感器的基 础，应变片是其核心。力传感器所用的弹性元件有柱型( 圆柱、方柱、圆筒) 、薄壁 环型、悬臂梁型、轮辐型以及s 型几大类。u 4 1 金属导体受力产生机械变形( 应变) 时，其电阻值亦随之变化，这种现缘称为电 阻应变效应，是电阻应变片的物理基础。【”1 电阻应变效应的产生是由于导体的电阻值 取决于构件的长度、横截面积和材料的电阻率，而这些要素又随着导体的变形而变化。 设导体的初始电阻厅为： r = p 二 ( 2 1 ) 爿 其中：，一长度； p 一电阻率： 月一横截面：a = 万，。 r 一半径。 当，彳，p 各有一增量的删，d a ，d p 时，所引起的电j ；且增量为： d r = 詈讲+ 嚣枷+ 塑o p 如= 旦a d ，+ ( 一婴a ) 姒+ 丢咖 ( z z ， 88a 1 i a ? 将a = f r 。带入上式得 基于虚拟仪器技术的便携武拉骶试验系统的设计与研究第二章便携式拉压试验系统碗件的设计j 研究 搬= 参洲+ ( 。等卜+ 上z g r 2 d p = 等( 争字+ 警 ：尺他一丝+ 塑1 l ， 7 p 电阻的相对变化量为： 塑：望一2 生+ 塑( 2 - - 3 ) r，r p 式中：d l l = 日电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变； d r r = 电阻丝径向相对变形，或称横向应变； d p p 电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。 金属导体变形时，其纵向变化和横向变形是相互关联的，而且在弹性极限内这种 关联对每一种材料而言是恒定的。通常用泊松系数来表钲。对圆柱体为： 一箭一詈 叫， 由于电阻丝电阻率相对变化与轴向所受正应力的关系，将式( 2 - - 4 ) 代入式( 2 3 ) 并以s ：蜀：粤表示纵向应变，d _ l p ：吼e g ，则有： 百d r = ( i + 2 1 j + ，r l e 归= 怡 ( 2 5 ) 其中：石。纵向压阻系数。 卜材料的弹性模量： 幻灵敏度。 n = ，+ 2 + 7 r l e ( 2 - - 6 ) 电阻应变效应的灵敏度表示单位应变所引起的电阻相对变化，在弹性限度内，灵 敏度为常数。 电阻应变式传感器的应变测量电路惠斯通电桥。u 2 1 帮：常使携式拉雁试验系统硬件的殴计与研究祭十鼎拟仪器技术的便携式拉压试验系统盟设汁复研塞 坛c 图2 2 电桥电路 b 在未受载时，b d 端的输出电压为； 在应变测量中，通常采用惠斯通电桥，它 能精确测量各个桥臂的微小电阻变化，电桥 的四个桥臂中的任何一个都可以是应变片。 惠斯登电桥是由电阻r ，、r 。、r 。、r 四个桥臂 组成，a c 两点接供桥电压v 。b 、d 两点间 为输出电压v 0 ，四个电阻值均为r ，受载时 电阻的变化为r + a r 。、r + a r ：、r + a r 3 、r + a r 。 因为采用全桥的接法，即四个桥臂上均采用 应变片，这样既可以放大电压信号的输出， 提高测量的灵敏度，又可以达到温度补偿的 目的。 1 2 1 图2 ，2 为惠斯通电桥电路。 堕一旦 特熹k 熹耻两两 ( 2 7 ) 电桥平衡条幅鲁= 罢 对于如图2 2 的全桥接法，受载后四桥臂的电阻均发生变化分别变成r ，= rb r 、 r ：= r + r 、飓= r 一r 、r 4 = r + a r ，则有： = 等k r 。- 尺a r v 矿警( 2 - - 8 ) 全桥电路呈固有线性，这样可使传感器更准确的反应力值与变形的关系。通过电 桥将电阻变化转化成电压变化后，再送入测量放大电路测量。最后利用标定的电压和 力之间的对应关系，可以测出被测力的大小。 接十虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设计与研究 第二章便携式拉压试验系统硬件的设计，研究 2 3 1 2s 形电阻式拉压力传感器工作原理 图2 3 双连孔s 型电阻 式拉压力传感器 图2 3 为双连孔s 型电阻式拉压力传感器的结构图， 4 个应变片贴在开孔的中间梁上下两侧最薄的地方，接 成惠斯通全桥电路。当拉( 压) 力f 作用在上下端时， 应变片r 。和r j 因受拉伸( 压缩) 而电阻增大( 变小) ，应 变片磁和r 。因受压缩( 拉伸) 而电阻减小( 增大) ，电 桥输出与作用力成比例的电压肋：等_ 。 x 如果力的作用点发生偏移，以压力f 向左偏离f 为 例，则偏心引起的附加弯矩为4 肘= f 创。应变片r 2 和 r 。所受的弯矩绝对值增加a m ，应变片r 和r 。所受的弯 矩绝对值减小m 。对应于m 应变片电阻的变化为r 。 所以相对未偏移前的电阻变化量r 。、飓电阻附加变化量为+ a r ，r 、凡电阻附加变化量 为- a t 。从图2 2 可以看出，它们的变化量对电桥输出电压的影响相互抵消，这样就 补偿了力偏心对测量结果的影响。侧向力只对中间梁起拉伸或压缩作用，便4 个应变 片发生方向相同的电阻变化，因而对电桥输出无影响。 9 1 2 3 1 3 变送电路 对于采用电桥的电阻式应变传感器，电桥的一个或多个电阻与其初始值的偏离将 作为被测变量变化的指示。这种情况下，输出电压的变化便是电阻变化的指示。但是 电阻的变化一般都很小所以即使采用v 。= i o v ( 负荷传感器应用的典型激励电压) ， 输出电压的变化也可能小到数十毫伏( m y ) 。为了准确地将传感器的变化量传送给计 算机，就需要变送电路将微小的电压信号转换为高分辨率的数字信号。 s 型拉压电阻应变式传感器的分辨率在( 0 i f s o 0 1 f s ) 之间，所以要保证 数模转换的精度，必须使用1 3 位以上的a d 转换器。这里采用的是1 6 位一a a d 转 换器a d 7 7 0 5 。它能直接将传感器测量到的多路微小信号进行一调制、a d 转换、 增益放大、数字滤波。这种器件具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声 嘲 第一帝便携式拉脏试验系统硬仲的设计j 埘究 培于虚拟仪器技术的便携式拉矾试验系筑的设计与研究 性能以及低电压、低功耗等特点。在前级电路的基础卜采用a d 7 7 0 5 ，可有效的提高 变送电路的精度，简化电路，强化抗干扰能力。i 1 3 ) 主要特点：a d 7 7 0 5 有两个全差分输入通道的a d c ； 1 6 位无丢失代码； 0 0 0 3 非线性； 可编程增益：l 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、6 4 、1 2 8 ； 可编程输出数据更新率： 可选择输入模拟缓冲器； 自校准和系统校准； 三线串行接口； s p i “，o s p i “，m i c r o w i r e “和d s p 兼容； 3 v 或5 v 工作电压； 3 v 电压时，最大功耗为1 r o w ； 等待模式下电源电流为8 ua 。 n a l 0 0 t n p u r c h n 畦l s m c l k l n h c l h0 u t y r e fn 【)r e fl n ( + l 图2 4a d 7 7 0 5 功能框图 4 $ c l k c g o i n 0 0 u t 基于虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设计与研究第二章便携式拉压试验系统硬件的设计与研究 a d 7 7 0 5 采用的是a ( s t g m a d e l t a ) 调制技术，一a 型a d 由积分器、比较 器、】位d 转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成 时间( 脉冲宽度) 信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易 单片化，因此容易做到商分辨率。主要用于音频和测量。 a d 7 7 0 5 包含了8 个片内寄存器，这些寄存器通过器件的串行口访问，所有的操作都 是通过对寄存器的操作完成的。 第一个是通信寄存器，器件复位后，通信寄存器处于等待状态，通过通信寄存器写 操作，决定下一次操作是写还是读，同时决定这一次读操作或写操作发生在那个寄存 器上。也就是说所有的寄存器( 包括通信寄存器本身和输出数据寄存器) 进行读操作 之前，必须首先写通信寄存器，然后才能读选定的寄存器。 第二个是设置寄存器，决定校准模式、增益设置、单双极性输入以及缓冲模式。 第三个是时钟寄存器，包括滤波器选择和时钟控制位。 第四个是数据寄存器，器件输出的数据从这个寄存器读出。 第五个是测试寄存器，它用于测试芯片时的设置。 第六、七个是零标度校准寄存器和满标度校准寄存器，零标度校准寄存器和满标 度校准寄存器连在一起使用组成一个寄存器对。每个寄存器对对应一个通道，完成对 每个通道进行零标度和满标度的校准。 最后一个是校准寄存器，它存储通道校准数据。 s 型电阻式力传感器通过由a d 7 7 0 5 组建的变送电路将力值转变为1 6 b i t 的数字信 号，通过三线串行通信接口定时传送给单片机。【1 3 】电路示意图如图2 5 所示。 第二章便携式拉压试验系统硬件的设汁与研究基于虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设计与研究 v s = + 5 v 图2 5s 型电阻式力传感器变送电路 由于采用了较简单的直流电压激励方式，无法达到交流激励消除电路失调和噪声 的效果，所以在接线和工作方式上加以弥补。如图2 5 所示，同一基准源v s 既用于传 感器激励，又用于a d c ，这种工作方式为比率工作方式。a d c 输出码( d 。) 是转换器的 输入a 1 w 与其基准点v r e f = r e ( + ) r e ( ) 之比( d o u t = a i n v r m 。) 的数字表示。由于电 桥激励及基准的输入v 。由同一激励源v s 导出，故激励的变化不会引入测量误差。因 此，在比率电路配置中，若由传感器测量的变量未改变，贝i j a d c 的数字输出码不受电 桥激励变化的影响，【1 2 a d 7 7 0 5 以串行通信方式接受8 9 c 5 2 发送的控制字、发送转换的力值数据，基本配 置如图2 5 所示。根据d r d y 的状态，8 9 c 5 2 用查询或中断的方法控制a d 7 7 0 5 ，从工 作在方式0 的串行接口读取转换数据。其数据串口线r x d ( p 3 0 ) 与a d 7 7 0 5 的d z n 、d o u t 引脚连接在一起，并接一个1 0 k q 的上拉电阻。时钟接e 3 t x d 与a d 7 7 0 5 的s c l k ( p 3 1 ) 相连，为传输数据提供时钟。无数据健送时，t x d 应闲置为高电平。这是秭较简易 的按法，也可以将d i n 、d o u t 目i 脚分别与单片机的不同引脚( p 3 7 、p 3 6 ) 相连，a d 7 7 0 5 的s c l k 与另外的引脚( p 3 3 ) 相连，采用软件方式提供时钟脉冲完成串行通信，这样 可以将单片机的串口空出作为与p c 机的通讯口。本课题中就采用后者，利用中断方式 基于虚拟仪器技术的便携式拉雁试验系统的设计与研究 第二章便携式拉压试验系统硬件的设计与研宄 ( d r d y 与i n t o 相连) 控制a d 7 7 0 5 ，通过软件来完成与a d 7 7 0 5 的串口通信。软件编写 时需要注意：在写操作模式下，8 9 c 5 2 的数据输出为l s b 在前，而a d 7 7 0 5 希望m s b 在前， 所以数据写之前必须重新排列：同样在读操作时，a d 7 7 0 5 输出的数据是m s b 在前，8 9 c 5 2 要求l s b 在前。读取到串行缓冲器的转换数据在使用之前，需要重新排列顺序。u 3 上电，复位a d 7 7 0 5 j 配置8 9 c 5 2 串行接口 j 写遥信寄存器选择输入通道并设置下一 次操作为写时钟寄存器( 约m ) j 写时钟寄存勰，根据使用的主时钟频率 选择时钟位井设置所琏道遵的输出数据 更赫速事 写通信寄存器选择输入遥谴并设置下一 次操作 写设量寄存器( 1 0 ；i ) 0 i 写设置寄存曩，令f s r 辩复位并设置通道 增益为8 4 启动通道l 进行一、尖自授准 ct o h ) 一i 一 i 查询攀1s 哪 i 岭 写通信寄存器设量下一次操作为读数据 寄存器( 3 8 x ) j 读数据寄存器 j 图2 6a d 7 7 0 5 程序框图 图2 6 为单片机操作a d 7 7 0 5 的程序框图，图中描述t a d 7 7 0 5 的设置过程和数据读 取步骤。数据读取方式为两种查询方式( 查询丽i 西i 引脚方式、查询通信寄存器 面面可位方式) ，中断方式的中断子程序可参照查询方式编写。 第二章便携式拉压试验系统硬件的设计i j 研究 基于虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设计与研究 2 3 2 位移检测原理与电路 在拉压试验系统工作过程中，力检测模块需要与位移检测模块协同工作才能完成 系统的基本检测任务采集力和位移的信号。在力学测试仪器中所使用的位移检测 部件有机械式、光学式等多种形式。本课题采用了数控系统中较常用的增量式光电编 码器。【1 6 】 2 3 2 1 光电编码器的工作原理 光电编码器( o p t i c a le n c o d e r ) ，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位 移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光 栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定寓径的圆板上等分地开通若干个长方形 孔。由于光电码盘( 光栅盘) 与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋 转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图 如图2 7 所示。通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的位移 和转速。此外，为判断旋转方向，光电编码器还提供了相位相差9 0 0 的两路脉冲信号。 光源透镜码盘透镜光敏元件放大整型电路 图2 7 光电编码器原理示意图 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法 及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。试验系统中使用的是增量 式光电编码器。增量式光电编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲a 、b 和z 相；a 、b 两组脉冲相位差9 0 0 ，从而可方便地判断出旋转方向，而z 相为每转一 基于虚拟仪器技术的便携式拉压试验系统的设计与研究第二章便携式拉压试验系统硬件的设计与研究 个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以 上，抗干扰能力强，可靠性离，适合子长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对 位置信息。但它相对于绝对式光电编码器有较高的分辨率和简单的结构。 光电编码器特征指标： ( 1 ) 输出脉冲转： 旋转编码器转一圈所输出的脉冲数对于光学式旋转编码器通常与旋转编码器内 部的光栅的槽数相同，也可在电路上使输出脉冲数增加到槽数的2 倍、4 倍。 ( 2 ) 分辨率： 分辨率表示旋转编码器的主轴旋转一周，读出位置数据的最大等分数。绝对值型 不以脉冲形式输出，而以代码形式表示当前主轴位置( 角度) 。与增量型不同，相当 于增量型的“输出脉冲转”。 ( 3 ) 最大响应频率： 最大响应频率是在1 秒内能响应的最大脉冲数。( 例：最