（材料加工工程专业论文）钢丝绳张力测量系统与检测技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文对钢丝绳生产过程中的张力自动检测技术进行了详细的研究。 本文从传感器的制作、信号放大、a d 转换、单片机处理、结果数据显示几个主 要方面对该钢丝绳张力自动检测系统进行了深入的研究，形成了一套完整的信号采集、 分析和处理系统。 传感器采用三点弯曲原理，把钢丝绳的张力转换成电阻应变片的应变，再通过惠 斯顿电桥转换成电压信号，输出到后面的信号处理单元。 ! 信号放大单元采用仪用放大器芯片i n a l l 8 ，对传感器输出的微弱电压信号进行放 大。i n a l l 8 精度高，功耗低，而且具有很高的共模抑制比，提高了系统的抗干扰能 力，较好地实现了微弱信号的放大功能。 a d 转换部分采用a d 转换芯片m c l 4 4 3 3 。m c l 4 4 3 3 是一种双积分型的a d 转换器，它转换精度高，功耗小，功能强大，电路简单，非常适用于数字电压表、数字 万用表等各种数字化仪表以及计算机数据采集系统的a d 接口。 单片机使用a t 8 9 c 5 2 ，这种芯片功能强，功耗低，片内自带8 k 的f l a s hr o m 和 2 5 6 b 的r a m ，可以把程序写在片内f l a s hr 。m ，而不必去扩展片外r o m 。 显示模块采用m a x i m 公司的l e d 显示驱动芯片b l a x 7 2 1 9 ，它集b c d 码译码器、多路 扫描器、段驱动器和位驱动器于一体，电路简单，编程方便，大大简化了硬件电路的设 计和软件开发的工作量。 + 、 以上述几个器件为主，j 设计并制作出了一个小巧，轻便的钢丝绳张力测量仪。试 验结果表明，设计制作的自动检测系统能够用于钢丝绳张力的自动检测。 关键词：钢丝绳张力信号检测传感器a d 转换单片机l e d 显示 、一一 。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i ci n s p e c t i o nt e c h n o l o g yo f t 1 es l l e s si nt h e p r o d u c t i o np r o c e s so f s t e e lc a b l e i ss t u d i e d i 1 1 t h i s t h e s i s t h i st h e s i sc o n s i s t so ff i v ep m n a r y a s p e c t so f t h es y s t e m ：t h ec o n s l r u c f i o no ft h es e n s o r , t h e a m p f i f i e d u n i t o f s i g n a l s ，a d t r a n s i f i o n u n i l t h e p r o c e s s i n g u n i t o f s i n g l e c h i p m i c y o c o ( s c m ) ，t h e d i s p l a yt m i to fr e s u l t s as e to fs y s t e mi n c l u d i n gs i g n a lc o l l e c t i n g , a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gi s d e v e l o p e d t oc o l l e c t , a n a l y z ea n d p r o c e s s t h es t r e s ss i g n a l s & s t e e lc a b l e b a s e do nt h et h r e ep o i n tb e n d i n g p r i n c i p l e ，t h es e n s o rt m m i tt h et e n s i o no fs t e e lc a b l et ot h e s w a i no ft h er e s i s t a n c es w a i np i e c e ，c o n v e r tt h es t r e s s s i g n a l st ot h ev o l t a g es i g n a l st h r o u g h w h e a t s t o n e b r i d g e ，a n do u t p u t t h ev o l t a g es i g n a l st ot h es i g r l a lp r o c e s s i n gu n i t i n a l18i su s e di ns i g n a lp r o c e s s i n gu n i tt oa i l l p 崎t h el o w v o l t a g es i g n a l so u t - p u t t e df r o m s e n s o r i n a l1 8c h i ph a st h ea d v a n t a g e so f g r e a t p r e c i s i o n , l o wp o w e r ，a g 眩h i g hc o m m o n m o d e r e j e c 6 0 nr a t i o ( c u q a n d i tc a ni m p r o v et h ea b i 脚o f a n a - j a m m i n g ，a n da m p t i f yt h el o w s i g n a lv e r y w e l l m c l 4 4 3 3i sak i n do fd u a li n t e g r a ! t y p ea dt r a n s i t i o nc o m p o n e n t , w h i c hh a st h ea d v a n t a g e s o f h i g h t r a n s i t i o np r e c i s i o n , l o w p o w e rw a s t e ，s t r o n gf u n c t i o na n ds i m p l e c i r c u i t i tc a nb eu s e dv e r y w e l li nm a n yk i n d s o f d i g i t a li n s t r u m e n t s ，s u c h a sd i g 眦v o l t a g em e t e r a t 8 9 c 5 2i st h es c mt h a tu s e di nt h i ss y s t e r r li th a st h e a d v a n t a g e so f s t r o n g f u n c t i o na n dl o w p o w e rw a s t e w i t hi n t e g r a t e d8 k f l a s hr o ma n d2 5 6 br a mt h ep r o g r a mc a l lb ew r i 牡e ni nt h e i n t e g r a t e d8 k f l a s hr o mi n s t e a d o f e x p a n d i n g t h ee x t r ar o m m a x 7 2 1 9 d i s p l a yd r i v e rc h i pw a s u s e di nd i s p l a ym o d u l e w i t ht h ei n t e g r a t e sb c d e n c o d e r , m u l t i p l e x e r 、s e g m e n td r i v e r 、b i td r i v e r , t h ec h i ph a dt h ea d v a n t a g e so fs i m p l ec i r c u i ta n de a s y p r o g r a m m i n g ，a n d d e c r e a s e st h ew o r ko f h a r d w a r e d e s i g na n ds o 胁v d l ed e v e l o p m e n tm o t u s i n gt h ec o m p o n e n t sm e n t i o n e da b o v e ，as m a l lc o m p a c tt e n s i o nm e t e r a g es y s t e mo fs t e e l c a b l ew a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h er e s u l t s0 f 恤e x p e r i m e n t si n d i c a t et h a tt h i ss y s t e mc a nb e u s e dt oa u t o m a t i c i n s p e c t i o r lo f t h es t e e lc a b l et e n s i o n k e y w o r d s ：s i m s s o f s t e e lc a b l e s i g n a l si n s p e c t i o n s e n s o ra dt r a n s i t i o n s c ml e d d i s p l a y i l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 钢丝绳张力测量的意义 绪论 钢丝绳是若干根钢丝按照一定的规则捻制而成的个致密、柔软并且具有强大抗 拉断力的螺旋状钢丝束。钢丝绳是以热扎线材为原料的冷拉钢丝经过进一步d n ：z l i 成 的金属制品。由于钢丝绳的生产工艺技术比较复杂，机械性能要求非常严格，生产管 理要求也很严格，因而钢丝绳的生产在一定程度上可以反映出国家金属制品工业的规 模及其技术水平。 钢丝绳是工程中应用极为广泛的一种挠性部件，它不同于其它金属制品，具有以 下一些优点： 1 钢丝绳的抗拉强度高，相同断面尺寸的钢丝绳抗拉断力大于其它材料，可以 承受重负荷和振动载荷。 2 钢丝绳自身重量轻，体积小，便于运输、存储和使用。 3 钢丝绳承载能力大，使用安全可靠。 4 - 钢丝绳可以在高速条件下非常平稳的运转和工作。 5 钢丝绳比较柔软，便于使用。 6 钢丝绳具有良好的抗压性和耐磨性。 7 有镀层的钢丝绳具有良好的耐腐蚀性能。 由于钢丝绳具有以上这些特点，到目前为止，还找不到一种更理想的机件来代替 钢丝绳的工作。它在现代工业中担负着重要的作用。现在几乎大多数的工业、农业、 林业、渔业、交通业部门都直接或间接地使用钢丝绳【2 】。例如： 矿山提升煤炭、矿石和材料、升降人员都离不开钢丝绳，而且它对矿山的生产和 安全关系极大，是矿山的关键部件之一。 架空索道是矿山和森林采伐中的重要交通工具，没有钢丝绳作主索和拉索，也就 没有架空索道。目前，架空索道还为旅游业用来制作旅游工具旅游缆车。 现代化的工厂没有起重机械难以生产，如果没有钢丝绳，起重卷扬机根本不能工 华中科技大学硕士学位论文 作。车站、码头、仓库也都离不开各种起重设备，也离不开各种钢丝绳。 海洋捕鱼要求具有良好耐腐蚀性与较为柔软的钢丝绳用于拖网、定置网和卷网。 航空工业中飞机的航索和操舵索需要具有高抗疲劳性能和耐腐蚀性能的钢丝绳。 汽车轮胎需要抗疲劳性能好，与橡胶结合力强的轮胎钢丝绳( 即钢丝帘线) 。 运转速度快，运输效率高的皮带运输机需要强度高、柔软性好、与橡胶结合力强 的胶带钢丝绳橡胶运输带的骨架材料。 还有城市高层建筑物的发展，电梯也相继增加，抗疲劳性能好，使用时伸长小， 性能柔软的电梯钢丝绳也是必不可少的。p 叫 钢丝绳一般采用优质碳素钢丝捻制而成，它往往是相应设备的关键部分。在钢丝 绳的制造过程中，如果各股钢丝的预捻力不同，往往会造成钢丝绳各股的张力大小不 一致，严重影响钢丝绳的制造质量。这样生产出来的钢丝绳在使用过程中绳子所受到 的张力集中于一股或几股钢丝，而不是均匀分布在所有各股钢丝上。由于局部受力过 大，所以就很容易由于磨损、锈蚀、疲劳等原因而会出现断丝。断丝后整个钢丝绳的 性能指标下降，带来更大的安全隐患，甚至导致整根钢绳断裂，发生重大生产事故， 造成巨大的经济损失，给企业和生产者的安全带来严重危害【5 】o 因此在钢丝绳的生产 过程中对各绳股张力进行检测，就可以及时地发现各根绳股之间出现受力不均的现 象，这时只要及时停机调整，排除故障，就能制造出合格优质的钢丝绳。 由此可见，积极发展钢丝绳制造过程中的钢丝张力自动检测技术，是实际工程对 钢丝绳生产的迫切需求，是直接关系到生产部门的正常生产和人民的生命安全，也是 与国民经济的发展密切相关的一个重大课题。 1 2 钢丝绳制造的基本原理 1 2 1 钢丝绳的分类 钢丝绳的分类方法很多，按其钢丝围绕中心钢丝或绳芯捻制的情况分为单捻钢丝 绳，双捻钢丝绳和三捻钢丝绳；按其绳芯材质可分为纤维芯钢丝绳和金属芯钢丝绳； 按其捻向可分为普通z 捻、普通s 捻、同向z 捻和同向s 捻钢丝绳；按其断面形状 华中科技大学硕士学位论文 可分为圆股钢丝绳和异型股钢丝绳；按其绳股中相邻各层钢丝的接触状态可分为点接 触钢丝绳、线接触钢丝绳和面接触钢丝绳。每种分类方法都对应着相应的应用领域， 体现了实际工程对钢丝绳应用需求的不同侧重点，因而都具有各自特殊的意义。 1 2 2 钢丝绳生产的基本工艺流程 钢丝绳的品种很多，主要可以归纳为圆股钢丝绳、异型股钢丝绳、密封股钢丝绳 和特殊用途钢丝绳。但是目前最基本的、大量生产和使用的仍然是圆股钢丝绳。其它 类别的钢丝绳尽管在钢丝的断面形状、股的捻制和结构设计上与圆股各不相同，但其 工艺流程却大体一致，一般可以用图1 1 进行概括。 从图1 1 中可以看出，钢丝绳的生产包括制绳、绳芯加工和防锈润滑油脂处理三 部分。其中制绳是主要工序，它包括卷线、捻股、卷股及合绳等操作。卷线是将合格 的光面或镀层钢丝放在放线架上，用卷线机将钢丝紧密而整齐地卷缠在工字轮上， 图1 1 钢丝绳生产工艺流程图 华中科技大学硕士学位论文 供捻股使用。捻股是把钢丝制成钢丝绳的基本元件绳股，通常是将卷在工字轮上 的多根钢丝按一定规则捻制成紧密的螺旋状股。卷股类似卷线，它是把捻股机上卸下 来的大工字轮上的绳股卷在具有定长股的小工字轮上，供合绳使用，小工字轮的数目 与合绳的股数相同。合绳是将捻股机上捻好的绳股和绳芯在捻绳机上捻制成绳，目前 大部分钢丝绳是六股，也有少数四股、八股和十八股的钢丝绳。合绳设备有筐兰式和 管式，一般使用筐兰式的。 1 2 3 钢丝绳捻制应力的产生及消除 钢丝绳在捻制过程中，钢丝受到弹性塑性弯曲扭转及拉伸变形，相应产生了 弯曲应力、扭转应力和拉伸应力，从而大大降低了钢丝绳的技术指标和工作性能。这 时，当钢绳端头呈自由状态时，股绳不绑扎便会松散。因此，必须在捻制工艺上采取 措施，以便消除钢丝绳中的弹性应力和残余应力，制造出机械性能较好的不松散钢丝 绳。目前国内广泛采用的有以下几种方法： 1 钢丝和绳股预变形。捻股或捻绳时，将钢丝或绳股通过变形器，使其按照一 定的曲率预先变形。这种方法简单方便，效果较好，广为采用。 2 股与钢绳校直( 后变形) 。将制好的绳股或钢绳反复弯曲矫直来消除内应力。 这种方法摩擦阻力大，要求设备有较大的牵引能力。 3 低温回火。对捻好的钢丝绳进行低温回火。这种方法多由于钢芯航空钢丝绳 的生产。 4 同向捻合绳时的股绳反向翻身。这种方法用于同向捻钢丝绳的生产。 经过处理后的钢丝绳由于消除了内应力，在承受载荷时，股绳及钢丝受力均匀； 在交变负荷的作用下不易断丝，因而可提高疲劳性能4 0 左右。 目前在我国，大多数企业采用合绳时使股预变形的方法制造不松散钢丝绳。具体 做法是在合绳机的分线盘后，压线瓦前安装一个预变形器( 又称反拨器或卡具) ，给 绳股以一定的曲率作反复方向上的弯曲，以消除绳的内应力。预变形器的基本工作原 理如图1 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 图1 2 绳股上a 点在变形器上受力状况 图1 2 中绳股上的某点a ，在通过预变形器的三个工作辊时，一方面自身绕中心 轴线做3 6 0 度的旋转，另方面在水平方向上前进一个捻距。点a 在辊1 处受一向 下的力，在辊2 处虽受一向上的力，但同时a 又旋转了1 8 0 度，所以力的方向相同。 再旋转1 8 0 度，到达辊3 ，又受一向下的力，同理，力的方向仍相同。就这样，绳股 上的每个点在经过预变形器时，都受到这种反复弯曲的力，直条状的绳股就变成了螺 旋状。 要达到理想的不松散，就必须合理设计预变形器的参数，使得经过预变形器的绳 股形成的螺旋状，正好与成品钢丝绳中的捻距螺旋状相符合。 1 3 钢丝绳张力测量的研究现状 在很多工程施工场合，钢丝绳的张力要受到运行环境的影响而进行一定的波动。 张力太大会使钢丝绳发生疲劳，加剧磨损，产生断丝，严重时还会导致钢丝绳的断裂， 发生重大生产事故。 在钢丝绳的捻制生产过程中，绕制成型前每股钢丝绳的拉力要大小相等，这样才 能保证绕制出来的钢丝绳质量合格。如果某一股钢丝绳受力太大或太小，就会使捻制 出来的钢丝绳产生变形，降低产品质量。 钢丝绳的受力分析一直是工程中的一个关键问题卜”。在钢丝绳张力的实测技术 方面，国内不少人也曾先后做过一些研究和测试【弘1 0 1 ，但多数是采用在被测钢索中串 入测力计或测力传感器的方法进行的。这种方法一般无法满足现场检测的要求。特别 华中科技大学硕士学位论文 是对于一些无法完全卸载或是处于运动中的承载钢丝绳，这种测量方法更是无法采 用。国外有不少专家学者和工程技术人员进行过钢丝绳检测的研究，也取得了不少的 成果，但大部分都集中在钢丝绳的缺陷检测方面，如钢丝绳的疲劳 1 1 1 2 】、断丝【1 3 - 1 4 ) 和直径变化1 5 6 1 等。这其中有些研究还与计算机技术相结合，制作出了相应的软件 17 1 8 】。 目前钢丝绳张力的检测方法大体说来有如下几种方法： 1 振波法 振波法是利用振动波的传播理论，通过测量出钢丝绳振动波的传播周期从而达到 测量钢丝绳张力的目的。这种方法虽然简单方便，但测量误差较大，并不能满足测量 精度的要求。 2 直接测量法 直接测量法是在钢丝绳上安装测力传感器，通过函数记录仪将测力传感器的受力 状态等信息记录下来，通过分析便可得知钢丝绳的张力大小情况。利用这种方法既可 以测量钢丝绳上的静态张力，也可以测量运行过程中的动态张力情况，而且测量精度 比较高，所以可以满足张力检测精度和实时性等要求。 3 间接测量法 间接测量法是在钢丝绳的侧面某一固定位置安装一个张力测试装置，记录仪器记 录测量数据，经过分析处理便可得到钢丝绳在静态状况下的张力及其变化规律。这种 方法大多用于钢丝绳静态张力的测量，对于动态检测结果不太理想。 1 4 单片机控制技术 1 4 1 单片机和嵌入式系统 单片机全称是单片微型计算机( s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) 。它是在一块芯片 上集成了中央处理器( c p u ) 、只读存储器( r o m ) 、输入输出接口、可编程定时器 记数器等，有的甚至包含a f t 3 转换芯片。可以说，一块单片机芯片，就相当于台 华中科技大学硕士学位论文 微型计算机。 1 9 7 4 年1 2 月美国仙童( f a i r c h i l d ) 公司第一个推出8 位单片机f 8 。单片机的出 现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，它使计算机从海量数值计算进入到 智能化控制领域。它标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两 大分支。 长期以来，电子计算机技术都是沿满足海量高速数值计算要求的道路发展的，然 而在工业控制领域却对计算机技术的发展提出了完全不同的要求： 1 对象控制。面向物理量传感变换的信号输入；面对人机交互的操作控制；面 对对象的伺服驱动控制。 2 嵌入到工控应用系统中的结构形态。 3 能在工业现场环境中可靠运行。 4 突出控制功能。对外部信息及时捕捉：对控制对象能灵活地实时控制；有突 出控制功能的指令系统，如i o 口控制、位操作、丰富的转移指令等。 我们把能满足上述要求，面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入 式应用的计算机称为嵌入式计算机系统，简称为嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 。与 通用计算机系统不同，嵌入式系统最显著的特点是面对工控领域的测控对象。其中的 测量对象都是一些物理参量，如力、热、速度、加速度、位移等，控制对象都是一些 机械参量。这些参量要求系统采集、处理、控制的速度是有限的，而控制方式和控制 能力的要求是无限的。而嵌入式计算机系统可以较好的满足这些要求。 作为嵌入式系统的典型代表，单片机具有体积小、可靠性高、控制功能强、使用 方便、性能价格比高、容易产品化等优点，因而可以广泛地嵌入到诸如玩具、家用电 器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子 系统、舰船、个人信息终端及通信成品中，应用与国民经济的各个领域，成为现代电 子系统中最重要的智能化工具。 1 4 2m c s - - 5 1 系列单片机 m c s - - 5 1 单片机是i n t e l 公司生产的单片机的一个系列，相应的还有m c s 4 8 系 华中科技大学硕士学位论文 列和m c s - - 9 6 系列单片机。m c s - - 4 8 和m c s - - 5 1 是8 位单片机，而前者属于低档 机型，m c s - - 9 6 是1 6 位单片机，是高档的单片机。m c s - - 5 1 是现在使用最多的机 型，i n t e l 公司将m c s - - 5 1 系列单片机实现技术开发政策后，许多公司，如p h i l i p s 、 d a l l a s 、s i e m e n s 、a t m e l 、华邦、l g 等都以m c s - - 5 1 中的基础结构8 0 5 1 为基核推 出了许多各具特色、性能优异的单片机。这样，把所有厂家以8 0 5 1 为基核推出的各 种型号的8 0 5 1 兼容型单片机统称为8 0 5 1 系列【1 9 2 ”。 8 0 5 1 是经典的单片机系列，具有典型的单片机结构体系，有专门设计的c p u 系 统，典型的c p u 外围、外围功能单元和归一化的i o 接1 ：3 。其基础结构如图1 3 所示。 1 4 3 单片机应用系统结构 单片机是典型的嵌入式系统，只能作为嵌入式应用，即嵌入到对象环境、结构、 p op 1p 2 p 3 图1 38 0 5 1 系列单片机的基本组成结构 体系中作为其中的一个智能化控制单元，如洗衣机、电视机、v c d 等家用电器，打 印机、复印机、通信设备、智能仪表等。构成各种嵌入式应用的电路系统，统称为单 片机应用系统，其中包括了满足对象要求的全部硬件电路和应用软件。 单片机应用系统结构通常包括三个层次，即单片机、单片机系统、单片机应用系 辫j 卤孚圜甲西 一岢一 华中科技大学硕士学位论文 统【2 2 ，见图1 4 。 前向通道 人机 接口 图1 4 单片机应用系统的三个层次结构 1 单片机 通常是应用系统的主机，也就是系统中的单片机芯片。 2 单片机系统 按照所选择的单片机，以及单片机的技术要求和嵌入式对象对单片机的资源要求 构成单片机系统，只包括单片机以及单片机运行所需要的最基本的时钟电路、复位电 路即存储系统的称为单片机最小系统。 3 单片机应用系统 单片机应用系统是满足嵌入式对象要求的全部电路系统。它在单片机系统的基础 上配置了面向对象的接口电路，这些电路有： ( 1 ) 前向通道接口电路。这是应用系统中检测对象的信号输入接口。通常是各种 物理量的传感器、变换器输入通道。输出信号的类型有小信号模拟电压、大信号模拟 电压、开关信号、数字脉冲信号等，对应的接口电路有信号调理器、模拟，数字转化 器a d c 、开关输入、频率测量接口等。 ( 2 ) 后向通道接口电路。这是应用系统向控制对象的输出接口。常见的有数字 模拟转换器d a c 、开关输出、功率驱动等接1 3 电路。 ( 3 ) 人机交互通道接口电路。用于满足应用系统人机交互的需要，常见的有键盘、 l e d l c d 显示器、打印机等输入输出接口电路。 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 串行通信接口电路。串行通信一般用于远程数据通信或构成多机网络系统的 接口，如标准的r s 2 3 2 c 、r s 4 2 2 4 8 5 以及现场总线c a nb u s 等。 随着单片机技术的发展，功能的增强，集成度的提高，系统集成技术的应用，单 片机会逐渐向外层扩展。最明显的是单片机资源的扩展，外围接口电路进入片内，最 终向单片应用系统集成发展。 当然，除了硬件电路外，还应包括嵌入系统的应用程序。这样才能构成一个完整 的，可以正常运行的单片机应用系统。 1 4 4 单片机应用系统开发过程 设计一个单片机应用系统，必须要进行软、硬件开发。开发过程除了产品立项后 的方案论证、总体设计外，主要有硬件系统的设计和调试、应用程序设计、仿真调试 和系统脱机运行检查四大部分。 1 硬件系统的设计和调试 包括系统电路的设计、p c b 板的绘制。在硬件电路板制作完毕后，应使用相应 的测试软件对硬件系统进行测试，测试合格后，硬件系统设计、调试完成。 针对不同的硬件电路，要选择合适的测试子程序，在仿真调试环境下进行。 2 应用程序设计 按照任务模块划分的应用程序设计中，无论是出模块程序，还是子程序都要在编 辑软件和汇编软件的支持下，先编写出源程序，再对源程序进行汇编，通过汇编来检 查源程序中的编写错误。只有通过了汇编，没有程序编写错误才能进入仿真调试。 3 应用程序的仿真调试 在硬件系统测试合格，应用程序也通过了汇编检查的情况下，就可以进行仿真调 试了。仿真调试是在开发装置在线仿真环境下进行的。汇编后的应用程序形成一个可 执行的目标文件下载到仿真器上，系统在仿真器的支持下，对应用程序进行调试。在 调试过程中不断修改和完善。 4 系统脱机运行检查 华中科技大学硕士学位论文 系统应用程序调试合格后，利用编程器把应用程序固化到单片机的程序存储器 中，然后将应用系统脱离仿真器进行上电运行检查。由于单片机实际运行环境和仿真 调试环境的差异，即使仿真调试合格，脱机运行时也可能出错。这时应当进行全面检 查，针对可能出现的问题，修改软件，硬件，必要时还得修改总体设计方案。 1 5 主要研究内容 本文采用直接测量法，通过与单片机控制技术的结合，设计出一套自动化的钢丝 绳张力检测系统，能够实现张力的标定，检测，结果显示和异常报警等操作。系统的 自动化程度较高，安装、调试都很方便，可以应用于各种钢丝绳张力检测领域。系统 主要由硬件电路和软件程序组成。 1 5 1 硬件电路 硬件电路由传感器、惠斯顿电桥、选路开关，信号放大模块、a d 转换模块、单 片机处理模块、显示及报警七大模块组成。具体描述如下 1 传感器用于对系统待测物理量的提取即测量信号的产生。采用应变式传感器， 它通过电阻应变片把钢丝绳张力的力学信号转换成对应的应变信号【2 3 1 。 2 电桥电路的作用是把非电的物理量转变成模拟电量( 电流、电压) ，它把传感 器产生的应变信号转换成模拟电压信号输出，不过输出的电压信号非常微弱，如电阻 应变片的输出电压变化一般只有几个毫伏，所以还不能直接进行分析处理。 3 选路开关是用来分时选通某个来自多个输入通道的信号，这样，多路开关后 面的信号处理电路只需要一套就可以了。本系统中多路开关用来从六路传感器信号中 选择一路送入后续电路进行处理，由单片机来控制选路开关的通与断。 4 信号放大电路的作用是放大和缓冲输入信号。是把前面一级送过来的微弱的 毫伏级的小电压信号进行放大处理，使之转换到后面一级a d 转换芯片所要求的输 入范围。 华中科技大学硕士学位论文 5 由于测量信号是连续的模拟信号，而单片机所能处理的只能上离散的数字信 号，所以必须从前级电路产生的模拟信号中提取一部分信息转换成对应的数字量，然 后再送入单片机进行处理。但是要求这部分量能够反映出所需要的信息。a d 转换电 路就是实现模拟信号到成数字信号的转换功能，以方便单片机进行分析和数据处理。 6 单片机处理模块是整个系统的核心模块，它通过单片机程序实现相应控制和 数据处理及数据显示功能。它能够控制选路开关的断开与闭合，能够把从前面a d 转换电路过来的数字电压信号进行相应的分析处理，得出与之相对应的力的大小，还 能够把数据进行串行输出，并在下一级的显示模块把力的大小显示出来。 7 显示及报警电路是用于人机交互的，其功能是把单片机串行输出的表示力的 大小的数据用七段l e d 数码管显示出来，并在力的大小超出预先设定的范围时用峰 鸣器进行报警。 】5 2 软件程序 系统采用单片机控制。单片机采用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 芯片，用m c s 5 1 单 片机汇编语言编写程序主要完成单片机对多路模拟开关的选通控制，对a d 转换 器的模数转换，对a d 转换器输出信号的分析处理，对显示电路的数据输出和显 示控制等任务。 华中科技大学硕士学位论文 2 钢丝绳张力测量基本原理与传感器的研制 2 1 三点弯曲测力原理 本章采用三点弯曲法的原理【2 4 】，通过使用二次测定法消除了传感器结构、重量 和钢丝绳抗弯刚度、自重以及支座位置等因素对测力信号的影响，导出了对钢丝张力 的计算公式。使得测定结果更加真实地反映了钢丝绳张力的实际值。 张力测定器是根据“三点弯曲法”的原理设计而成的，将钢丝张力测定器上的三 点与钢丝被测表面接触，强迫钢丝产生类似于三点弯曲的局部变形，见图2 1 。该测 定器可以在不释放钢丝张力的情况下，夹持于承载钢丝的任何位置，测出钢丝的张力。 在图2 1 中，c 轮相对于a 、b 两轮向下压紧的过程中，产生位移信号6 和压紧力信 号p 。在不考虑测定器滚轮对夹持段钢丝产生局部弯矩的情况下，张力t 的近似计算 式为： 丁：旦( 2 1 ) 4 5 式中的p 是钢丝对测力滚轮的反作用力，该力可以由测力器滚轮c 所在的简支梁 上的弹性敏感元件电阻应变片的应变e 测出。6 为测力滚轮与两支承滚轮作用下对支 持段钢丝产生的相对位移，大小可由定位套筒或位移传感器测得。 图2 1 三点弯曲测力器的原理 在实际的张力测量过程中，由于钢丝在a 、b 、c 三个滚轮处产生了弯曲变形，因 华中科技大学硕士学位论文 而必须要考虑钢丝截面抗弯能力的影响，这就不能直接用( 2 - 1 ) 式进行计算了。 图2 2 为测力器张力测定示意图。为简化计算，假定钢丝两端支座处在相同高度 上。取测定器分析，设自重为w ，由对称性可得a 、b 二支承滚轮受到的约束力为： 以= 虬= 掣 ( 2 - 2 ) k 厂百主歹一d ab e a 图2 2 测力器张力测定示意图 由材料力学理论得钢丝弯曲部分的微分方程式为： 一0 2 y ：丝：一1 ( 2 3 ) a ) c 2e i p 由图2 3 ，钢丝截面c 的弯矩为： m 。：上彤 ( 2 4 ) p c 式中e i 为钢丝的抗弯刚度，p 。为钢丝c 截面形心的曲率半径。 t 图2 3 钢丝c 点受力示意图 t 华中科技大学硕士学位论文 当测力器滚轮压紧钢丝，使e c f 段几乎完全紧贴在滚轮直径上时，c 截面形心的 曲率半径为：p ，= 1 2 ( d + d ) 。因而作用在钢丝c 截面上的弯曲力矩为： m ，：三坠( 2 5 ) 。 d + d 式中d ，d 分别表示滚轮直径、钢丝直径。钢丝的抗弯刚度e i 随载荷有变化，作 为近似，认为它不变化。 从图2 2 中截取d a c 段钢丝进行分析，见图2 4 。由m 。= 0 ，得： (6+ya)+nal。+m。一言(li+j1)一iq(厶+互1)2=0r(d y m0( 2 - 6 ) ) + c 一。寻(i ) 一i ( 三1 + i ) 2 = (6 v q e e 矗口日j 】! 母 x 图2 4 钢丝受力载荷分析图 式中y a 为d e 跨钢丝在横向载荷作用下引起的钢丝a 截面的挠度，l 为测力器标距。 由图2 5 ，取m 。= 0 ，得： 耻譬+ 睾矽 q 口1 工口工口j 工皿 j r d p e 。 r e d l 、 。 一 t t 潍 曼t jl n b l 1 _ 二叫l ， 1 r l 1 f v 图2 5 钢丝受力简图 ( 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 胪7 1l - i l l ( 卜一弘一纠 s ， ( 2 6 ) 式不能直接由于张力计算。为了消除测力器和钢丝自重以及支座位置对 测量信号的影响，采用二次测定法： 即在同一张力水平下，利用同一测定器对n - - n 量点进行二次测量，分别得到两 次输出信号6 。，p 。，6 ：，p ：，然后由( 2 6 ) 式可列出下列等式： 嘲+ y a i ) + 扃+ ，一罢( + i 一弘+ 圭) 2 = 2-9yai nm 0 r l ( 占l + l 厶+ 1 一等( + 习一等( l l + 去) 2 = () 2 + 儿：) + 2 。+ 2 一p 2 。，t j l ) 一q 2 、j 1 ) 2 = (2-10t：(82n al m 01 0 ) + y 2 ) +21 + 2 一彳l 上一l 十i ) 一、_ l 。i ) 2 = ( 式中t - = t 2 _ t ，故由( 2 8 ) 式得y t = y 一又因为m 。= 丽2 e i ，m ：= 器， 而在同一张力水平下，m 。= m ：。将。：墨；墅，。2 ：墨 里代入式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) n n1 0 ) 而在同一张力水平下，m 。= m z 。将= 三l ，。2 = 二三_ ；导代入式( 2 9 ) 、( 2 一 可得： ，：芸， ( 2 1 1 ) 4 ( 4 6 2 ) 公式( 2 1 1 ) 就可以应用于钢丝静态张力的测量了。 由以匕推导可以看出，按照= 点弯曲的原理桌河f | 试钢幺幺的碥力县自 够章王珂的。 2 2 传感器概述 气 传感菇凳一个从一个系统接收功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中 的器件。因此，可以说传感器是一种能够吸收( 提取) 、转换和传送能量的器件。 传感器的组成按其定义一般是由敏感元件、变换元件和测量电路三部分组成。除 华中科技大学硕士学位论文 自源型传感器外，还需外加辅助电源。框图2 1 表示了传感器的组成 由图2 1 可知，传感器由以下几部分组成【2 5 】： 敏感元件( 预变换器)直接感受被测量( 一般为非电量) 并将其转换 为与被测量有确定关系的易变成电量( 包括电量) 的其它量的元件。 转换元件( 变换器)它能将其它物理量直接转换为有确定关系的电量 的元件。 测量电路( 变换电路)把转换元件输出的电信号变为便于处理、显示、 记录、控制的可用电信号的电路。测量电路的类型视转换元件的不同而定，经常采用 的有电桥电路和其它特殊电路，如高阻抗输入电路、脉冲电路振荡电路等。 辅助电源提供转换能量。 2 3 电阻应变式力传感器 本课题制作出电阻应变片式力传感器来测量钢丝绳的张力。 电阻应变式传感器是一种由电阻应变片( 计) 和弹性敏感元件组合起来的传感器。 将应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩、压力、 位移。加速度等各种参数作用时，弹性敏感元件将产生位移、应力和应变，则电阻应 变片将它们再转换成电阻的变化口6 喵 。然后就可以通过测量电路进一步转换成电流 华中科技大学硕士学位论文 或电压的变化，这样就可以很方便的进行测量了。虽然现在新型传感器不断出现，但 是电阻应变片式传感器仍是目前应用最广泛的传感器之一。它的主要优点如下【2 9 | ： 结构简单，使用方便，性能稳定、可靠； 易于实现检验过程自动化和多点同步测量、远距离测量和遥测： 灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量； 可以测量多种物理量； 2 4 钢丝绳张力测量传感器的研制 由于上述显著的优点，因此测量钢丝绳张力时就选用电阻应变式传感器，其几何 结构如图2 7 所示 l l il |l ll 6 固定梁 掣工作梁 ? f f 应变 abc 支座 ， f 梁 图2 7 传感器结构示意图 从图2 7 可以看出，它由一个支座和三个悬臂梁a 、b 、c 组成。其中a 和c 是 固定梁，b 是工作梁。四个电阻应变片分别对应贴在工作梁b 的上下两面，并且有导 线相连。每个悬臂梁的前面有一个凹槽，是用来夹持钢丝的。钢丝绳从a 的凹槽下 面进来，绕到b 的凹槽的上面，然后在绕到c 的凹槽下面出来。这样，当钢丝绳拉 紧时，就会对悬臂梁a 、b 、c 相接触的三个点处产生压力，使其产生一定的弯曲变 形。当b 受到压力产生变形时，贴在b 上的应变片的电阻就产生变化，产生应变e 。 传感器的测量电路是一个直流电桥电路。直流电桥的基本形式如图2 8 ： 华中科技大学硕士学位论文 d a e 图2 8 直流电桥原理图 上v 0 图中r l 、r 2 、r 3 、r 4 为电桥的桥臂电阻，负载( 可以是测量仪表或其它负载) 。 当凡一。时，电桥的输出电压v o 应为： v 。观c 去一南( 2 - 1 2 ) 当电桥平衡时，v o = 0 ，由上式可得到： r 1 r 4 = r 2 r 3( 2 1 3 ) 或 旦：堕( 2 - 1 4 ) r 2r 4 称之为电桥的平衡条件【3 0 1 。 如果图2 8 中直流电桥的四臂均为传感器，则构成全桥差动电路。若满足 a r l = 衄2 = a r 3 = a r 。，则输出电压为 v o = e a k r 1 一 ( 2 1 5 ) 电桥压力图中的四个桥臂电阻就是四个电阻应变片，它们在一起构成全桥电路， 当悬臂梁弯曲时，四个应变片两个受拉，两个受压，产生正负两种应变，使得桥臂电 阻发生变化，从而使电桥打破平衡状态，输出电压信号v o 。图2 7 的传感器的应变 华中科技大学硕士学位论文 片上有四根导线引出，两根连接电源的正负极，另外两根导线之间的电压就是输出电 压v o 。在整个电路中，这两根导线连接到多路模拟开关c d 4 0 5 1 的输入端。 2 5 传感器性能检测 传感器的性能检测方法是在传感器悬臂梁的凹槽中串入钢丝，钢丝的一端固定， 在另一端施加一定的拉力。同时把传感器的应变片的引线按图2 8 的全桥多路连接起 来，接上电源，并且把电桥的输出端接到动态应变仪上。这样，当钢丝上施加一定的 拉力时，应变片就会产生应变，通过应变仪就可以读出相应的应变大小。 图2 9 是钢丝绳张力测量传感器在张力从5 k n 变化到5 0 k n 时的标定曲线，图 2 1 0 是钢丝张力为3 0 k n 时传感器在l o 分钟内的应变输出稳定性图。 望 爨 应橐城 图2 9 传感器张力与应变的关系图 图2 1 0 传感器在1 0 分钟内的输出稳定性图。 雕 o z 苫r 崇 华中科技大学硕士学位论文 对图2 9 中的标定曲线，用最小二乘法拟合的方程为： p = 0 0 4 1 2 2 ( 21 6 ) 其相关系数为0 9 9 9 9 ，图2 9 中的试验数据点也基本上呈一条直线排列，所做的 传感器在实际检测中具有良好的线性度。另外，从图2 1 0 中可以看出，在十分钟内 所测的数据分布也基本上成一条水平线，这说明传感器的稳定性和重复性也较好。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 测控系统组成 3测控系统的设计与调试 3 1 1 计算机测控系统模拟通道 计算机测量和控制系统是一种获取外部世界信息并按照对外部世界实现控制的 设备( 器件) 组合整体，其中闭环控制系统则根据被控量的状态作出或修正控制决策。 外部世界的信息很大一部分是以连续的模拟量的形式出现的，如温度、湿度、位移、 速度等。这可以使用计算机数据采集系统来采集和记录这些量。但是数字量不是连续 的，而是离散的，而且计算机的存储空间也是有限的，所以我们只能从无限连续的模 拟量中提取一部分信息转换成对应的数字量但要求提取的这部分量能反映出所需的 信息。在数据采集系统或计算机测控系统中，完成这种信息提取工作的部分一般被称 为模拟量的输入通道。 典型的模拟量输入通道可以用图3 1 表示 多计 路 到， 算 机 模 接 拟 口 开 系 关统 图3 1 模拟量输入通道的典型结构 华中科技大学硕士学位论文 3 ，12 测控系统的基本组成结构 本测制系统是一个小型的嵌入式单片机控制系统。硬件电路由传感器、选路开关， 信号放大模块、a d 转换模块、单片机处理模块、显示及报警等部分组成。控制软件 存储在单片机内，用来控制各部分电路按照相应的时序完成相应的功能。下面对组成 该系统的硬件电路部分分别进行详细的论述。 3 2 多路模拟开关 3 2 1 模拟开关的特性 模拟开关是一种将模拟信号接通或断开的元件或电路。它实际上起一个波段开关 的作用。对于一个良好的开关，要求开关导通时，开关两端电阻很小，而断开时电阻 很大，并且希望开关速度高，对所传输的信号有良好的线性度，以减小传输失真，还 要求工作稳定性好且寿命长。 模拟开关分为机械触点式和电子式两种。机械触点式开关有干簧继电器、水银继 电器和机械振子式继电器等，它们的导通电阻很小，基本上等于零，断开电阻为无穷 大，可看作理想开关。但是机械触点式模拟开关也有很大的缺点，主要表现在开关动 作速度慢、体积较大、重量较重、触点抖动、可靠性差、使用寿命短等。因此，在现 在的计算机控制系统中已经趋于淘汰。 电子式开关有二极管、双极晶体管、场效应晶体管、光耦合器件以及集成模拟开 关等。就某些开关性能而言，电子模拟开关比不上机械触点式开关，但是它具有速度 快、控制容易、功耗较小等优点，所以已经广泛应