基于USB接口的钢绞线性能检测系统设计说明书

毕 业 设 计题 目 基于 USB 接口的 钢绞线性能检测系统设计 学 院专 业班 级学 生学 号指导教师二一 三 年 五 月二十九日- 1 -1 前言1.1 选题背景1.11 我国钢绞线试验机的现状我国钢绞线专用试验机的生产和研发已经达到较高的水平，产品类型多种多样，畅销国内外。目前，钢绞线专用试验机可以对钢绞线的多种性能进行检测，特别是一些电子电气元件的出现以及电脑控制技术的发展，使钢绞线性能被测量的更精确，但是，钢绞线试验机仍有很多可提高的地方，许多技术还需要改善。1.12 选此课题的意义随着现代预应力的技术不断发展，在高层建筑、涵洞、桥梁、核电站等大型现代化建筑结构中，钢绞线的应用越来越广泛，尤其是在预应力混凝土结构中的应用。目前国内的钢绞线预应力施工都是用生产厂家或检测单位提供的数据来进行理论计算的，并以此作为控制张拉的一种手段，因此生产厂家或检测单位如何精确有效的测定钢绞线的力学性能参数有着重要的实际意义。1.2 方案论证基于 USB 接口的钢绞线性能检测系统设计主要检测钢绞线的拉伸性能，就是钢绞线的受力与伸长量之间的关系，其设计过程可以分成两部分，机械部分设计与电路部分设计。1.2.1 设计内容用微机测量的技术，控制一定速度，对钢绞线施加一定拉力，检测拉力和变形这两路参数，通过数据的处理，计算出弹性模量、非比例应力、强度、延伸率等特征参数。主要技术指标：最大试验力： 300KN， 实时显示 000.00KN最大变形量： 10mm ， 实时显示 00.00mm横梁移动速度： 0.1-200mm/min两路传感器信号（力值由负荷传感器传递，变形由引伸计传递） ，通过放大，接入中泰公司生产的 USB7310 板卡进行 A/D 转换，然后通过 USB 接口与计算机实时处理，并在屏幕上实时显示实际测量值。整个试验过程结束后，由计算机进行分析计算，最后得出相关结果。由 USB7310 直接输出电压值，给相应的控制器去控制直流调速电机，通过同步带带动丝杠转动，直接传递给中横梁进行上下移动。- 2 -计 算 机 系 统 经 过 控 制 器 ， 经 调 速 系 统 控 制 直 流 调 速 电 机 转 动 ， 经 减 速 系 统减 速 后 通 过 精 密 丝 杠 副 带 动 移 动 横 梁 上 升 、 下 降 ， 完 成 试 样 的 拉 伸 、 压 缩 、 弯 曲 、等 多 种 力 学 性 能 试 验 ， 噪 音 低 ， 无 污 染 、 效 率 高 ， 具 有 非 常 宽 的 调 速 范 围 和 横梁 移 动 距 离 ， 另 外 配 置 种 类 繁 多 的 试 验 附 具 ， 在 金 属 、 非 金 属 、 复 合 材 料 及 制 品的 力 学 性 能 试 验 方 面 ， 具 有 非 常 广 阔 的 应 用 前 景 。USB7310 模入接口模块允许采用 16 路单端输入方式或 8 路双端输入方式。用户可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号。其输入的模拟信号由模块的 25 芯 D型插头直接接入。USB7310 模入接口模块主要由模拟多路开关选通电路、差分放大电路、模数转换电路、开关量输入输出电路和接口控制逻辑电路组成。(1) 模拟多路开关选通电路：模拟通道开关由 2 片 ADG508（或同类产品）及跨接器 JP3 组成，可以从 16 路单端信号或 8 路双端信号中任选一路，送入差分放大器。(2)差分放大器电路：差分放大器由 1 个运算放大器 AD620 以及相关的电阻组成一个标准的仪用差分放大器，用以对通道开关选中的模拟信号进行变换处理。(3)模数转换电路：12 位逐次逼近式 AD 转换器 ADS774 片内自带精密基准源，并经激光修调，具有较高的转换速率和转换精度，其转换时间仅为 8.5S。AD 转换器由程序启动，其转换状态的结束可由程序查询读出或产生结束中断申请。AD 转换器的模拟输入信号幅度由跨接器 JP1 选择， AD 转换后的输出代码形式由跨接器 JP2 选择，可分别输出二进制原码或双极性偏移二进制码。电位器 W1 用于单极性零点调节，W2 用于满量程增益调节,W3 用于双极性偏移调节。(4)开关量输入输出电路：本模块还提供了各 8 路的开关量输入输出信号通道。使用中需注意对这些信号的要求应严格符合 TTL 电平规范。(5) 接口电路：接口电路用来将 USB 总线控制逻辑转换成与各种操作相关的控制信号。2 .机械部分设计试验机机械部分的设计包括电机的选择，丝杠、齿轮、同步带传动的设计计算。2.1 电机的选择2.1.1 选择电机应考虑的问题（1）根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、正反转、调速等- 3 -要求，选择电动机类型。（2）负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取 0.80.9。过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验的强度和生产的机械造价提高。（3）根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃气体等考虑必要的保护方式，选择电动机的结构型式。（4）根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。（5）根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。试验机设计要求选用直流调速电机。正确选择电机相当重要，的选择主要是电机容量的选择。如果容量小了，一方面不能充分发挥机械设备的能力，使生产效率降低；另一方面电机经常在过载下运行，则会使其过早损坏，同时还可能出现启动困难，经受不起冲击，若电动机容量选大了，则不仅使设备投资费用增大，而且由于电动机经常在过载下运行，运行效率和功率因数则下降。选择容量的基本原则：1、发热 电动机早运行时，必须保证电动机的实际最高 Qmax 等于或略小于电动机绝缘的允许最高工作温度 Qa;2、过载能力 电动机在运行时，必须保证有一定的过载能力，特别是在短期工作时，由于电动机的惯性很大，电动机在短期内承受的高于额定功率若干倍的负载功率时仍可保证 QmaxQa ，故此时，决定电动机容量的主要因素，不是发热能力而是电动机的过载能力，既所需的电动机的最大转矩 Tmax 或最大允许电流 Imax必须大于运行过程中可能出现的最大负载转矩 Tmax 和最大负载电流 Imax；3、启动能力 除了正确选择容量外，还需根据生产机械的要求，技术经济指标以及工作环境等条件来正确选择电动机种类、电压、转速、电动机的结构形式。- 4 -2.1.2 定传动路线 电机 横 梁丝 杠大 锥 齿 轮小 锥 齿 轮同 步 带 2.1.3 各传动部分效率 1同步带传动的效率，取 0.96； 2直齿锥齿轮传动的效率，取 0.95； 3丝杠传动的效率，取 0.6； 4轴承（滚动轴承）的效率，取 0.98；2.1.4 选用最小功率的电机W4.3698.0695.06.123p 42-4321 Fvw2.1.5 确定传动比横梁的最大移动速度是 200mm/min,丝杠的导程 =8mm,采用直流调速电机，计L0算传动比为：820iLvn传动比较大，所以采用两级降速：18453i所以，同步带轮， =18， ;锥齿轮， =18， =48。z542z122.2 丝杠的设计初步确定实验仪器最大拉力为 300KN 最大传动速度为 200mm/ min，初选丝杠的最大直径 d=60mm，最小直径 d1=54mm，螺距 P=8mm.。由于该实验仪采用双丝杠传动，所以每根丝杠所承受的最大载荷为 150KN,由于最大传动速度为 200mm/min，是低速传动，所以选定丝杠螺母副材料为中碳钢，牙型为等腰梯形，牙型角 =30。内外螺纹以锥面贴紧不易松动。与矩形螺纹相比，传动效率略低，但工艺性好，牙根- 5 -强度高，对中性好。梯形螺纹是最常用的传动螺纹。查表 5-12 滑动螺旋副材料的许用压力p及摩擦系数 f 得，许用压力为 7.5-13MPa 取p=13MPa 摩擦系数 f 为0.11-0.17 取 f=0.11。滚珠丝杠选用之后, 不能盲目的进行安装使用,否则会出现一些意想不到的事故和现象。因此, 为保证机床安装调试后能正常运转和工作, 必须对滚珠丝杠进行一系列的校核和验算2.2.1 自锁性校核5.607.3285.6230cos1.coscosartgdPrt artgfrtfrtv满足了自锁性的要求2.2.2 丝杠螺纹的强度校核查材料手册得，滑动螺母副材料的许用应力=225Mpa。丝杠的强度校核公式为：33222 Tca WAF式中：丝杠的抗扭截面系数； ，单位是 ；TW163dTm3丝杠的小径，单位是 ；1dm丝杠的危险截面 面积 ； ，单位是A214dA2F丝杠所受的轴向压力（或拉力） ，单位为 N；T丝杠所受的最大扭矩， ， 单位是 Nmm。)(2FtgTv222113.804md37.96WTmNtgdFtgv 12.9852.6)5.(502)(3- 6 -MPaTcaWAF25187.03370.9128222满足强度要求2.2.3 丝杠耐磨性校核 校核公式：22phHdFPuAp式中 F丝杠的轴向力（单位为 N）;A丝杠工作面积（单位为 ） ；2mH丝杠螺母副高度（单位为 mm） ，H=49mmP丝杠螺纹螺距（单位为 mm） ，P=8mm；d2丝杠螺纹中径（单位为 mm） ；h丝杠螺纹工作高度（单位为 mm） ，h=3.5mm； MPapaHdFp 1389.45.3602 满足耐磨性。2.2.4 丝杠螺母副纹牙的强度校核纹牙多发生剪切和挤压破坏，一般螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹牙的强度，螺纹牙的危险截面在牙根部。螺纹牙的弯曲强度校核公式为：62bbuDFl螺纹牙的剪切强度校核公式为：式中：b丝杠螺母副螺纹牙根部的厚度，单位为 mm，b=0.65P=4.55mm;l弯曲离臂，单位为 mm，l=(D-D2)/2;- 7 -滑动丝杠螺母副的许用弯曲应力，单位为 Mpa，查表 5-13 得，b= =225Mpa。滑动丝杠螺母副的许用剪切应力,单位为 Mpa,查表 5-13 得，=0.6=135Mpa；弯曲强度校核: MPauDbFl 2541.75.40622 满足要求。剪切强度校核：PabuF135246.75.40满足要求。2.2.5 键的选择选择圆头平键，即：键 6 x 36 GB 109679.平键联接强度校核计算计算公式为： 1023ppkldT式中：T传递的扭矩(T=F x y=F x d/2),单位为 Nmm；k键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处 h 为键的高度，单位为mm；l键的工作长度，单位为 mm，圆头平键 l=L-b=36-6=30mm，这里 L 为键的公称长度，单位为 mm,b 为键的宽度，单位为 mm；d轴的直径，单位为 mm；p键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用压力，单位为 Mpa.查表 6-2得， p=120Mpa。 MPakldTp 12039.1023.9851023 满足键连接强度要求。2.2.6 丝杠螺母副的选择- 8 -整体螺母结构简单，但由磨损而产生的轴向间隙不能补偿，只适合在精度要求较低的螺旋中使用。对于经常双向传动的传导螺旋，为了消除轴向间隙和补偿旋合螺纹的的磨损，避免反向传导时的空行程，常采用组合螺母或剖分螺母，本试验系统要求精度比较高，且需要双向传导，所以丝杠螺母副采用剖分螺母。2.2.7 轴承选择 采用推力球轴承 51206 GB/T 301-95 和深沟球轴承 6006 GB/T 276-94 配合使用。2.3 齿轮设计2.3.1 齿轮选型1）本次试验机选用直齿锥齿轮2）由于转速不高，故选用 7 级精度(GB 1009588)。3）材料选择。由表 401 选得大、小齿轮的材料均为 40Cr，并经调质及表面淬火，齿面硬度为 4855HRC。4）选小齿轮齿数 z1=18,大齿轮齿数为 z2=uz1=8/3 x 18=48.2.3.2 按齿面接触疲劳强度设计3221 5.019. uKTZdRHEt 1）确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数 Kt=1（2）计算小齿轮传递的转矩T2=T3/i=92825.112 x 3/7=39782.191Nmm（3）选取齿宽系数 R=1/3（4）由表 106 查得材料的弹性影响系数 ZE=189.8 21MPa（5）由图 1021d 按齿面硬度查得大、小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1=Hlim2=1100Mpa（6）由式 1013 计算应力循环次数- 9 -77127105.23/0.6/ .6iNjLnh（7）由图 1019 查得接触疲劳寿命系数KHN1=0.98;KHN2=1.04（8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为，安全系数 S=1，由式（1012）得MPasKhHN107898.01lim1 42li22）计算（1）试算小齿轮分度圆直径 d1t,代入H中较小的值 muKTZdRHEt 450.38715.039821078.92.5.0192. 323221 （2）计算圆周速度 v smndvt /4.71064.38106（3）计算齿宽b=Rd1t=1/3 x 38.450=12.817mm（4）计算齿宽与齿高之比 b/h模数mt=d1t/z1=38.450/18=2.136mm齿高h=2.2mt=2.2 x 2.136=4.699mmb/h=12.817/4.699=2.728（5）计算载荷系数根据 v=0.134m/s,7 级精度，由图 108 查得动载系数 Kv=1.04；由表103 得 KH=KF=1.1；查表 102 得 KA=1.0；从表 104 中的硬齿面齿轮查得齿轮相对支承悬臂、6 级精度。KH=1.34 时， bKRH 32106.)7.61(2.05所以，- 10 -102. 817.2016.)3(17.65(. 322 bKRH考虑齿轮为 7 级精度，取 KH=1.11，由 b/h=2.728, KH=1.11，查图 1013 得 KF=1.106K = KAKvKHKH=1.0 x 1.04 x 1.1 x 1.11=1.230（6）载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式 10-10a 得mtdt 197.4/230.145.8/31 （7）计算模数 mm=d1/z1=41.197/18=2.289 mm2.3.2 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为：321)5.01(4FSaRYuzKT1）确定公式内的各计算公式（1）由图 1020d 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=FE2=620Mpa；（2）由图 1018 查得弯曲疲劳寿命系数KFN1=1.0 ，KFN2=1.03；（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式 1012 得MPaSKFENF 857.42.160113322（4）计算载荷系数 KK= K AKv KFK F=1.0 x 1.04 x 1.1 x 1.106=1.265（5）查取齿形系数齿轮的当量齿数为： 583.194coscos211 artgzartgzv 62.01812 ttv由表 105 查得 YFa1=2.80, YFa2=2.17（6）查取应力校正系数- 11 -由表 105 查得 YSa1=1.55, YSa2=1.80（7）计算大、小齿轮的 并加以比较FSaY098.57.42181FSaY6.3.62FSa小齿轮的数值大。2）设计计算mYuzKTFSaR180.2098.1)37(18)5.(39.264).0(32对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 小于齿根弯曲疲劳强度计算的模数，所以，取齿根弯曲疲劳强度计算的模数 m=2.18,圆整为标准值m=3mm。2.3.4 几何尺寸计算（1）计算分度圆直径d1=z1m=18 x 3=54 mmd2=z2m=48 x 3=144 mm（2）计算齿轮宽b=Rd1=1/3 x 54=18 mm圆整后取b=20 mm以上所查表及图均查自机械设计课本。2.4 同步带传动设计计算为防止发生皮带打滑现象，本试验仪器的带传动采用同步带传动。带轮转速：n 2=200/7 x 7/3=66.667r/min,减速比 i=2/5；小带轮转速：n= n 2 /i=66.667 x 5/2=166.667r/min,电机转矩为：Tn=T x 3/7 x 2/5=92825.112 x 3/7 x 2/5=15912.876Nmm传递功率：P=Tn/9550=15912.876 x 166.667 / 9550=277.712W。- 12 -2.4.1 功率设计Pc=KgP Kg工作情况系数，查机械设计手册第二版上册表 10-26 可得 KA=1.0所以 P c=1.0277.712=277.712(W)2.4.2 模数 m查机械设计手册第二版上册图 10-10，确定同步带轮的模数为 m=2.5。2.4.3 同步带轮齿数 之前的传动比计算时已经确定，Z 1 =18, Z2 =542.4.4 带轮园直径d1=m Z1 =2.5 x 18=45mm，d 2 =mZ2 =2.5 x 54=135mm2.4.5 带速smnv /39.01607.45601 2.4.6 初定中心距 a0要满足 0.7(d1+d2) 2(d1+d2)0.7(d1+d2)=0.7(45+135)=126mm2(d1+d2)=2(45+135)=360mm初定 =350（ mm）0a2.4.7 初定带的节线长度 及齿数L002121042adda= 35532= 988.529mm2.4.8 实际中心距 a536.4029.86.109352a0 opL- 13 -2.4.9 小带轮啮合齿数34.81)56.40321()621( zadzn2.4.10 单位带宽的离心拉力,查机械设计手册第二版第上册表 1029 得，q=3.0kg/mm,2qvFc所以， mNc /461.0392.2.4.11 带宽 b)(CPizcFvK式中 KZ小带轮啮合齿数系数，取 KZ =1.00Ki传动比系数，查机械设计手册第二版第上册表 1028 得，Ki=0.90；Fp单位宽度的许用拉力，查机械设计手册第二版第上册表 1029 得，Fp=20 x 10N/m。mvKPbCizc 4.390.)461.02(39.0.171)( 3取 b= 40mm2.4.12 作用在轴上的力 QQ=Pc/v=277.712/0.392=708.449N- 14 -3 电路部分设计3.1 传感器的选择传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节。在测试系统中，被作为一次仪表定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态的信息，并将其转换成另一形态的信息。 具体地说传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置。如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息（或转换可靠的数据） ，不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。 、在 现 代 工 业 生 产 尤 其 是 自 动 化 生 产 过 程 中 ， 要 用 各 种 传 感 器 来 监 视 和 控 制 生产 过 程 中 的 各 个 参 数 ， 使 设 备 工 作 在 正 常 状 态 或 最 佳 状 态 ， 并 使 产 品 达 到 最 好 的质 量 。 因 此 可 以 说 ， 没 有 众 多 的 优 良 的 传 感 器 ， 现 代 化 生 产 也 就 失 去 了 基 础 。 在 基 础 学 科 研 究 中 ， 传 感 器 更 具 有 突 出 的 地 位 。 现 代 科 学 技 术 的 发 展 ， 进 入了 许 多 新 领 域 ： 例 如 在 宏 观 上 要 观 察 上 千 光 年 的 茫 茫 宇 宙 ， 微 观 上 要 观 察 小 到 nm 的 粒 子 世 界 ， 纵 向 上 要 观 察 长 达 数 十 万 年 的 天 体 演 化 ， 短 到 s 的 瞬 间 反 应 。此 外 ， 还 出 现 了 对 深 化 物 质 认 识 、 开 拓 新 能 源 、 新 材 料 等 具 有 重 要 作 用 的 各 种极 端 技 术 研 究 ， 如 超 高 温 、 超 低 温 、 超 高 压 、 超 高 真 空 、 超 强 磁 场 、 超 弱 磁 砀 等等 。 显 然 ， 要 获 取 大 量 人 类 感 官 无 法 直 接 获 取 的 信 息 ， 没 有 相 适 应 的 传 感 器 是 不可 能 的 。 许 多 基 础 科 学 研 究 的 障 碍 ， 首 先 就 在 于 对 象 信 息 的 获 取 存 在 困 难 ， 而 一些 新 机 理 和 高 灵 敏 度 的 检 测 传 感 器 的 出 现 ， 往 往 会 导 致 该 领 域 内 的 突 破 。 一 些 传感 器 的 发 展 ， 往 往 是 一 些 边 缘 学 科 开 发 的 先 驱 。 传 感 器 早 已 渗 透 到 诸 如 工 业 生 产 、 宇 宙 开 发 、 海 洋 探 测 、 环 境 保 护 、 资 源 调查 、 医 学 诊 断 、 生 物 工 程 、 甚 至 文 物 保 护 等 等 极 其 之 泛 的 领 域 。 可 以 毫 不 夸 张 地说 ， 从 茫 茫 的 太 空 ， 到 浩 瀚 的 海 洋 ， 以 至 各 种 复 杂 的 工 程 系 统 ， 几 乎 每 一 个 现 代化 项 目 ， 都 离 不 开 各 种 各 样 的 传 感 器 。 由 此 可 见 ， 传 感 器 技 术 在 发 展 经 济 、 推 动 社 会 进 步 方 面 的 重 要 作 用 ， 是 十分 明 显 的 。 世 界 各 国 都 十 分 重 视 这 一 领 域 的 发 展 。 相 信 不 久 的 将 来 ， 传 感 器 技 术将 会 出 现 一 个 飞 跃 ， 达 到 与 其 重 要 地 位 相 称 的 新 水 平 。本 次 试 验 机 选 用 负 荷 传 感 器 ， 负 荷 传 感 器 是 传 感 器 的 一 种 ， 在 力 的 测 量 ， 传递 ， 校 准 和 称 重 技 术 中 有 着 广 泛 的 应 用 。 例 如 ， 在 国 内 外 的 各 种 力 标 准 机 的 力- 15 -值 对 比 中 用 负 荷 传 感 器 可 以 使 比 对 精 度 由 提 高 到 量 级 。 因 此 ， 稳 定 性104-5-高 ， 糯 变 小 的 负 荷 传 感 器 已 成 为 力 值 传 递 不 可 缺 少 的 手 段 。 同 样 ， 在 各 种 称 量技 术 中 也 大 量 的 使 用 负 荷 传 感 器 。 例 如 ： 导 弹 ， 卫 星 ， 火 箭 的 称 重 ， 飞 机 ， 火 车 ，汽 车 的 称 重 ， 钢 铁 ， 矿 石 ， 煤 炭 的 称 重 ， 各 种 工 业 原 料 ， 材 料 ， 成 品 的 称 重 ， 各种 农 副 产 品 ， 粮 食 ， 石 油 ， 蔬 菜 ， 水 果 等 物 体 的 称 重 ， 所 有 这 些 称 重 正 在 与 日 俱增 的 采 用 负 荷 传 感 器 ， 以 便 提 高 精 度 ， 实 现 自 动 测 量 ， 显 示 与 控 制 ， 因 此 可 以 说 ，在 整 个 测 力 与 称 量 技 术 中 ， 负 荷 传 感 器 几 乎 涉 及 到 它 的 每 一 个 部 门 。一 应 变 式 负 荷 传 感 器利 用 应 变 的 变 化 进 行 负 荷 测 量 的 传 感 器 。 目 前 这 种 传 感 器 占 负 荷 传 感 器 95%以上 ， 因 此 是 我 们 校 准 的 重 点 ， 应 变 式 传 感 器 和 其 他 类 型 的 传 感 器 相 比 有 以 下 特 点 ：（ 1） 测 量 范 围 广 目 前 测 力 范 围 已 达 0.05N N;17（ 2） 测 量 精 度 高 单 项 指 标 已 达 量 级 ；6-（ 3） 性 能 稳 定 工 作 可 靠 ；（ 4） 适 应 性 好 能 在 各 种 环 境 条 件 下 工 作 。 这 类 传 感 器 可 在 大 加 速 度和 振 动 条 件 下 工 作 ， 只 要 进 行 适 当 的 结 构 设 计 及 选 用 合 适 的 材 料 ， 应 变 式 负 荷 传感 器 能 在 高 低 温 ， 强 腐 蚀 及 辐 射 等 条 件 下 可 靠 的 工 作 。二 压 电 式 负 荷 传 感 器压 电 效 应 某 些 电 介 质 物 质 ， 在 沿 一 定 方 向 受 到 外 力 的 作 用 而 变 形 时 ， 内 部会 产 生 极 化 现 象 ， 同 时 在 其 表 面 上 产 生 电 荷 ， 当 外 力 去 掉 后 ， 又 重 新 回 到 不 带 电的 状 态 。 这 种 将 机 械 能 转 变 成 电 能 的 现 象 ， 称 为 “顺 压 电 效 应 ”。 相 反 ， 在 电介 质 的 极 化 方 向 上 施 加 电 场 ， 他 会 产 生 机 械 变 形 。 这 种 将 电 能 转 换 成 机 械 能 的 现象 称 为 “逆 压 电 小 型 ”。 具 有 压 电 效 应 的 电 介 质 称 为 压 电 材 料 。 在 自 然 界 中 ， 石英 等 几 十 种 晶 体 的 压 电 效 应 比 较 强 ， 可 使 用 与 实 际 测 量 中 。 压 电 式 传 感 器 的 测 量见 图 ：- 16 -压 电 式 传 感 器 的 信 号 较 小 ， 内 阻 抗 相 当 高 ， 因 此 ， 要 求 用 低 噪 声 的 电 缆 线 传输 信 号 ， 电 荷 放 大 器 的 输 入 阻 抗 要 足 够 高 。 测 量 仪 器 一 般 用 峰 值 电 压 表 或 峰 值 指示 器 。压 电 式 传 感 器 的 特 点 ： 固 有 频 率 高 （ 3060KHZ） ， 上 升 时 间 短 （ 720us） ;频 率 特 性 好 ， 能 测 量 从 准 静 态 力 到 疲 劳 力 ， 冲 击 力 等 高 速 动 态 力 。 此 外 ， 这 种 传感 器 还 具 有 结 构 坚 持 ， 体 积 小 ， 质 量 轻 ， 使 用 寿 命 长 等 优 点 。3.2 引 伸 计引伸计（extensometer) 是测量构件及其他物体两点之间线变形的一种仪器，通常由传感器、放大器和记录器三部分组成。传感器直接和被测构件接触。构件上被测的两点之间的距离 kg2kg2 为标距,标距的变化 kg1kg2(伸长或缩短)为线变形。构件变形，传感器随着变形，并把这种变形转换为机械、光、电、声等信息，放大器将传感器输出的微小信号放大。记录器（或读数器）将放大后的信号直接显示或自动记录下来。引伸计是感受试件变形的传感器，应变计式的引伸计由于原理简单、安装方便，目前是广泛使用的一种类型。引伸计按测量对象，可分为轴向引伸计、横向引伸计、夹式引伸计。径向引伸计：用于检测标准试件径向收缩变形，它与轴向引伸计配合用来测定泊松比 ，它将径向变形(或横向某一方向的变形)变换成电量，再通过二次仪表测量、记录或控制另一设备。夹式引伸计： 用于检测裂纹张开位移。夹式引伸计是断裂力学实验中最常用的仪器之一，它较多用在测定材料断裂韧性实验中。 精度高，安装方便、操作简单。试件断裂时引伸计能自动脱离试件，适合静、动变形测量。一、引伸计结构及工作原理 ：- 17 -应变片、变形传递杆、弹性元件、限位标距杆、刀刃和夹紧弹簧等。测量变形时, 将引伸计装卡于试件上, 刀刃与试件接触而感受两刀刃间距内的伸长,通过变形杆使弹性元件产生应变, 应变片将其转换为电阻变化量, 再用适当的测量放大电路转换为电压信号。二、引伸计规格：距两刀口初始间距量程最大伸长量WDW-100 引伸计：标距50mm,量程10mm(20%)CSS-2210 引伸计：标距50mm,量程5mm(10%) 三、引伸计使用方法1、对于 WDW100 配引伸计，首先将标距卡插入到限位杆和变形传递杆之间；对于CSS2210 配引伸计，首先将定位销插入定位孔内；2、用两个手指夹住引伸计上下端部，将上下刀口中点接触试件（试件测量部位），用弹簧卡或皮筋分别将引伸计的上下刀口固定在试件上；3、对于 WDW100 配引伸计：取下标距卡；对于 CSS2210 配引伸计：取下定位销；（切记：实验前必须检查，以免造成引伸计损坏）4、在试验机控制软件实验条件选择界面，对于 WDW100 选择变形测量方式：引伸计；对于 CSS2210 选择曲线跟踪方式是载荷变形曲线；5、引伸计信号显示调零；6、根据测量变形的大小选择放大器衰减档。 CSS2210 引伸计安装前后3.3 USB7310USB7310 模入接口模块适用于提供了 USB 接口的 PC 系列微机，具有真正的热插拔、即插即用（PnP）功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高稳定性的 Unix 等多种操作系统以及专业数据采集分析系统 LabVIEW 等软件环境。在硬件的安装上非常简单，使用时只需将 USB7310 的 USB 接口插入计算机内任何一个USB 接口插座中，信号电缆从模块提供的接口直接接入。USB7310 模入接口模块允许采用 16 路单端输入方式或 8 路双端输入方式。用户可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号。其输入的模拟信号由模块的 25- 18 -芯 D 型插头直接接入。3.3.1 工作原理USB7310 模入接口模块主要由模拟多路开关选通电路、差分放大电路、模数转换电路、开关量输入输出电路和接口控制逻辑电路组成。1 模拟多路开关选通电路：模拟通道开关由 2 片 ADG508（或同类产品）及跨接器 JP3 组成，可以从 16 路单端信号或 8 路双端信号中任选一路，送入差分放大器。2 差分放大器电路：差分放大器由 1 个运算放大器 AD620 以及相关的电阻组成一个标准的仪用差分放大器，用以对通道开关选中的模拟信号进行变换处理。3 模数转换电路：12 位逐次逼近式 AD 转换器 ADS774 片内自带精密基准源，并经激光修调，具有较高的转换速率和转换精度，其转换时间仅为 8.5S。AD 转换器由程序启动，其转换状态的结束可由程序查询读出或产生结束中断申请。AD 转换器的模拟输入信号幅度由跨接器 JP1 选择， AD 转换后的输出代码形式由跨接器 JP2 选择，可分别输出二进制原码或双极性偏移二进制码。电位器 W1 用于单极性零点调节，W2 用于满量程增益调节,W3 用于双极性偏移调节。4 开关量输入输出电路：本模块还提供了各 8 路的开关量输入输出信号通道。使用中需注意对这些信号的要求应严格符合 TTL 电平规范。5 接口电路：接口电路用来将 USB 总线控制逻辑转换成与各种操作相关的控制信号。3.3.2 主要技术指标 1 USB 指标1.1 处理器芯片： AN2131QC1.2 通讯方式： USB 接口1.3 通讯距离： 小于 5 米1.4 通讯协议： USB1.11.5 通讯最大速率：1M Byte / 秒 ，即 8