拉力试验机多量程位移数据采╲t开题报告.doc

机械工程学院毕业设计（论文）前期工作材料学生姓名： XXX 学号： 051001521 教 科 部： 机械电子 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目： 拉力试验机多量程位移数据采 集系统设计 指导老师： XXX 材 料 目 录序号名 称数量备注1毕业设计（论文）选题、审题表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）实习调研报告14毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）15毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）16毕业设计（论文）中期检查表1 2009年04月25日机械工程学院毕业设计（论文）选题、审题表学 院机械工程学院选 题教 师姓名XXX专 业机械设计制造及其自动化专业技术职务申报课题名称拉力试验机多量程位移数据采集系统设计课题性质课题来源ABCD课题简介设计（论文）要 求（包括应具备的条件）课题预计工作量大小大适中小课题预计难易程度难一般易所在专业审定意见：负责人（签名）：年 月 日院主管领导意见： 签名： 年 月 日机械工程学院毕业设计（论文）开题报告 学 生 姓 名： XXX 学号： * 专 业： 机械设计制造及其自动化 设计（论文）题目： 拉力试验机多量程位移数据采集系统 指 导 老 师： XXX 2009年04月25日毕业设计（论文）开题报告文 献 综 述一研究内容及意义拉力试验机是通过拉伸试验达到检测材料、零部件、构件和结构等的强度、刚度、弹性、塑性、韧性、延展性的基础试验装置。广泛应用于质量检测、计量测试及实验研究，应用领域涉及机械、冶金、建筑、航空、航天、军工、交通、运输、质检、计量、教育、医疗、科研、等各行各业，成为了工农业生产、生活及国防建设不可或缺的重要基础性试验测试设备。本课题要求学生在了解拉力试验机总体设计方案的基础上，着重研究大位移、小位移等不同量程位移的测量方案。针对不同情况选取合适的传感器及相应的测量电路，利用单片机完成数据采集并通过串行口将数据传送至上位机，由上位机完成对数据的进一步分析与处理。二国内外研究现状及发展趋势由于单片机的数据采集与控制系统相对成本较低、技术成熟，大量的中、低档拉力试验机仍在采用单片机进行数据的采集测量与拉伸控制。同时随着单片机技术的发展进步，各类采用新技术、新结构的多功能单片机不断涌现，一些新型单片机由于在片内集成了多通道高精度AD与DA等原理的单片机外围几间，其测量、控制能力越来越强大，某些新型单片机的功能已接近DSP,所以单片机作为拉力试验机的主控部件将在今后相当长的一段时间里将继续得以存在。多功能数据采集卡由于其功能强大与高昂的价格一直以来被广泛应用于各类科研与大型测量控制系统中，属于测量与控制的贵族产品，但随着技术的发展进步，多功能数据采集在其功能越来越强大的同时，其价格却越来越低廉，逐步成为了测量、控制的首选产品。由于数据采集卡具有的种种优点，所以基于多功能数据采集卡的拉力及测量控制系统也屡见报道。随着多功能数据采集卡价格的进一步降低，其在拉力试验机测量控制领域的应用将越来越广泛。今后的测控系统将是高度渗透信息技术的、具有高性价比,高集成,高智能、高可靠、微小型化,便于扩展、升级,调试和维护、操作简单,具有通用性的系统级标准化总线结构的产品。力学性能测试装置的测量控制技术历经了仪器仪表测控制技术同样的发展过程。计算机的引入和微处理器的应用,仪器仪表测量控制技术不断推进,使其性能和功能取得了重大突破。从个别电量的测量转变成测量整个系统的特征参数,从单纯的接收、显示转变为控制、分析、处理、计算与显示输出,从用单个仪器进行测量转变成用测量系统进行测量。而随着微处理器在仪器中的嵌入,仪器前面板开始朝键盘化方向发展,过去用于进行时基或幅度调节的旋转度盘,选择电压电流等量程或功能的滑动开关,通、断开关键已经消失。仪器仪表与测控技术取得重大的突破性进展,智能化程度极大提高。DSP 芯片的大量问世,使仪器仪表数字信号处理功能大大加强;微型机的发展,使仪器仪表具有更强的数据处理能力。 信息技术的高度渗透测控系统的设计广泛采用新成果、新技术。产品构成的变化。注重系统集成,注重硬件的可编程化,突出产品的柔性化。测量控制仪器大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品,不断向微小型化、智能化发展,更进一步则采用SOC 片上系统,完全将CPU 、各种接口总线、外围电路和存储器等一个复杂的专用系统或独立单元集成在一个芯片上。 传感和测量技术的不断提高传感和测量技术是测控装置实现检测和控制的基础。控制必须以检测输入的信息为依据,而系统控制状态能否达到预期的精度和效果,则取决于所感知的测量采样程度,即控制效果绝对依赖于被控对象的采集质量。近年来,由于新技术的应用,使得现代测试设备传感和测量技术指标不断提高,就力学性能测试而言,传感测量技术是受力过程中有用信息的检测,微弱信号提取放大后,经频谱分析和运算的DSP 处理技术,几乎可将无用信号和噪声完全剔除,信号提取的质量得到根本性改善,这是目前实现高频响高精度测量的有效途径和最先进手段,是力学性能测试水平提高的技术关键,也是未来测量技术高度数字化智能化发展的必然趋势。国际上几个著名力学性能测试设备的生产厂商以美国的MTS 公司和INSTRON 公司为代表,一直以来无论是在静态还是动态领域的测试系统均采用国际标准总线形式(如VME、VXI 总线) 的机箱,各种测试系统个性化需求的实现,都是通过变换和组合不同功能和性能的标准插卡来实现。综上所述,力学性能测试系统作为集合多学科技术、综合性较强的专用测试仪器,其未来的发展,是以最短的开发时间投放市场为先导;从设计开发理念上将是以技术指标不断提高与功能和性能“恰到好处”相结合,充分提高产品性能价格比,注重系统集成,注重产品设计的柔性化、微小型化和智能化;更加便于调试和维护、操作简单,可靠性不断增强,产品体系向更加多层次细化发展。从结构形式上具有通用性的系统级标准化总线结构产品将是国产力学性能测试设备的发展趋势,而这种结构也恰恰能最好的满足这种设计开发理念,能最大限度的满足快速投放市场提高产品生命力和竞争力的要求。三方案比较1.方案一：拉力试验机的微机控制主题词：计算机 STD总线 工业控制机 RS232C串行接口 力传感器 位移传感器 模/数转换器数/模转换器 绘图仪 打印机 拉力试验机硬件配置 COMPAQ-368计算机一台 时钟频率为33MHz，可扩内存4M，硬盘120M. STD总线工业控制机 STD总线工业控制机包括主机板、接口板（包括PIO和CTC）、模数转换器、数模转换器、开关量板以及放大板等,16位总线。 传感器力传感器采用GYY-1型液压传感器, 精度为：0.1。位移传感器采用电子引伸计, 精度为：0.3 。工作原理：由力传感器和位移传感器把拉伸试验过程中采集到的电信号传到STD总线工业控制机的前置放大电路, 经前置放大电路一级放大之后, 传送到模数转换器, 经过模拟量向数字量的转换, 电信号转变成数据, 同时又被二级放大, 再经由RS232C串行接口, 传入计算机, 实现计算机的自动控制。图1为工作原理图。2.方案二：拉力试验机数据采集与处理系统系统设计采用如下的总体构思： 采集数据的传感器对力的检测, 采用05t（吨）的拉压式压力传感器, 它的精度为万分之五, 灵敏度为1.5mV/V。对变形位移的检测, 采用020mm的的增量式位移传感器, 它的精度为千分之三, 灵敏度为1.25V/V。 测量的精度检测的两路信号用多路开关切换, 共用放大电路和A/D转换器。A/D转换器采用AD574,接为双极性。由于力测量范围为050000N，这么大的范围达到较高的精度存在问题，我们采用的是分段处理的方法。力的测量精度： 04000N 绝对精度：3N 系统是这样处理的，将04000N对应A/D转换器的满量程（A/D是双极性，实际仅对用了半量程）, 再考虑放大电路、传感器的误差和非线性。下面的处理也是同样的。 400020000N 绝对精度：11N 2000050000N 绝对精度：26N位移的测量精度:030mm 绝对精度：0.002mm F-L和-曲线的绘制：曲线的绘制采用30cm x 25cm的X-Y记录仪，X方向对应L()，输入信号015V；Y方向对应F()，输入信号012.5V.系统中采用8位的D/A转换器，通过两个采样保持器切换产生两路的控制信号，X方向的分辨率位1.17mm，Y方向的分辨率位0.98mm。硬件的总体布置：参考文献1 陈召宝，刘胜强AT89C2051自动控制步进电机加荷系统的设计试验技术与试验机，2000，40(3)：35272 珠江新，林一忠，等拉力试验机计算机实时控制机床与液压，2002（6）：2502513 王玉臣，王晓天应变测试系统及其应用试验技术与试验机，1999，29（1）：28294 刘继林电子万能试验机位移速度控制系统的参数调整试验技术与试验机，1998，38（1）：795 杨其华实用拉力试验机微机测控系统的研制测控技术，1999，18（2）：22246 樊斌试验机智能数显仪的研制铁道师院学报，1999，16（2）：63667 李东强拉力试验机的微机控制运载火箭与返回技术，1992，13（1）：28338杨宗英.初探进口电子拉力试验机测力系统的改造试验技术与试验机,2000,40(1):66679 姜京文.基于89C51单片机的试验机测量系统试验技术与试验机,2001,41(3):515210刘健,姜伟等全自动拉力试验机系统液压与气动,2001(8):404111Morgan R.A simple tensile testing machine.Phys:Educ.1972,7:50350512Robert H.Bishop 著.L阿布VIEW S图扥他Edition6i.乔瑞萍,林欣等译.第一 版.北京:电子工业出版社,200313Schenk A.Meas.Sci.Technol.A new tensile tester for micro-scale strain measurements in the scanning electron microscope.1990,1:13613814王连香，王光拉力试验机的微机控制理化检验：物理分册，1998，24（8）：363815蔡大扬，葛成茂。INSTRON1122型拉力试验机自动测量和数据分析系统。广东电子，1992（4）:18毕业设计（论文）开题报告2、本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一方案的设计与实现1.信号调理与测量电路如图3.1所示，单机方案中采用单片机作为主控器件，在上位PC机的控制下对被测量进行采集与电机的控制，主要硬件电路是由传感器激励电路、传感器、前置放大电路、阻抗变换短路、A/D转换电路、单片机及通讯电路构成。其中：采用由电阻应变片电桥构成的传感器实现拉力-电量的变换；采用仪表放大器构成前置放大电路，实现对应变片传感器输出的毫伏级信号的放大；采用精密运放构成射级跟随电路，实现阻抗变换；采用型A/D转换器实现模拟量到数字量的测量变换；采用89C51单片机作为系统控制部件，实现A/D的校准、数据采集、通讯等功能。2小位移测量传感器 拉力试验的测量原理是基于力变形（F-L）和应变（-）实现的，目前，力值测量传感器主要是由采用惠斯通（Wheatstone）电阻电桥结构应变计构成，其内部主要是由金属电阻应变片构成的，是利用吸附在基体材料上的应变电阻随机械形成形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应，实现力值的第一步模拟转换。由于金属导体的电阻值可用式（3.1）表示： R=L/S (3.1)式中： -金属导体的电阻率（.cm2/m）S-导体的截面积（cm2）L-导体的长度（m） 以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可以容易得出，其电阻即会发生改变。假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减小，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况，进而获得相应的力值变化。在一定的变形范围内，金属丝的电阻变化率与应变成线性关系。当将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，并使敏感栅的栅轴方向与应力方向一致时，应变片电阻值的变化率R/R与敏感栅的栅轴方向的应变成正比，如式（3.2）所示 R/R=K （3.2） 式中：R-应变片的原始电阻值； R-应变片电阻值的改变量；K-应变片的灵敏系数；应变电桥有一个重要的性质：应变电桥的输出电压与相邻量桥臂的电阻改变量之差、相对两桥臂电阻改变量之和成正比。对于平衡电桥，如果相邻两桥臂的电阻改变量大小相等、符合相同，或相对两桥臂的电阻改变量大小相等、符合相反，则电桥将不会改变其平衡状态。应变片在电桥中的接法通常有半桥单臂接法、半桥双臂接法及全桥接法，其中同等条件下半桥双臂接法的输出是半桥单臂接法的两倍；全桥接法的输出是半桥单臂接法的四倍。3.大位移测量拉力试验的测量原理是基于力变形（F-L）和应变（-）实现的，目前大位移测量通常采用码盘长度测控器,码盘长度测控器由长度脉冲信号发生器(码盘)、长度显示（6位7段数码管）以及长度测量与控制（MCS-51单片机及接口电路）等3部分组成。技术条件要求长度设定位6位数字，即最大长度显示位999.999mm。长度显示是动态显示所测量材料的实际长度。准确的计算出发出控制命令的提前量是高精度测量的保证，测量材料长度的码盘与长度测量与控制电路（MCS-51单片机及接口电路）连接，6位7段数码管用于长度显示，码盘每转600个脉冲，因此脉冲当量位 =180/600=0.9425 mm （1）每检测到一个码盘脉冲就表示材料拉伸了0.9425mm。因此，通过码盘能够检测出材料的实际长度，进而在对码盘脉冲实时采集、处理和显示的过程中，实现对材料长度的准确控制。硬件电路以8031CPU为核心, 由EPROM、RAM存储器、I/O芯片以及键盘显示电路组成。为保证系统在恶劣工业环境下可靠工作, 所有数字量输人/输出点都经过光电隔离, 模拟量采用变压器藕合隔离。码盘定长控制器的抗干扰措施：本测控器设计时充分考虑了抗干扰问题, 采取以下措施： 测控器装置了金属屏蔽罩, 输人信号线及输出信号线采用金属屏蔽线, 以屏蔽外界电磁信号 输人输出光电隔离, 由于检测输人和控制输出都与继电器、接触器、电机及开关等相连, 易受一扰, 因此在输入输出电路设计中, 都采用了光电隔离, 这样可减少对单片机的干扰 防止对电源的干扰, 电源仅供微机使用, 稳压输出采用滤波, 从而提高微机电源的质量, 保证微机正常运行 由于外界干扰有可能使程序在运行过程中出现“ 跑飞” 现象, 因此设置软件陷阱, 在非程序区用连续填充, 一旦程序运行失控, 进入非程序区, 强迫使程序自动进人初始状态4.传感器电源为使应变传感器产生一个与其受力大小相适应的电信号输出，必须为应变片电桥提供合适的激励源，为了获得较好的应用效果，通常采用恒压源或者恒流源激励电桥。在典型的电阻式应变传感器应用中，由电阻应变片构成的电桥输出的电压差分信号与传感器受到的压力和对电桥施加的激励电压成一定比利，当应变量一定时电桥输出的差分电压信号精度受激励源影响，其影响程度与激励源波动程度相当，因此在力值测量中电阻式应变传感器激励源设计是十分重要的。5.信号调理单元（前置放大器）电阻式应变电桥输出的电信号通常很微弱并且受到噪声、失调和增益误差的影响。在对电桥的输出信号数字化处理之前，必须先将其通过放大、滤波等环节进行调理以便与数模转换器（ADC）的输入范围想匹配。采用AD620仪用放大器构成力值传感器输出信号的前置放大单元。6.A/D转换单元A/