液动射流式冲击器性能指数的测量

液动射流式冲击器性能指数的测量

1冲击功测量系统液体萃取流分析仪是中国的一种创新脉冲装置，广泛应用于水井、石油钻孔等领域。在液动射流式冲击器理论模型建立、性能评价、设计研究和结构改进过程中,需要对冲击器的各项性能参数正确测量,所要测量的参数包括冲击功、冲击频率以及活塞上下腔压力—时间变化关系曲线。其中,冲击功和冲击频率是冲击器的两个最主要参数,是衡量冲击器优劣的关键指标。目前,国际上尚没有一种标准的液动冲击器冲击功测量方法,常用的测量方法由于种种缺陷无法直接应用于液动射流式冲击器的冲击功测量中。基于此,本文提出了一种新型测量方法,通过线性霍尔传感器的微小霍尔电压变化间接非接触测量冲锤末速度,根据动能定理计算冲锤冲击功,并且通过计算机统计计算得到冲击频率,实现多参数测量。该方法仪器系统研制方便,测量精度高,解决了液动射流式冲击器冲击功测量难题。本文详细论述了该测量方法原理以及仪器研制关键设计思想。2冲锤冲击的检测方法目前,国内外提出的液动冲击器冲击功测量方法主要有:应力波法、电磁感应法和触点法。(1)应力波法,根据冲击器冲击管柱形成的冲击应力波能量计算冲击功。假设冲击管柱某一固定截面受力为F,速度为v,在Δt时间内做功为Fvdt,因此总能量W=∫t00tFvdt,对上式以足够的积分点进行积分即得出精确的单次冲击功。该方法虽然理论严谨,但要求苛刻,很难在液动射流式冲击器上实现。(2)电磁感应法,该方法将磁体固定在冲锤上,当冲锤运动时,带动磁体运动,形成线圈与磁体间的相对运动而产生电势。冲锤运动速度v与所产生的电势成比例关系,根据感生电势和动能定理得出单次冲击功。该方法受外界影响大,测试结果不能很好地反映冲击器的工作性能。(3)触点法,此方法是使冲锤冲击到一个特制的砧子上,在砧子的端部埋设两个高矮不同的触头,其高度差为Δl。两个触头与数字频率计相连,当冲锤冲击时,数字频率计纪录冲锤先后碰撞两触头的时间间隔Δt,通过Δl和Δt得到末速度,根据动能定理获得单次冲击功。触点法为接触式测量方法,测试结果受机械装置影响较大。综上所述,现有测量方法很难应用于液动射流式冲击器上,本文提出了“霍尔电压法”,该方法的测量原理和触点法相似,但是属于非接触测量范畴,而且能够全面测量冲击器的多个性能参数。3冲锤冲击功的测量通过测量冲锤末速度来计算冲击功是本方法的基本思想,因此,冲锤的末速度测量是方法的关键。冲击功和末速度之间的关系可以由动能定理表示:WH=12MHv2(1)WΗ=12ΜΗv2(1)式中:WH为冲击功,mH为冲锤质量,v为末速度。为了准确测量冲锤运动的末速度,本文提出了“霍尔电压法”,利用线性霍尔传感器霍尔电压微小变化非接触测量冲锤末速度。该方法的实现装置原理如图1所示。将磁场梯度较大的环形磁铁固定在冲锤上,冲锤在水动力介质的作用下带动磁铁在腔体内作冲击运动,固定于磁铁旁的霍尔传感器周围磁场发生周期性变化,霍尔电压随着周期性变化。由于方法不关注霍尔电压与时间之间的函数关系,因此每次冲击过程霍尔电压的变化可以近似成图2所示线性曲线。霍尔传感器可以沿着冲锤轴方向上下调整位置。在参数测量前冲锤停留于图1虚线位置,调节传感器选择A、B测量点,2点之间的行程距离Δl可以灵活设置,一般为1mm。分别测量2点的霍尔电压u1和u2,称为阈值电压。这两个电压相当于触点法中的两个高矮不同的触头。在参数测量时,固定霍尔传感器略低于B点,原理上,u1和u2可以直接作为2个比较器的门限电压,冲击过程中产生的霍尔电压和这两个门限电压比较生成两路触发信号(如图2所示),这两路触发信号可以控制定时器的启动与停止,对冲锤在Δl行程定时,得到Δt,因此,容易得到冲锤在Δl行程的平均速度,表示为:U¯¯¯=Δl/ΔtU¯=Δl/Δt。又因为Δl是冲锤冲击过程的最后一段行程,所以,平均速度U¯¯¯U¯可以近似为冲击过程的末速度,通过这个末速度计算得到冲击功。实践中,为了提高时间测量精度,需要对u1、u2作信号调理生成比较器门限电压。A、B之间的行程距离Δl越小,平均速度越接近于末速度,测量精度越高。由于Δl的高精度调节以及触发信号产生容易实现,因此通过该方法实现冲锤冲击功的测量在原理上是可行的。该方法能够实现多参数测量,通过计算机统计冲锤每秒的冲击次数得到冲击频率。由于霍尔电压的大小和冲锤位置有关,所以通过虚拟仪器技术实时检测霍尔电压大小就可以形象描述冲锤的运动轨迹。4仪器仪表的发展方向仪器系统的研制基于虚拟仪器技术。虚拟仪器技术是计算机技术、测试技术和电子技术的发展产物,是仪器仪表的发展方向。整个仪器由传感器系统、电气系统、机械结构和上层测控软件4部分组成。在测控软件控制下,通过硬件获取Δl的行程时间,由串口将数据传输至计算机,测控软件对数据进行分析处理,计算冲锤冲击功和冲击频率,并实时反映冲锤的运动轨迹。4.1传感器的选择和安装线性霍尔传感器须选择灵敏度高、体积小的霍尔元件,日本AsahiKasei公司提供的HW-300B满足系统要求,采用±1V电源供电。由于输出霍尔电压较小,可以采用低噪声固定增益放大器OPA4253将传感器信号放大,20倍放大之后霍尔电压能够在200mV以上,噪声电压小于5mV,满足检测要求。霍尔传感器需要沿着冲锤轴方向灵活调整位置,因此设计由螺旋测微器构成的机械装置实现霍尔传感器的精确移动,移动机械装置的精度直接影响测量精度,因此,在设计和测量过程中需要足够注意。在磁铁的选择上应该考虑磁场梯度较大的磁铁。由于冲锤轴在冲击过程中会随机转动,因此选择环形磁铁,避免了冲锤轴转动对霍尔传感器的周围磁场带来影响。另外环形磁铁便于固定,可以直接将磁铁套在冲锤轴上加固。由于传感器的工作环境为液态水,所以需要密封措施将传感器密封固定,采用AB胶密封传感器及其调理电路。为了保证信号不受外界干扰,传感器的输出通过屏蔽电缆将信号送入电气系统。为了确保接口经受得住冲击过程的剧烈震动,所有接口采用坚固的航空插头,并采用AB胶密封固定。4.2数模转换器的设计电气系统是仪器系统的核心,其实现的原理框图如图3所示。传感器信号经过无源低通滤波、前置放大、增量放大之后由触发产生电路生成两路触发信号,增量放大和触发产生模块在单片机的控制下工作。两路触发信号和单片机AT89S52外部中断引脚相连,控制内部16位定时器的启动和停止,实现对Δl行程时间的测量,可以精确到微秒量级。高精度数据采集电路可以获取滤波、放大之后的传感器信号,在参数测量前,用来检测阈值电压u1和u2,在系统工作时,可以实时获取传感器信号,得到冲锤的运动轨迹示意图。由于冲击器的工作现场震动剧烈,因此通过RS232串行总线进行远距离的数据传输。电气系统的设计关键在于增量放大和触发信号产生。由于霍尔传感器在梯度磁场中移动1mm所产生的霍尔电压变化量十分微小,20倍放大调理后,阈值电压u1一般为200mV,u2为220mV。如果直接对u1、u2放大,然后通过触发产生单元生成触发信号,那么为了防止饱和,放大倍数K不能太大,导致变化量Δu=K(u2-u1)很小,由于高速比较器本身存在门限误差电压,Δu太小导致行程时间测量不准确。因此,后继信号调理的重点就在于如何获得足够大的Δl行程霍尔电压变化量Δu,基于此,本文采用了增量放大的实施方案。传感器信号首先10倍固定前置放大,然后通过增量放大使得霍尔电压变化量Δu调整到4V以上,具体大小和A、B点的选择有关,但4V变化量已相当可观,高速比较器的门限电压误差可以忽略。软硬件结合实现了增量放大和触发产生电路的设计,原理如图4所示。数模转换器A在单片机的控制下以阈值电压u2为标准生成基电压u3,u3比u1小25mV。滤波放大后的霍尔电压通过减法电路减去基电压u3,得到增量电压u′i,20倍固定增益放大得到u″i。同理,门限电压u′1、u′2通过单片机数值处理的方法将阈值电压减去u3,乘以放大倍数20,然后数模转换得到。u′1、u′2分别与u″i高速比较产生触发信号Tr1、Tr2。事实上,u′1固定为0.5V,而u′2由B点位置决定,一般可以调整在4.5V左右。调理后的Δl行程霍尔电压变化量Δu=u′2-u′1足够大,满足检测要求。综上所述,不管是传感器信号,还是参考门限电压都经过了式(2)所示的信号调理放大过程,即增量放大。u″i=(ui-u3)×20(2)在电路设计过程中,数模转换器选用TI公司的TLC5615,具有10位垂直数据分辨率,SPI总线接口。高速比较器采用MAXIM公司的MAX913,具有10ns的工作速率。4.3传感器安装调整测控软件实现对底层系统的控制、测量数据的获取、数据分析和存储等系列操作,包括阈值电压u1、u2获取模块,串口通信模块,虚拟示波器模块和冲击功/频率测量分析模块。在传感器模块安装调整时,通过虚拟示波器模块观察霍尔电压大小,指导调整传感器的位置,使霍尔电压处于合适的范围之内。在选择A、B两点位置后,可以通过阈值电压获取模块检测u1、u2并保存,在以后的重复测量过程中,可以将保存的u1、u2值配置硬件设备,无须重复检测。作为上层测控软件,其不仅能在测试过程中动态观察单次冲击功以及冲击频率,而且通过虚拟示波器模块能够实时观测冲锤的运动轨迹,增强了测试系统的可视性,提供了额外的数据信息,充分发挥了虚拟仪器技术的优势。5冲锤冲击功测试仪器系统在吉林大学建设工程学院冲击回转实验室对SC89B新型冲击器进行了现场测试。将传感器及相应的机械装置加固安装于冲击器上,采用屏蔽电缆将传感器模块和电气系统相连,通过串口将计算机和电气系统远程连接。在虚拟示波器的帮助下,调节机械装置找到合适的传感器位置及A、B阈值电压测量点,获取并保存u1、u2阈值电压,并在测控软件中输入冲锤质量,实际测试行程Δl等参数,启动冲击器和测试软件,便可以得到冲击功和冲击频率测量结果。表1列出了SC89B新型冲击器的冲击功测试数据。从表1可以看出,25kg冲锤在Δl=1mm的行程距离下测得冲击功在35J左右,与该型号的理论仿真计算值36.1J相吻合。通过软件统计计算的冲击频率为6~9Hz,与传统的声波测试法结果一致,很