摘 要： 介紹了最新研制成功的1200kN標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力源裝置的測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由PC機(jī)、單片機(jī)、兩塊高速數(shù)據(jù)采集卡及其它電路等組成，其中測控系統(tǒng)的組建、高速數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)較有特色。
關(guān)鍵詞： 標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力 裝置 計(jì)算機(jī)控制 高速同步采樣
1200kN標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力源是基于帕斯卡定律的液壓放大式原理建成的[1]。該裝置作為國家大噸位動(dòng)態(tài)力基準(zhǔn)受國防科工委委托研制，主要用于力傳感器的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。首先在小徑測力油缸上加載標(biāo)準(zhǔn)砝碼，在與小徑測力油缸相通的大徑工作油缸上復(fù)現(xiàn)放大的標(biāo)準(zhǔn)力值，然后用沖擊卸荷的方法獲得一個(gè)近似于理想的負(fù)階躍力[2][3]。整個(gè)裝置機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1、圖2所示。圖1中測力機(jī)由8塊不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼組成，可獲得最小分辨率為10kN、范圍為50kN～1200kN的不同力值。圖2中落錘高度由光電編碼器測量，高度根據(jù)力值大小設(shè)定，最大升高為1.8m，工作油缸與測力油缸相通，力值放大比為200。
1 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)
圖3為整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力源裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。其主要功能及特點(diǎn)如下：
(1)標(biāo)準(zhǔn)砝碼是通過提升油缸和24只交流伺服微電機(jī)控制選擇加載的，微電機(jī)正反轉(zhuǎn)由單片機(jī)和外部邏輯電路控制，該邏輯電路[1]較好地避免了微電機(jī)和限位開關(guān)的損壞，并將I/O口線從72線減少到9線。
(2)沖擊落錘的自動(dòng)抓取、釋放是通過對內(nèi)外滑套、鋼珠、彈簧、電磁鐵等進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，提升高度通過光電編碼器測量控制。
(3)為保證力源精度，測力油缸和工作油缸采取間隙高壓油封技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)油路設(shè)計(jì)見文獻(xiàn)[4]，高壓油封壓力由D/A控制比例溢流閥自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。
(4)激光多普勒測速儀用于測量負(fù)階躍力的下沿時(shí)間，其數(shù)據(jù)由50MHz、8bit的高速采樣卡記錄，力傳感器電壓經(jīng)二次儀表放大后，由2MHz、12bit的高速采樣卡記錄，靜態(tài)力值由14位低速高精度采樣卡記錄。
(5)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用上下位機(jī)，通過串行口通信，數(shù)據(jù)采集分析由PC機(jī)完成，動(dòng)作控制由單片機(jī)控制完成，操作命令可由PC機(jī)或控制柜上的小鍵盤單獨(dú)操縱，并可進(jìn)行單步執(zhí)行或流程全自動(dòng)執(zhí)行。
(6)除傳感器安裝外，所有操作均為計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，測控系統(tǒng)軟硬件充分運(yùn)用了抗干擾技術(shù)。
2 硬件組成
本測控系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。主要包括以下五部分：
信號檢測：包括光電編碼器信號檢測，提升油缸、測力油缸上下限位檢測，24只砝碼電機(jī)到位檢測以及落錘是否抓牢及允許釋放信號檢測。
執(zhí)行信號：包括砝碼選擇電機(jī)正反轉(zhuǎn)，各電磁閥開關(guān)，落錘釋放控制，提升電機(jī)正反轉(zhuǎn)，泵電機(jī)啟停控制。
數(shù)據(jù)采集：低速高精度采樣卡可記錄靜態(tài)力值并動(dòng)態(tài)監(jiān)視保壓效果，高速采樣卡分別記錄激光信號和傳感器輸出電壓信號。
信號處理：包括將光電編碼器信號轉(zhuǎn)化為高度值并由數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示；自動(dòng)加載及保壓油壓控制策略的實(shí)現(xiàn)。
鍵盤顯示：由8279芯片完成，并設(shè)置了8個(gè)數(shù)碼管和24個(gè)薄膜按鍵。
3 高速數(shù)據(jù)同步采集技術(shù)
動(dòng)態(tài)力實(shí)現(xiàn)時(shí)力的下沿時(shí)間最短為20μs，即整個(gè)沖擊過程在幾十微秒內(nèi)完成。而根據(jù)力傳感器校準(zhǔn)要求，必須對力傳感器輸出及力的測速實(shí)現(xiàn)同步采集，因此，我們采取以下技術(shù)措施：(1)兩卡上均設(shè)有高速RAM，其中2MHz卡存儲量為32KB，50MHz卡存儲量為64KB，且均有可調(diào)的內(nèi)外觸發(fā)電平功能；(2)有提前存儲功能且RAM存儲量大小可調(diào)節(jié)；(3)在2MHz電壓采樣卡上引出一同步觸發(fā)信號給50MHz激光采樣卡，這樣在沖擊后，力傳感器受力突然變小，輸出電壓減小到2MHz卡預(yù)置內(nèi)觸發(fā)電平，觸發(fā)采樣并將記錄數(shù)據(jù)存于RAM中，同時(shí)該信號也觸發(fā)50MHz采樣記錄數(shù)據(jù)，在觸發(fā)前一段時(shí)間的數(shù)據(jù)則記錄在提前預(yù)置的RAM中。采用該法成功地解決了高速數(shù)據(jù)同步采集問題，為力傳感器相位校準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。
4 軟件設(shè)計(jì)
單片機(jī)部分軟件由MCS－51匯編語言編寫，主要實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作的控制、信號的檢測等，限于篇幅不再羅列。PC機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集、分析處理軟件是基于Windows的Visual C＋＋編制的，程序界面美觀，操作方便。圖5和圖6為國產(chǎn)L650壓電式力傳感器在180kN力動(dòng)態(tài)激勵(lì)下輸出的信號及其幅頻響應(yīng)曲線圖。
本裝置融合了機(jī)、電、液、算、光等技術(shù)，使之一體化測試結(jié)果表明，系統(tǒng)調(diào)試操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。該項(xiàng)成果填補(bǔ)了我國在動(dòng)態(tài)力值計(jì)量領(lǐng)域的一項(xiàng)空白。
參考文獻(xiàn)
1 魏燕定.負(fù)階躍動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及微機(jī)測控制系統(tǒng)研制.浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，1995
2 魏燕定，何 聞，賈叔仕等.用于校準(zhǔn)力傳感器動(dòng)態(tài)特性的大力值寬頻帶的動(dòng)態(tài)力的實(shí)現(xiàn)方法.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1995(10)
3 陳 輝，何 聞，朱 虎等.一種新型的大力值、寬頻帶的負(fù)階躍力產(chǎn)生方法.計(jì)量與測試技術(shù),1995(5)
4 何 聞，賈叔仕，魏燕定.1200kN標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力源裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì).機(jī)床與液壓,1997(3)