材料試驗機測量結果顯示技術改造

陳曉東，彭海波，曹桂松

(1. 中航工業貴州飛機有限責任公司，貴州安順561018;2. 中航商用航空發動機有限責任公司，上海201108)

0 引言

在各類材料的產品質量檢驗、生產過程質量控制、材料科學研究和教學試驗中都必須應用材料試驗機來進行力學性能測試。力學性能可分為靜態性能和動態性能，試驗機也可分為靜態試驗機和動態試驗機。依據試驗機測試領域工作原理的不同。可以分為很多類型，其中，以標準或非標準試樣作為被測件的試驗機通常稱為材料試驗機。本文主要針對材料試驗機測量結果顯示技術進行研究。

隨著計算機技術的飛速發展，力學性能的自動測試已成為體現測試技術現代化的重要標準。目前，國內已擁有數萬臺各類試驗機，其中大部分試驗機都是傳統的機械傳動方式，測試準確度低、操作不方便、無法滿足某些特定需要，更談不上測試的自動化。一部分試驗機雖有電子測試能力或配有計算機，但因其技術落后或經多年運行，其工作已不可靠，甚至已處于癱瘓或半癱瘓狀態。現有試驗機如何能跟上時代并繼續發揮效能，已受到廣泛的關注。

1 工作原理簡介

要使傳統的機械式試驗機具備直接顯示測試結果能力，并使其達到測試的自動化，必須配備以下幾個部分:力或位移傳感器、信號放大器、數據采集接口及控制接口、數據顯示模塊、測試軟件、控制器及計算機。簡要工作原理圖如圖1 所示。

圖1 工作原理圖

將力傳感器接入測力系統，當有力施加在電測傳感器上時，力傳感器中的電壓就會發生變化，電壓經信號調整器變換為小電壓信號，經過放大后送給信號保持電路，使被測信號變為數據采集器可有效采集的電壓信號;之后經過模/數轉換后送到數據采集器中，數據采集器在單片機微控制系統的控制之下，對被測信號進行實時的采集，并讀取測量結果，進行必要的分析處理，從而測出傳感器上所承受力的大小，顯示輸出。另外，在計算機的控制之下，單片機系統接受并響應計算機的測量控制命令，完成相應的測量任務，將測量結果送到計算機系統，由計算機完成更為復雜的分析處理和數據曲線輸出管理功能。

2 硬件設計

2.1 信號調整電路設計

主要完成信號放大及電流/電壓變換輸出等功能。原理電路圖如圖2 所示。

圖2 信號變換及放大電路圖

該電路使用了具有低噪聲、低偏置電流、低失調、低漂移、輸入阻抗高等特點的OPA2111 芯片作為信號的前期放大。該芯片非常適用于精密儀器的信號前期放大，放大倍數由電阻R2和R1完成(放大倍數Av =10 × (1 +2R2/R1) =1000 倍)。它與精密差分放大器共同組成拉力信號前期放大。此放大電路特別適合用于精密型儀表放大器的前期放大。

2.2 信號保持與自動采集電路設計

此部分電路構成了單片機系統的主功能電路，該部分接收從信號調整電路中輸出的電壓信號，并將其送入信號保持電路，然后送入模/數轉換器，將其轉換成單片機能夠識別的數字信號，最后傳送到CPU 中，通過設在CPU 中的程序來完成對輸入信號的自動采集。在電路中使用的模/數轉換器為A/D574，它是12位的轉換器，其模/數轉換時間小于32μs，能夠在較短的時間內完成信號的轉換，非常適合拉力瞬態變化的采集。其原理圖如圖3 所示。

圖3 信號保持與自動采集電路圖

2.3 數據顯示及數據通訊電路設計

該部分電路主要是用于單片機系統與計算機的通訊和LCM 液晶顯示屏數據顯示。在電路中MAX232 芯片用于單片機與上位機的串行通訊，它負責把接收到的上位機傳來指令送給單片機實行，并把單片機采集到的數據發給計算機和LCM 顯示器顯示。其中，HB240128LCM 液晶顯示器內含HB9188 智能芯片，并內置GB2312 代碼，可以實現漢字、ASCII 碼、變化曲線同屏顯示，并利用可串行或并行口輸入顯示，編程簡單。數據顯示及數據通訊電路原理圖如圖4 所示。

圖4 數據通訊電路及數據顯示圖

3 軟件設計

3.1 單片機系統CPU 中的程序工作流程圖

單片機CPU 中的程序主要控制A/D 轉換器的啟動和停止，并完成數據的采集、分析處理及輸出等功能。當單片機接收到上位機采集數據指令后，開始啟動A/D 轉換器，進行數據采集，把采集到的數據合成為計算機和LCM 顯示器相匹配的數據，然后分別通過串行口和并行口發送給計算機和LCM 顯示器。以此不斷地循環，直到單片機接收到停止命令。該單片機固化程序采用Keil C 進行編程。主要的程序流程圖如圖5 所示。

3.2 測量結果的輸出

為了實現測量的自動化，利用計算機的RS232 接口與單片機輸出接口連接。采用VB 6.0 編程語言進行計算機通信編程，其計算機與單片機通信的主要程序如下:

在測量時只需要啟動計算機里面的特有程序就能實現測量的自動化，并且能夠繪制出測試曲線、報告

計算機發送“3”啟動單片機開始測量程序如下:

Private Sub Command1_ Click ()

Dim byout (0)As Byte

Dim buf$

byout (0)=3

buf = MSComm1. Input

MSComm1. Output = byout

End Sub

計算機通過RS232 接口接收單片機測量數據程序:

Private Sub MSComm1_ OnComm ()

Dimreceive ()As Byte

Dim dstart%，receiveHI$，receiveLO$，result$

Select Case MSComm1. CommEvent

Case comEvReceive

receive = MSComm1. Input

dstart = LBound (receive)

dend = UBound (receive)

receiveHI = Val (receive (0))

receiveLO = Val (receive (1))

result = receiveLO + 256 * receiveHI

End Select

textreceive. Text =result

End Sub打印等功能。計算機上顯示的測量曲線如圖6 所示，檢定結果如表1 所示。

表1 檢定結果

圖5 程序流程圖

圖6 測試曲線圖

根據標準JJG475 －1986 《電子式萬能試驗機檢定規程》要求，其1 級試驗機的示值相對誤差為±1.0%、示值變動性為±1.0%、進回程示值相對誤差為1.5%、回零誤差為0.1%。由此可見，該試驗機符合1 級。

3.3 軟件系統特點

該軟件系統實現了數據的自動采集、測試結果的存儲、顯示、打印，以及根據材料指標對測試結果的智能判斷。另外，軟件以圖形方式實時動態顯示測量結果，有利于對材料總體性能進行判斷。并且該軟件系統還實現了多次測試，在同一畫面中以不同顏色同時顯示，方便了不同材料性能的對比。在測試功能的擴充方面，它利用計算機毫秒定時器及測量值開展了粘合度性能的檢定。

4 總結

該系統利用單片機技術，通過高精度力傳感器、前期放大器以及12 位A/D 轉換器，實現材料力學的準確測量;并且通過計算機進行數據處理，實現了檢定結果智能判斷，提高了工作效率，將全部測量結果以圖形方式實時動態顯示，符合材料力學的科學分析。

［1］鄔寬明. 單片機外圍器件實用手冊［M］. 北京:北京航空航天大學出版社，1998.

［2］鄧其源. 試驗機的升級改造技術及其展望［J］. 理化檢測－物理分冊，2001，37 (1):2 －6.

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